基于模块化核电机组不可达区域设备的无线振动传感器设计方案

王新阳　刘明利

摘 要：随着世界人口的增长和生产、生活质量的进步，以及化石能源的日益枯竭，人类对清洁电能的需求日益迫切，百万千瓦级别的核电清洁能源机组建设也越来越多，为了便于土建施工，许多新型核电机组选择了模块化的设计和建造，大大缩短了机组的建设工期。然而，一些预期或不期的问题也随之而来，比如辐射控制区域设备和负压条件下通风机组模块的振动测量问题就是其中之一，用我们常规的便携式振动测量仪表进行振动测量将存在时间和空间上的困难。那么我们是否能够将现代的无线通信技术融合到振动测量领域中呢？文章将从电子学理论和技术方面进行无线振动传感器方案设计，以实现通过无线射频技术进行设备振动测量的理想目标。最后将以此为根据，展望可能在未来实现建立全国无线振动传感器网络的宏伟蓝图。

关键词：核电；模块化机组；传感器网络

1 概述

由于振动理论的相对完善性及其对设备维护的实践经验可行性，振動监测与诊断分析技术在维护几乎所有的转机、静机等机械健康运行和延长寿命方面得到了全世界的认可，任何电厂或相关企业都专门设有振动岗位，期望通过振动技术降低成本，以实现利润最大化。

随着工厂规模的逐步扩大，存在空间上的不可达区域越来越多。比如近些年比较流行的电厂模块化建造技术，能够有效缩短工期，一些整体型通风机组等模块化产品也应运而生，通常这些模块内部的空间都极其狭小，振动技术人员携带传统的有线式振动仪表难以进入其中进行振动测量；更如核电厂，存在放射性控制区域，正常运行期间人员禁止进入。这些因素限制了振动技术的应用，通过其他技术也难以对设备的健康进行有效维护。

针对这些现实问题，本文将把无线射频技术与振动测量技术结合起来，设计出一款能够进行无线振动测量的传感器集成电路。

2 设计需求分析

（1）传感器尺寸：无线传感器监测端需要安装在待测设备上，由于设备结构和种类繁多，安装空间可能非常有限，这样就要求设计的传感器尺寸要尽可能小。

（2）成本控制：成本从来都是衡量设计优劣的重要因素之一。

（3）功耗要求：本设计在器件选择时需尽量选择低功耗芯片，最好能有睡眠模式，有助于在我们需要时唤醒，不需要时进入睡眠状态降低功耗。

（4）无线频段的选择：全世界各个国家都对无线频道的申请和使用进行严格控制，最好选择工作在无需向当地频谱管理单位申请即可使用的频段的收发芯片，如433MHz，868MHz，915MHz，2.4GHz等。本设计选择的无线射频器件可以工作在433MHz频段。

3 元器件选型

由于设计要求尺寸尽量小，所以要求所选元器件要具有尽可能高的集成度。综合各因素，本设计选择SiliconLabs公司的Si1002-E-GM2无线微处理器、Analog Devices公司的ADXL335三轴模拟加速度传感器芯片及Maxim公司的MAX3232串口芯片。

3.1 Si1002-E-GM2无线微处理器

Si1002-E-GM2无线微处理器内部集成了25MHz晶振的8051兼容内核和EZRadioPRO无线射频收发模块，使得微处理器和无线射频收发芯片集成在一块芯片上，减少了芯片数量，进而减小了传感器尺寸。

Si1002-E-GM2具有22个I/O端口、4kB的RAM、64kB的Flash、10位分辨率的ADC、4个通用16位定时器，以及增强型的UART、SPI、I2C总线接口。

Si1002-E-GM2还具有多种电源管理模式，我们最需要的典型的休眠模式下，电流仅为50nA。

EZRadioPRO无线射频收发模块的工作频带范围为240-960MHz。最大输出功率+13dB，灵敏度-121dB，最大数据传输速率256kbps，而且参数计算和设置都非常简单。

3.2 ADXL335三轴加速度传感器

ADXL335三轴模拟加速度传感器芯片体积小（4mm×4mm×1.45mm LFCSP封装），测量范围合适（±3g最小），功耗低（350典型值），运行温度范围宽（-40℃——85℃）且抗温度变化稳定性出色（±0.01%/℃），带宽可调节（通过三个方向的滤波电容选择来实现）。

