基于NB-IoT 技術(shù)的無(wú)線振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

倪秋華，張華芳，高 偉，王 超，張舒麒

（蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004）

0 引 言

與短距離通信技術(shù)相比，長(zhǎng)期演進(jìn)技術(shù)（LTE）具有覆蓋范圍廣、移動(dòng)性強(qiáng)與大量連接的特點(diǎn)，可以帶來(lái)更加豐富的應(yīng)用場(chǎng)景，有成為物聯(lián)網(wǎng)主要連接技術(shù)的趨勢(shì)。而作為L(zhǎng)TE 的演進(jìn)技術(shù)，NB-IoT 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[1]意味著基于蜂窩物聯(lián)網(wǎng)的更多連接，支持M2M 連接和更低的延遲，整體系統(tǒng)功耗低，并將促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)和其他應(yīng)用的快速普及。目前，已有多種物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)支持NB-IoT 模塊工作。物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)[2]不僅功能強(qiáng)大，還可以減少開(kāi)發(fā)人員的工作量，縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期。因此，設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)基于NB-IoT 協(xié)議的廣域物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)[3]具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。尤其是工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)受限于4G 網(wǎng)絡(luò)連接的制約，將窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）技術(shù)應(yīng)用在旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備振動(dòng)監(jiān)測(cè)[4-5]中更有實(shí)際運(yùn)用價(jià)值。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)獲取到被測(cè)實(shí)物的原始振動(dòng)數(shù)據(jù)后，主動(dòng)連接已經(jīng)配置好的網(wǎng)關(guān)，直接將獲取到的數(shù)據(jù)通過(guò)4G 網(wǎng)絡(luò)上傳至云服務(wù)器。系統(tǒng)在上傳數(shù)據(jù)前，可對(duì)當(dāng)前的設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，云平臺(tái)依據(jù)系統(tǒng)里面設(shè)置的設(shè)備狀態(tài)參數(shù)對(duì)比，可迅速對(duì)當(dāng)前設(shè)備的健康狀態(tài)進(jìn)行狀態(tài)輸出反應(yīng)，并將狀態(tài)數(shù)據(jù)反饋到數(shù)據(jù)中心平臺(tái)。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)邊緣計(jì)算處理能力加強(qiáng)了設(shè)備健康監(jiān)測(cè)的可靠性與實(shí)時(shí)性。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示，組成框圖如圖2 所示。

圖1 總體設(shè)計(jì)框圖

圖2 系統(tǒng)組成框圖

系統(tǒng)由監(jiān)測(cè)終端和軟件系統(tǒng)兩部分組成。其中，監(jiān)測(cè)終端硬件包括微控制器、采集模塊（A/D 及預(yù)處理電路）、電源模塊、時(shí)鐘模塊、通信模塊和加速度傳感器等。

終端系統(tǒng)微處理器作為終端的大腦，負(fù)責(zé)終端系統(tǒng)的邏輯控制與運(yùn)算；微處理器同時(shí)與電源模塊、時(shí)鐘模塊、采集模塊及通信模塊相連接，將各模塊有機(jī)組合成一個(gè)整體。在采用電池作為電源時(shí)，需通過(guò)時(shí)鐘設(shè)置提升終端的待機(jī)時(shí)長(zhǎng)，終端僅通過(guò)NB-IoT 模塊進(jìn)行無(wú)線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信，通信模塊通過(guò)MCU 自帶的通信接口與主控通信。

軟件系統(tǒng)則基于物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，先由傳感器部分采集對(duì)應(yīng)的振動(dòng)信息，而后經(jīng)由通信模塊，將采集到的振動(dòng)信息傳輸?shù)街付ǖ脑破脚_(tái)服務(wù)器，由云平臺(tái)存儲(chǔ)、管理及信號(hào)處理。

2 系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)

