基于zigbee技术的设备状态监测数据与故障诊断系统研究

薛　伟　司海涛

（山西运城学院，运城 044000）

基于zigbee技术的设备状态监测数据与故障诊断系统研究

薛伟司海涛

（山西运城学院，运城 044000）

无线通信监测设备是未来发展的趋势，可以有效克服在线监测的种种局限性，而且能够适用于高温高热、布线困难、危险、复杂的环境中。本文开发了一个基于zigbee技术的设备状态监测数据与故障诊断系统，并对无线传感器网络系统总结构设计和在线监测与故障诊断系统设计进行了简单探讨。

zigbee技术 状态态监 故障诊断

ZigBee是一种无线组网通讯技术，具有短距离、低功耗、低数据传输速率等特点。它和其他无线技术结合应用，可以发挥更广泛的作用。作为一种高性能无线传感器网络技术，ZigBee 技术具有覆盖区域大、监测精度高、部署速度快等优点，可以弥补有线传输带来的一系列问题，尤其适用于高温高热、布线困难、危险、环境复杂等的工业生产现场或特殊场合，实现在不影响企业正常生产的前提下对关键设备进行状态监测[1]。本文开发了一个基于zigbee技术的设备状态监测与故障诊断系统，系统主要包括无线传感器网络的硬件、软件平台设计以及上位机状态监测、故障诊断系统设计几个部分。其中，无线传感器网络的无线通讯模块软件设计是整个系统的关键部分，是实现无线数据采集系统的先决条件。它在网络拓扑结构上采用简单的星型网络。下面主要对无线传感器网络系统总结构设计以及在线监测与故障诊断系统设计进行重点介绍。

1　系统总结构设计

本文基于zigbee技术搭建了一个适用于工业生产现场的无线数据采集和监测及故障诊断的系统。系统设计包括硬件平台设计和无线通讯模块软件设计。系统的硬件部分主要包括前端的数据采集系统和后端的监测及故障诊断中心。其中，数据采集系统由各类传感器、传感器节点、协调器节点构成，主要负责实时收集、转换、传输设备的运行参数；监测及故障诊断中心由上位机应用软件构成，主要负责数据的显示、存储、查询以及设备的故障分析。根据系统的功能要求，本文基于zigbee技术建立如图1所示的设备状态监测数据与故障诊断系统。

图1　设备状态监测数据与故障诊断系统框图

Zigbee无线传感器网络是一种面向应用的、以数据为中心的无线网络技术。在工业现场环境的应用中，由于设备种类繁多，设备技术标准不一，所以需要设计的Zigbee网络结构和规模也不相同。本文以齿轮箱传动平台为研究对象，利用zigbee技术设计一个可以采集和传输齿轮箱运行参数的无线传感器网络，并设计具有实时显示及故障分析预警等功能的上位机状态监测与故障诊断软件。

1.1传感器节点无线模块设计

传感器节点无线模块设计主要包括两个方面：Zigbee芯片的选择和节点无线模块设计。

Zigbee芯片产品种类较多，不同厂家的产品性能也有很大区别，本文采用CC2530芯片。该芯片采用较为普及的8051单片机内核，开发环境简单，成本优势显著，且能够满足节点无线模块低功耗、微型化的应用要求[2]。

无线数据收发模块主要由各种芯片以及少量外围电路组成，是整个系统中的核心部分，其中少量外围电路的设置可以满足系统的无线通信需求。然而，CC2530芯片的通讯距离是有限的，而工业现场设备分布较广、数量较多，因此可以通过增加功放芯片增加通信距离。该方法有利于增加无线网络通信的稳定性。另外，CC2530芯片集成灵敏的低噪声放大器和功率放大器，可以将无线系统信号的覆盖范围显著扩大。

1.2传感器节点硬件设计

传感器节点硬件设计主要涉及3个方面：传感器节点硬件结构、系统传感器选型以及电源设计。

系统中，传感器节点的功能主要是采集和传输目标设备的运行参数。本文系统设计的无线传感器网络节点主要包括传感器模块（数据采集、转换）、处理器模块（控制整个传感器节点运行动作、存储和处理数据）、无线通信模块（收发和转换数据、实现网络的无线通信）以及能量供应模块（供应模块运行所需要的能量）4个部分。

