基于WSN的洗煤厂监测平台振动信号采集系统的 设计与实现

王晴晴，郭 龙，熊伟程

（贵州师范学院数学与计算机科学学院，贵州 贵阳 550018）

基于WSN的洗煤厂监测平台振动信号采集系统的 设计与实现

王晴晴，郭 龙，熊伟程

（贵州师范学院数学与计算机科学学院，贵州 贵阳 550018）

通过分析洗煤厂的实际情况，选择合适的协议、节点和传感器，进而搭建起基于无线传感器网络振动信号采集系统，并给出系统设计的软件流程图。采用实验的方式对振动信号采集系统进行测试，测试结果表明该系统具有很好的稳定性和实用性。

无线传感器；节点；传感器；振动信号

1 通信协议的选择（Choose of communication ）

ZigBee技术是一种低功耗、低成本的通信技术。ZigBee技术作为数据采集的技术载体，有重要的意义，它能够实现无线数据采集的优点，除了低功耗、低成本、大容量、安全等特点外，还具有一些特有的优点:

（1）自组织功能:无需人工干预，网络节点能够感知其他节点的存在，并确定连接关系，组成结构化的网络。

（2）自愈功能:增加或者删除一个节点，节点位置发生变动，节点发生故障等等，网络都能够自我修复，并对网络拓扑结构进行相应地调整，无需人工干预，保证整个数据采集系统仍然能正常工作。

因此，本系统选择ZigBee技术作为振动信号采集和传输无线通信技术是最为经济适用的。

2 系统硬件设计（Hardware Design）

2.1 总体设计

在前面讨论基础上，根据功能需求，设计出一种无线传感器网络的硬件系统方案。系统总体框图如图1所示：

图1 无线传感器系统结构图

各组成模块的功能如下：

传感器模块：负责采集和处理传感器传来的信号。

CC2430：负责对传感器的数据进行处理，内部集成了射频模块和ADC转换模块。同时可以通过JTAG接口，进行在线调试。

电源转换模块：提供稳定可靠的电压。

本系统的节点采用增强型安全外壳，尺寸依据内CC2430底板及锂电池大小而设计。内部元件排列整齐紧密。具有外形美观，耐腐蚀，抗静电，耐冲击及热稳定性好等优良性能。壳体和盖的接合面采用迷宫式凹槽，凹槽部分利用密封防水垫圈填充，壳体和盖的螺丝安装部分均采用小型密封胶圈封闭。具有较好的防水、防尘能力。如图2所示。

图2 节点外壳

2.2 振动传感器的选型与设计

传感器是获取物理信息的装置，是信息分析的信息源。它通过物理的检测元件对物理信息进行接收检测，同时并按照一定的规律将所获取的物理信息转换成适合系统识别和分析的另一种信息。在一个监测系统的设计中，应该首先对物理信息量进行检测，然后再去进行分析，因此传感器在整个系统中有着举足经重的作用。因此在能够获取物理信息量的同时，设计符合监测系统的高精度的传感器是非常有必要的。

研究表明，振动信号中含有丰富的故障信息，通过对其进行时域及其频域分析，分离出振动信号的主要时域部分、频域部分，从而得出各种故障。因此振动信号是监测量选择的首要选择。

机械振动测量的基本原理是根据振动的振幅大小与引起振动的力成正比的关系来进行的。振动测试与动态分析包括：振动测量、信号调理、数据采集、动态信号分析、现实记录等。洗煤厂的设备的振动频率均在200HZ之下，另外振动信号通常有以下几个特点：实时性强，精度高，数据量大。

在本系统中选用的是MEMS振动传感器。该产品采用单晶硅构成质量-弹簧-阻尼系统，差分电容方式检测中心质量快于固定框架的相对位移，而该相对位移与外界输入加速度具有确定的比例关系[3]。

由于环境的特殊性，振动传感器的设计需要考虑到要与待测设备直接接触，必须满足轴向方向与待测设备保持一致，连接点牢固不易松动，外壳材料不影响振动数据的准确性等。如图3所示。

表1 ADXL振动传感器参数

通过比较MEMS振动传感器的各方面特性，我们发现，它完全可以符合洗煤厂采集振动信号的要求。

图3 振动传感器

为了考虑到后续对设备状态监测的准确性、可靠度，以及为以后故障诊断提供大量的数据，我们对振动信号进行采集时，必须选择正确的测点，才能得到正确的有用的信号，所以在放置振动传感器必须遵循以下原则：

（1）尽量靠近振源；

（2）尽量在水平、垂直、轴向方向上。

因为主洗车间的设备以旋转设备为主，因此我们在每个监测设备上放置三个传感器。分别在靠近转子的部位，水平、垂直、轴向方向各放置一个传感器。

2.2 主控制器的选型与设计

处理器模块是无线传感器节点的计算核心，协调所有的功能、通信协议、数据处理和数据存储程序都是在这个模块的支持下完成的。因此，在节点设计中，主控制器的选择是至关重要的。

传感器网络节点使用的处理器应该满足如下要求：（1）外形小。（2）集成度尽量高。（3）低功耗且支持睡眠模式。（4）运行速度快。（5）要有足够的外部通用IO端口和通讯接口。（6）成本低。

综合上述分析，CC2430是符合这些要求的。因此它进入了我们的视线，成为我们选择的主控制器。

这款芯片整合了整个ZigBee射频前端、微控制器和内存。它使用1个8位MCU（8051），具有8KB的RAM，4KBRAM具备在各种供电方式下保存数据的能力，128KB系统内可编程闪存，还包含几个定时器（Timer）、模拟数字转换器（ADC）、看门狗定时器（Watchdog timer）、高加密标准AES128协同处理器、32kHz晶振的休眠模式定时器、掉电检测电路（Brown out detection），上电复位电路（Power On Reset）和21个可编程I/O引脚。