2.1 傳感器選型

關(guān)于振動(dòng)傳感器的選型，目前市面上很多采用最新的ADI 的傳感器技術(shù)，例如選用ADXL1002 加速度傳感器芯片，噪聲低、線性好?；谂c常規(guī)離線檢測(cè)相互融合的綜合考慮，本系統(tǒng)選用目前工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)普遍運(yùn)用的壓電式加速度傳感器AC102-1A，技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1 所列。與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)普遍使用的常規(guī)傳感器（靈敏度為100 mV/g）完全兼容，滿足現(xiàn)場(chǎng)巡檢的統(tǒng)一通用要求，也便利于本系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果與巡檢測(cè)試或常規(guī)在線監(jiān)測(cè)的直接比較。

表1 傳感器技術(shù)參數(shù)

2.2 采集系統(tǒng)元件選型

采集系統(tǒng)框圖如圖3 所示。

圖3 采集系統(tǒng)框圖

微處理控制器選用STM32L496VGT6，芯片數(shù)據(jù)總線寬度為32 bit，芯片SRAM 空間大小為320 KB，1 MB FLASH。系統(tǒng)頻率為80 MHz，可進(jìn)入超低功耗模式，采用最新的半導(dǎo)體技術(shù)，待機(jī)電流達(dá)到nA 級(jí)。

系統(tǒng)采用AD7606 經(jīng)典采集芯片，最高可支持8 路信號(hào)同步采集，A/D 芯片具有16 位的分辨率、采樣精度高、采樣頻率高、讀寫(xiě)速度快、功耗低。

無(wú)線發(fā)送模塊采用WH-NB73 進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，該模塊硬件上集成MAC、基頻芯片、射頻收發(fā)單元以及功率放大器，內(nèi)置超低功耗運(yùn)行機(jī)制，可以有效實(shí)現(xiàn)模塊的低功耗運(yùn)行。

2.3 電源電路設(shè)計(jì)

為了使產(chǎn)品的使用靈活多樣，無(wú)線系統(tǒng)中的電源電路應(yīng)具備3.3 V 供電、±5 V 供電、24 V 供電，并可提供IEPE 恒流供電。系統(tǒng)可提供電池供電與外部供電兩種供電接口。系統(tǒng)饋電后，可直接對(duì)電池進(jìn)行充電，不需要拆卸更換電池。電源系統(tǒng)框圖如圖4 所示。

圖4 電源系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)電源電路均采用μA 級(jí)的漏電流電壓芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)，提高電池利用率。系統(tǒng)休眠時(shí)電壓芯片可控制為關(guān)斷模式。系統(tǒng)設(shè)置了電池的充電狀態(tài)燈。系統(tǒng)進(jìn)入休眠模式后，實(shí)測(cè)系統(tǒng)的電流為2.07 μA，系統(tǒng)電池供電為2 節(jié)18650電池，電池容量為6 800 mAh，系統(tǒng)的理論待機(jī)時(shí)間為：6 800÷2.07×1 000=3 285 000 h。

系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)峰值系統(tǒng)測(cè)試電流為248.4 mA，系統(tǒng)主動(dòng)發(fā)送一次時(shí)間為12 s，整個(gè)系統(tǒng)可以發(fā)送8 212 次，按4 h 發(fā)送一次波形，一次充滿電系統(tǒng)可以持續(xù)工作3.7 年。

電源系統(tǒng)中，元件的具體選型為：系統(tǒng)24 V 電源供電，選用TI 公司的TPS61175QPWPRQ1；系統(tǒng)3.3 V 電源芯片，選用TI 公司的TPS61025DRCR；系統(tǒng)±5 V 電源供電，選用ADI 公司的ADP5071AREZ。

3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)云平臺(tái)

云平臺(tái)開(kāi)發(fā)工作主要包括設(shè)備能力描述文件開(kāi)發(fā)和編解碼插件開(kāi)發(fā)。其中，Json 格式的設(shè)備能力描述文件profile開(kāi)發(fā)包括設(shè)備的服務(wù)信息和控制命令，編解碼插件開(kāi)發(fā)包括上行數(shù)據(jù)中payload 和下行命令中payload 的編解碼規(guī)則[6]。

