基于振动数据采集及无线传输的电机监测系统

徐亭，方挺，韩家明，董冲，张修成

基于振动数据采集及无线传输的电机监测系统

徐亭，方挺，韩家明，董冲，张修成

（安徽工业大学 电气与信息工程学院，安徽 马鞍山 243002）

针对电机状态监控效率低下的问题，设计了一种基于振动数据采集及无线传输的电机监测系统。该系统以低功耗STM32为主控芯片，搭配加速度传感器和无线蓝牙模块，实现了高精度振动数据的采集，并对数据进一步滤波、分解、推算及校准等处理，最后使用蓝牙将数据传输至手机。结果表明，设计的电机监测系统具有准确率高、传输速度快等优点。

数据采集；振动监测；STM32；加速度传感器；无线传输

电机作为当代企业非常关键的生产工具，其运行的安全性以及稳定性是生产效率的保障[1]。机器在运行过程中会引起径向、轴向和扭转3个方向的空间振动，这些振动是造成设备损坏的主要原因，也是设备状态监测的主要参数[2]。现有监测系统大多硬件性能不高或者设备体积大、成本高。采用无线传感网络监测机械振动可以弥补传统有线监测系统的不足[3]。结合实际需要，本文设计了基于振动数据采集及无线传输的电机监测系统。系统采用MEMS加速度计采集振动信号，将数据传输至STM32主控，主控芯片对数据进行处理，最后将数据无线传输至手机。

1 系统硬件选型与设计

1.1 系统总体结构

系统硬件主要分为信号采集单元、以STM32F103C8T6为系统核心的主控单元、蓝牙通信单元。STM32控制系统开发板如图1所示。

图1 系统装置内部封装示意图

1.2 硬件的选型与设计

振动传感器结合STM32处理器并搭载ATK蓝牙通信模块，封装在同一密闭装置内，内置3.6V锂电池供电。加速度计ADXL357是一款超低噪声、失调超稳定的MEMS加速度计，它具有更高的分辨率，灵敏度[4]，ADXL357模块的封装如图3所示。系统控制单元采用基于Cortex-M3内核低功耗STM32F103芯片，主控开发板布局如图2所示。蓝牙BLE是一款支持蓝牙4.2协议的低功耗数传模块，无线工作频率为2.4GHz ISM，模块主从一体，支持多种工作模式。蓝牙模块通过串口与主控开发板通信。

处理器模块硬件电路设计包括电源单元稳压降压电路，外围接口电路，复位电路，晶振，滤波电路。原理图如图4所示。

图2 系统硬件整体设计框图

图3 传感器模块封装图

图4 处理器单元原理图

2 数据的采集与处理

2.1 数据的采集

主控STM32与加速度计通过串口通信。主控定时采集数据。数据传输过程中进入中断，一个字节的8位数据按顺序分时传输。加速度计输出高低电平的数字信号传给主控，由主控进一步处理。数据采集流程设计如图5所示。

图5 数据的采集及传输

2.2 数据的转换

数据的采集传输基于Modbus通信协议，主控发送数据帧，模块回复帧。高速回传模式下，回传数据为固定长度的16进制数，数据输出的格式如表1所示。

3个寄存器存放轴加速度数据，对应1,2,3，1,2存储在八位寄存器，3存储在四位寄存器。存放获取的数据的形式为二进制补码，主控读取对应寄存器地址上的数据内容。数据1,2,3存储在对应3个寄存器，需要对数据进行移位处理，数据移位转化按照Acc=(3<<8|2<<4|1>>4) *10/524288.0执行。以轴为例，if (>=524288) {=-1048575-1:}=(764.4/1000000)*，为轴加速度值。轴，轴数据同样方式处理。

表1 模块回复帧

2.3 加速度的分解

由作用力与加速度之间关系式可知，再加上重力加速度的影响，检测输出的加速度值为

式中，为施加在传感器上除重力以外的力，为传感器质量。

需要校准程序移除传感器输出的重力加速度分量，可以采用一阶低通滤波器的方式分离出静态重力加速度分量[5-6]。测量输出值可以分解为线性加速度和重力加速度。一阶滤波算法公式为

由此

式中，A为重力加速度分量，A线性加速度分量，为滤波系数，可以通过以下公式计算：

式中，τ为时间常数，d为采样周期，f为截至频率。

2.4 速度和位移的推算与校准

2.4.1 速度和位移的推算

加速度是不断变化的，求位移相当于求类似曲边梯形的面积，对该段时间内的加速度一次积分，可以获得这段时间内的平均速度，对加速度在这段时间内二重积分可获得该段时间内的位移。公式如下：