3 振动信号采集（Vibration Signal Acquisition）

3.1 振动采集结构图

振动采集部分结构如图4所示。传感器输出的模拟信号经CC2430片载ADC转换后转变为数字量，存入MCU。

图4 振动采集部分结构

图5 振动传感器原理框图

3.2 X、Y及Z轴频率响应的设置

MEMS加速度振动传感器在X、Y及Z轴频率响应是有规格限定的。在三个输出引脚上需要加上电容来构成低通滤波器，这样即增强了传感器输出信号的抗锯齿及降低噪声的能力，如图2-7所示。带宽F-3dB与电容CX、CY及CZ的关系如下式所示：

F-3dB=1/（2Л（32kΩ）×C（x，y，z））

3.3 A/D转换

CC2430ADC支持14位模数转换，包含多路模拟转换、8个单独模数转换通道、参考电压发生器及使用DMA控制器转换结果转存。

ADC转换主要特性：

（1）可选择采样频率及采样位数（8-14）

（2）8个独立输入通道，单端信号输入或差分信号输入

（3）可选参考电压：内部单端、外部单端、外部差分及AVDD_SOC（供电电压）

（4）中断请求

（5）转换结束时DMA触发

（6）片内温度传感器输入

（7）电池电压测量

P0口的输入信号可以作为ADC的输入，即AIN0—AIN7（对应P0.0—P0.7）。ADC可以设置为自动执行一个序列转换，当这个序列完成后，可选地从任何通道执行一个额外转换。

3.4 振动信号采集程序设计

在本系统中，因为洗煤厂的设备的振动频率均在200Hz以内，根据奈奎斯特采样定理，采用频率必须高于两倍的设备最大振动频率。在本课题中，我们选取5-6倍于设备最高频率，因此选取采样频率为1024Hz。所以当振动事件在系统中被触发后，主控制器首先配置相关寄存器，然后开始采集数据。当每个轴的数据量达到1024次后，停止采集，即本次采集完成。并将采集的数据通过天线发送至协调节点。程序流程图如图6所示。

4 系统测试（System Test）

4.1 硬件测试

硬件部分主要进行了传感器监测性能的测试。

用振动传感器采集频率为800Hz的振动。采得的数据部分截图如图7所示。

图6 A/D采样程序流程图

图7 800Hz时采集的数据部分截图

经MATLAB软件分析后的X、Y和Z轴的振动情况如图8（a）、（b）、（c）：

图8 800Hz信号时域波形及频谱图

4.2 测试总结

本文介绍了一种面向振动信号采集的高性能传感器节点的设计方法，着重从传感、采集、存储几方面介绍了相关的硬件设计。通过测试说明，无线传感器网络监测系统监测平台的设计与实现是实用的，可行的，能够满足绝大部分振动监测应用的需求。在监测量的测试中，说明选取振动信号作为监测量是可行的，能够正确采集到洗煤厂的设备振动情况。

[1]童敏明，谢金成，戴新联，蔡丽．煤矿监测系统无线传感器网络的设计[J]．煤矿安全，2007（1）：5-8．

[2]张洪，张杰，蔡磊涵，叶林．基于无线传感器网络技术的煤矿安全监测系统[J]．煤矿安全，2007，38（12）：39-42．

[3]高立慧,赵振刚,张长胜,李英娜,李川.压电式加速度传感器振动信号采集系统[J].传感器与微系统，2016（10）.

[4]蔡巍巍,汤宝平,黄庆卿.面向机械振动信号采集的无线传感器网络节点设计[J].振动与冲击，2013（1）.

[5]包雪梅,任小洪,王丹,赵月方.基于ZigBee和LabView的数控机床振动信号分析采集系统设计[J].自动化与仪器仪表,2016（3）.

[6]黄庆卿,汤宝平,邓蕾,张又进.机械振动无线传感网络数据分块无损压缩方法[J].仪器仪表学报,2015（7）.

[7]黄庆卿,汤宝平,邓蕾,刘自然.机械振动无线传感器网络跨层同步采集方法[J].仪器仪表学报,2014（5）.

[8]汤宝平,黄庆卿,邓蕾,刘自然.机械设备状态监测无线传感器网络研究进展[J].振动.测试与诊断,2014（1）.

[责任编辑：黄 梅]

Design and implementation of vibration signal acquisition in coalwashery monitoring platform based on WSN

WANG Qing-qing, GUO Long, XIONG Wei-cheng

（School of Mathematics and Computer Science, Guizhou Education University, Guiyang, Guizhou, 550018）

Firstly, in view of the situation of the coalwashery, appropriate nodes and sensors are chosen, then wireless sensor network route system is set up, and software flow chart of the system design is also presented.By using experimental method, route system is tested, the results of which show that the system has good stability and practicability.

WSN; Node; Vibration sensor; Vibration signal acquisition

2016-09-09

贵州省省级重点支持学科“计算机应用技术”（黔学位合字ZDXK[2016]20号）；贵州省科技平台及人才团队专项资金项目（黔科合平台人才【2016】5609）；贵州省科学技术基金计划资助项目（黔科合基础[2016]1115）；2016贵州师范学院教师科研项目（2016YB010）。

王晴晴（1986-），女，江苏徐州人，硕士，贵州师范学院数学与计算机科学学院讲师，研究方向：无线传感器网络。

TP212

A

1674-7798（2016）12-0032-05