3.3 MAX3232串口

MAX3232串口芯片用以实现RS232电平与TTL电平之间的转换，用以实现MCU和计算机之间的串行通信。

3.4 电源模块

无线监测系统要求电源的输出纹波小，即稳压效果好。从电池寿命考虑，要求电源电路减小功耗、提高效率，且不要占用太多PCB空间。

本设计各模块的工作电压范围如下：

（1）Si1002-E-GM2：1.8-3.6V；

（2）ADXL335：1.8-3.6V；

（3）MAX3232：3.0-5.5V。

因此，选择3.3V作为各器件供电电压可以满足要求，电源可选用9V电池供电，调节稳压芯片选择Advanced Micro Systems公司的AMS1117。

4 硬件设计

硬件设计有两个模块：监测模块和接收模块。为简化设计量，两模块硬件设计方案一致，硬件组成框图如图1所示。

其中接收模块连接一个1602液晶，用以显示当前状态、接收到的数据等信息。

4.1 无线微处理器模块

根据设计需求分析，我们需要进一步分配芯片内各种资源，配置相关引脚功能以及设计各模块电路。

4.1.1 芯片内资源分配

（1）系统时钟选择：为减小尺寸，我们采用Si1002-E-GM2的内部24.5MHz晶振作为时钟源。

（2）ADC：Si1002-E-GM2拥有一个10位分辨率、最大数据传输速率300kbps模数转换器ADC0。它的功能是将模拟输入信号转换为数字信号传递给MCU进行处理。

（3）串口通信：UART0是一个异步全双工的标准8051通用异步收发传输器。利用UART0可以建立起监测模块、接收模块与计算机的通信。

（4）定时器配置：Si1002-E-GM2内部有4个定时器，两个16位定时器与8051定时器兼容，另两个是16位自动重装定时器。我们选择应用Timer1为UART0提供波特率；应用Timer2的溢出位作为ADC0的转换启动信号。

4.1.2 输入输出（I/O）端口功能分配

Si1002-E-GM2具有22个I/O端口，19个端口可以应用MCU的数字、模拟资源，另外3个专用于EZRadioPRO。利用自带的优先权数字交叉开关译码器功能可以自由地将P0^0-P2^6端口配置为模拟或数字端口。P1^0-P1^4是内部与EZRadioPRO连接的专用端口。

6 初步成果

作者通过以上方案进行了硬件焊接和软件调试，完成初步成品，如图6所示。经测试，能够满足一般测振需求，如经过具有资质的单位进行计量标定，则基本可以取代当前的有线便携式振动测量仪表。

7 成本预估及目标展望

核电站广泛采用的便携式振动测量仪表一般为ENTAK公司和AMS公司生产，一套振动测量设备大致在20～30万元RMB左右。

本设计中用到的芯片、PCB、电容、电阻、电感等总共的费用不到200元RMB。如果批量购买，单个传感器成本将可能降低到150元RMB。

也就是说，购买一套便携式振动测量仪表的成本，可以制造出约2000个无线振动传感器，这个数量足以满足绝大多数的核电机组需求，何况一般核电站都会配备若干套的振动仪表，这也使得构建更大范围的无线振动传感器网络这一宏伟蓝图成为可能。

本文仅针对单个设备进行了无线振动传感器方案设计。对于当前多达千台转机的核电厂来说，可以建立无线传感器网络，利用节点传输的方式，将所有测量节点的数据通过无线通信汇集到一个节点，再通过有线通信传输到服务器上，并通过LabVIEW等虚拟仪器软件设计一个带有频谱分析等高级诊断功能的系统，这样就可以实现全厂设备的远程振动监测和诊断分析。如将每個电厂的服务器再次进行无线通信，把数据汇集到一个性能更好的总服务器上，那么只需要建立一个振动服务器基站，就可以完全监测到国内任何电厂的任何一台设备的振动状况。

参考文献

[1]胡飞，曹小军.无线传感器网络原理与实践[M].机械工业出版社，2015.

[2]赵建领.51系列单片机开发宝典（第2版）[M].电子工业出版社，2012.

[3]张肃文，高频电子线路（第5版）[M].高等教育出版社，2014.