假设在连续时间段内选10个加速度值均大于0的数据，以均匀间隔0.1ms抽取，假设为1,2,3,…,10,则在这1ms内的平均速度为

以此类推，重复5次这样的取样计算，将平均值作为这1ms内的平均速度。所选取的加速度采样点间隔时间必须相同。采样时间相当于区域宽，采样值相当于区域高，所以区域的面积之和接近于积分的结果，通过求区域面积来代替积分。由于计算出的速度和位移也是,,三轴各自的分量，则速度以及位移的标量值需要经过两次勾股定理，即可算出标量值。

2.4.2 数据校准

但由于采样间隔时间的存在，会存在采样误差，如果采样时间趋近于0，则误差越小，所以计算处理的结果相对于实际会偏高，误差会一直积累。误差分析如图6(a)所示。

图6 数据误差校准

通过图6(b)可以看到多余部分的面积接近于一个三角形面积。三角形的底边长为时间间隔，高为采样值之差。则该三角形面积公式为

则经过校准后的采样值为

通过以上校准方法，降低采样数据误差。将式(11),(12)的计算植入程序中，即为校准程序，采样信号需要做这样一个偏移判断，作为参考。

3 信号的无线传输

主控将转换计算等处理过的加速度、速度、位移等数据，发送到串口3，通过串口3传输到蓝牙模块，蓝牙模块收到主控命令并经过相关初始化配置后，将数据发送至手机APP。手机打开APP自动搜索与设备连接，设备在断连后，会自动进入低功耗睡眠，唤醒方式有串口唤醒或蓝牙唤醒两种。为了提高数据传输速度，可以设置蓝牙通信包、串口打包时间以及波特率。主控控制蓝牙无线传输的具体流程，如图7所示。

图7 蓝牙传输控制流程图

4 测试

下载代码后上电运行，打开手机蓝牙连接测振装置，系统测振装置如图8(a)所示，手机端数据显示如图8(b)所示。

图8 振动监测装置实物图

实测中蓝牙模块传输距离达30m，普通墙面障碍物没有造成数据丢失。将传感器静止放置时，三轴数据都为零，符合算法理论值。通过手机可以随时唤醒传感器上传振动数据。利用低通滤波算法对加速度分解，为了分析结果的准确性，本文采用对照组的方式，从样本中随机选取一段时间内的采样数据作为对照，对数据进行分解校准，实验的数据结果如表2所示。

表2 处理前和处理后的加速度和速度对比

5 结论

本文介绍了一种高精度振动数据采集及其无线传输的研究与应用。低功耗STM32控制系统的设计，搭配高分辨率的MEMES传感器，再结合数据优化解算的软件算法。整个系统实现了数据采集及传输的高效与准确性。满足了监测装置小型化、易携带、效率高的应用需求，保证了对电机运行状态的有效监控。

[1] 解庆春. 电机振动监测研究[D]. 北京：北京交通大学，2019.

[2] Instrumentation research; Researchers from University of Alberta detail new studies and findings in the area of instrumentation research (two-axis accelerometer calibration and nonlinear correction using neural Networks: design, optimization, and experimental evaluation)[J]. Network Weekly News, 2020, 2945.

[3] 张会娟，张健，商华艳，等. 一种钻孔测斜仪校准方法的探讨[J]. 工业计量，2021, 31(01): 86-87, 96.

[4] 陈宏涛. 基于MEMS的小型高精度测斜仪的设计[J]. 物联网技术，2019, 9(02): 27-30.

[5] 黄豪杰. 基于六轴加速度传感器的计步算法研究[J]. 数字技术与应用，2017(09): 128-130.

[6] 胡成全，王凯，何丽莉，等. 基于MEMS六轴传感器的上肢运动识别系统[J]. 大连理工大学学报，2017, 57(01): 92-99.

Motor monitoring system based on vibration data acquisition and wireless transmission

XU Ting，FANG Ting，HAN Jia-ming，DONG Chong，ZHANG Xiu-cheng

(College of Electrical and Information Engineering, Anhui University of Technology, Anhui Maanshan 243002, China)

For the low efficiency of motor condition monitoring, a motor monitoring system based on vibration data acquisition and wireless transmission is designed. The system uses low-power STM32 as the main control chip, with acceleration sensor and wireless Bluetooth module to achieve high-precision vibration data acquisition, and further filter, decompose, calculate and calibrate the data. Finally, Bluetooth is used to transmit the data to the mobile phone. The results show that the designed motor monitoring system has the advantages of high accuracy and fast transmission speed.

data acquisition；vibration monitoring；STM32；acceleration sensor；wireless transmission

2021-03-31

徐亭（1990-），男，安徽马鞍山人，硕士，主要从事物联网研究，429868050@qq.com。

TM306;TN92

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