本系統(tǒng)應(yīng)用軟件采用B/S 架構(gòu)開(kāi)發(fā)。服務(wù)器端基于Java語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，選擇Tomcat 作為Web 容器并選擇Eclipse IDE for JavaEE Developers 作為集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。Web 應(yīng)用項(xiàng)目使用Maven 構(gòu)建。Web 應(yīng)用設(shè)計(jì)采用模型-視圖-控制器（Model View Controller, MVC）設(shè)計(jì)框架，設(shè)計(jì)了模型、視圖組件和控制器，實(shí)現(xiàn)了前端和后端的解耦。服務(wù)器端采用MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)并選擇Mybatis 作為持久層框架。云平臺(tái)監(jiān)測(cè)效果如圖5 所示。

圖5 云平臺(tái)監(jiān)測(cè)效果

物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)和應(yīng)用服務(wù)平臺(tái)間基于HTTPS 協(xié)議通信。應(yīng)用服務(wù)平臺(tái)通過(guò)調(diào)用物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)相應(yīng)的北向接口完成消息訂閱、消息推送和命令下發(fā)的功能。

4 運(yùn)用測(cè)試

運(yùn)用測(cè)試選用手持式振動(dòng)篩VMC-606，提供一個(gè)已知的和可控的振動(dòng)穩(wěn)定輸出，其最大負(fù)載振動(dòng)加速度計(jì)可重達(dá)150g。試驗(yàn)先使用離線測(cè)振儀CSI2140 測(cè)試得到手持式振動(dòng)篩的振動(dòng)；隨后運(yùn)用同樣的加速度傳感器和測(cè)試線纜接入基于NB-IoT 的振動(dòng)狀態(tài)無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

根據(jù)離線測(cè)振儀CSI2140 測(cè)得振動(dòng)量值（通頻值）為0.565 76g，pk（即5.54 m/s2，pk），頻率為159.24 Hz；而基于NB-IoT 的振動(dòng)狀態(tài)無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)得振動(dòng)量值（通頻值）為5.49 m/s2，pk，頻率為159.5 Hz。云平臺(tái)的監(jiān)測(cè)結(jié)果與離線儀表一致。測(cè)試結(jié)果分別如圖6 與圖7 所示。

圖6 NB-IoT 云平臺(tái)的監(jiān)測(cè)結(jié)果圖（m/s2，pk）

圖7 離線儀表CSI2140 的測(cè)試結(jié)果（G’s，pk）

根據(jù)計(jì)量檢定規(guī)程《JJG 676—2019 測(cè)振儀》，配接加速度傳感器時(shí)幅值頻率響應(yīng)和幅值線性度最大允許誤差要求小于±5%，頻率最大允許誤差要求小于±0.5%?；贜B-IoT 的振動(dòng)狀態(tài)無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)精度滿足要求。

5 結(jié) 語(yǔ)

NB-IoT 作為一項(xiàng)新興的無(wú)線技術(shù)廣受歡迎，正大量應(yīng)用于不同的生活場(chǎng)景[7]。本設(shè)計(jì)方案特色是采用NB-IoT 無(wú)線技術(shù)，將其運(yùn)用到無(wú)線振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，研究其通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的采集和傳輸，這種方法具有較強(qiáng)的可操作性。本文基于NB-IoT 技術(shù)，設(shè)計(jì)一種應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的無(wú)線振動(dòng)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)信號(hào)的遠(yuǎn)程采集及監(jiān)控，對(duì)系統(tǒng)總體方案、硬件設(shè)計(jì)等進(jìn)行詳細(xì)描述。測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)測(cè)試精度滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)要求。

鑒于NB-IoT 的優(yōu)點(diǎn)，在無(wú)線振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)用中將具有很好的適用性以及較強(qiáng)的發(fā)展優(yōu)勢(shì)，這對(duì)于設(shè)備健康監(jiān)測(cè)具有重要的參考價(jià)值。