传感器用来检测各种物理量，如温度、湿度、振动、电流、压力等，种类繁多。在实际应用中，需要结合被测对象的特征对传感器进行选型。本文所需要采集的物理量有温度、振动、电流，因此选用的传感器为温度传感器选型、振动传感器以及霍尔电流传感器。温度判断是设备是否正常运行的重要指标。工业设备生产过程中，超负荷运转时，设备就会出现温度过高的现象，所以检测温度信号对保证设备的健康运行具有重要的意义。常见的温度传感器有热电偶式、热敏电阻式以及数字温度传感器。其中，数字温度传感器响应速度快，具有较高的灵敏度和更好的线性度，相对其他温度传感器有着独特的优势，本文选用一线式数字温度传感器DS18B20。检测振动信号是对设备进行故障诊断的重要手段，本文选用专门用于分析机械故障监测的ADIS16220可编程数字式传感器。电流是机电设备运行状况的重要表征，通过对电流情况的检测，从而可在过流、过压等危害情况启动智能控制保护。本文采用霍尔电流传感器对电流情况进行监测。该传感器广泛应用于数控机床、微机监测系统、变频调速装置、逆变焊机、变电站等领域，具有传感检测、传感采样、检测电流或电压等多种功能。

电源模块主要是为CC2530芯片和传感器模块供电。在无线数据传输中，传感器节点的位置不宜经常更换电池，所以尽可能采用低功耗电源设计，以延长电池寿命。

1.3协调器节点的硬件设计

协调器的硬件结构类似于传感器节点的硬件结构。协调器节点硬件结构设计如图2所示，主要包括CC2530核心板、LED显示模块、按键控制模块、天线接口模块、电源转换模块、串口模块、JTAG接口调试模块。串行接口的功能是实现协调器模块与上位机之间的通讯，并将转换后的数据反馈给微处理器。因为串行接口消耗的功率较大，所以一般只用于协调器，以节约传感器节点的功耗，延长工作时间。JTAG接口的一种嵌入式调试技术主要是进行程序在线调试，LED显示通讯启停状态，按键控制是为了实现与传感器节点的通讯及复位。

图2　协调器节点硬件结构

2　在线监测与故障诊断系统设计

以上是对系统数据采集模块和无线数据收发部分的介绍，下面简单介绍在线监测与故障诊断系统设计。上位机状态监测系统具有数据的显示和存储功能，可以实现对所选机床的温度、电流、振动等运行状态信息的监测。该系统以LabVIEW2011为软件编程平台，主要包括数据采集模块、zigbee通信模块、波形显示模块、数据存储模块、预警模块以及频谱分析模块。

在线监测模块包括主界面设计、数据存储以及故障预警3个部分。本文所设计的系统不仅可以显示状态参数信号，同时可以存储数据，包括数据信息、采样频率、起始时间以及采样数，通过对数据的分析实现对设备故障的诊断。LabVIEW软件提供的“TDMS”文件存储格式具有极强的高效性。数据采集的同时，它将数据存储在硬盘中，通过调取和分析数据可以判断设备发生故障的位置和类型。故障预警是实时监测的重要组成部分，可以在设备已经发生或者即将发生状态异常时发出状态报警，以避免设备发生更严重损害。

故障诊断模块的功能是检测设备的故障类型和故障的位置。在设备监测过程中，系统会将监测数据保存至文档，利用相关程序提取数据并进行降噪预处理，然后对数据进行时频分析。结合功率谱图的显示，进而判断出设备的具体信息。

3　结论

以上是对基于zigbee技术的设备状态监测数据与故障诊断系统的相关研究，主要对系统的无线传感器网络的设计以及上位机状态监测与故障诊断系统设计进行了探讨。该系统具有低成本、低功耗等优点，可适用于比较复杂的工业生产现场环境中，能够克服在线监测的一系列问题，实现在不影响企业正常生产的前提下对关键设备进行状态监测。

[1]胡绍泉.选煤厂设备状态监测与故障诊断系统研究[D].武汉：华中科技大学，2012.

[2]张超，杨立冬，李建军.局部均值分解和经验模态分解的性能对比研究[J].机械设计与研究，2012，（3）：38-41.

Research on Equipment Condition Monitoring Data and Fault Diagnosis System Based on ZigBee Technology

XUE Wei, SI Haitao
(Yuncheng University, Yuncheng 044000)

Wireless c ommunication monitoring equipment will be the future trend of development, can effectively overcome the limitations of online monitoring, but also can be applied to high temperature and high fever, wiring difficult, dangerous and complex environment. This paper develops a based on ZigBee technology of equipment condition monitoring data and fault diagnosis system, and the wireless sensor net work system total structure design and online monitoring and fault diagnosis sy stem design are briefly discussed.

ZigBee technology, s tate monitoring, fault diagnosis