低功耗自供电机械设备状态监测系统设计

穆锦标，穆继亮，邹 杰，丑修建

(中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西 太原 030051)

0 引 言

在机械设备关键位置布放监测系统，将状态信息发送到电脑上位机实时显示与预警，能够有效监测机械设备的运行工况，从而有效降低安全隐患[1-2]. 传统监测系统普遍通过线缆进行数据传输，这种方式虽然保证了数据传输的完整性，但是在复杂的生产环境中，额外增加的线缆会进一步加剧工作现场的复杂程度，增加事故发生的概率； 而且传统监测系统大多使用电池作为能量来源，有限的容量无法满足监测系统的长期续航要求，而频繁更换电池不仅增加了额外的成本，还会对环境造成污染. 这些问题都影响了监测系统的大范围应用[3-4].

本文针对机械设备监测系统发展的现状与技术瓶颈，设计了一种低功耗自供电机械设备状态监测系统. 系统通过收集机械设备工作情况下的振动溢散能量为监测节点供电，同时能够将设备运行状态下的振动与温度信息通过无线通讯的方式发送到接收器，通过上位机软件对接收到的数据进行实时分析、处理、显示与预警，同时使用数据库技术对机械设备运行状态信息进行存储，从而对机械设备的运行工况进行长期有效监测.

1 总体方案设计

1.1 系统组成

低功耗自供电机械设备状态监测系统主要由监测节点、数据接收器以及监测上位机软件三部分组成，如图1 所示.

图1 总体结构图

监测节点作为系统的重要组成部分，实现了能量采集、传感监测以及无线通讯功能. 磁悬浮式振动能量采集器收集机械设备运行情况下溢散的振动能量，通过能源管理电路将收集到的能量存储入锂电池，传感监测电路通过加速度传感器以及温度传感器监测机械设备运行状态，当感知到机械设备处于正常运行状态时，关闭无线通讯模块电源以节约电能； 当监测到设备出现故障的产生异常信号时，及时开启无线模块并使用蓝牙通讯的方式将机械设备的运行工况信息发送到接收器. 接收器与电脑相连并将接收到的数据通过串口通讯方式发送到上位机软件，上位机软件对接收到的数据进行分析、处理、显示、存储与预警，实现监测系统的人机交互.

1.2 工作逻辑

为了降低系统功耗并确保系统能够准确监测机械设备运行工况，设计了低功耗监测逻辑，如图2 所示. 设置在系统中功耗占比较低的主控芯片与传感监测芯片时刻处于工作状态以监测机械设备的运行状态，通过可编程开关器件控制功耗较大的无线通讯模块供电. 传感芯片监测到机械设备处于正常工作状态时关闭无线通讯模块以实现低功耗运行，如果监测到机械设备处于非正常工作状态时及时开启无线通讯模块电源并发送实时数据，这样确保了监测系统能够低功耗长期运行.

图2 低功耗监测逻辑

2 振动能量采集器设计

2.1 原理与仿真

自供电技术能够将环境中常见的风能、雨能、热能、太阳能、机械能等能量通过能量收集装置转化为电能并为相应电子电路提供能量. 采用自供电技术收集机械设备运行状态下溢散的振动能量并为监测电路供电是一种行之有效的办法[5-6].

本文设计的磁悬浮式振动能量采集器如图3 所示. 纵向布置三颗圆柱形钕铁硼永磁体，利用永磁体之间的相互排斥力以及壳体对悬浮磁体的支撑力，能够形成类似于磁悬浮的效果. 在中心悬浮磁铁外围布放环形电磁感应线圈，中心悬浮磁铁能够响应外部的振动能量而发生上下位移，运动的磁铁能够产生变化的磁场，从而使电磁感应线圈切割磁感线产生感应电压和感应电流.

图3 磁悬浮式振动能量采集器示意图

对振动能量采集器进行静力学模型分析，永磁体质量块的受力分析如图4 所示，得到能量采集器平衡方程为

(1)

式中：F1为永磁体2受到的向上的斥力；F2为永磁体2受到的向下的斥力；μ0为真空磁导率；Q1为永磁体1的磁场强度；Q2为永磁体2的磁场强度；Q3为永磁体3的磁场强度；L12为永磁体1与永磁体2之间的距离；L23为永磁体2与永磁体3之间的距离；m2为永磁体2的质量；g为重力加速度.

振动能量采集器的动力学模型等效“弹簧-质量块-阻尼”系统，磁悬浮结构受到外界振动能量影响后脱离平衡状态，考虑初始状态，设定外壳的绝对运动为y(t)，悬浮磁铁的绝对运动为x(t)，二者之间的相对运动为α(t)，可以联立得到相应振动方程组

(2)

式中：d为阻尼系数.求解公式可得悬浮磁铁的运动表达式x(t).

图4 振动能量采集器受力分析

使用Maxwell软件对永磁体进行仿真分析，从图5 中可以看出，圆柱形永磁铁侧边的磁感线密度大于上下端的磁感线密度，因此，电磁感应线圈的侧边布放方式优于上下布放方式.

图5 永磁体仿真图

2.2 电学性能测试

振动能量采集器的电能输出是决定系统能量供给的重要因素. 因此，对能量采集器的电能输出进行定量分析，使用激振器作为振动来源，信号发生器与功率放大器作为控制源控制激振器的工作频率与振动强度，同时使用加速度传感器检测瞬时加速度的最大值，调整激振台的输出频率为10 Hz，加速度最大值为2g.

图6 给出了振动能量采集器的开路电压和短路电流数据，以及输出电压和输出功率与外部负载电阻之间的关系. 由图可以看出，能量采集器能够产生最大8 V的峰值电压和20 mA的峰值电流，能够满足大部分低功耗电子设备的供电电压需求和电流需求，在外接负载电阻为300 Ω左右时能够输出的最大功率为53 mW.

图6 振动能量采集器的电学性能

3 低功耗监测节点与上位机设计

3.1 低功耗监测节点设计

由于电磁能量采集器收集到的能量具有不确定性，直接为电池充电或者为传感节点供电会引起电压不足无法供电或者电压过高危害电路安全的问题[7]. BQ25570微功率充电芯片能够对采集到的电能进行处理从而有效利用采集到的电能，同时能够作为电路的稳压芯片为后端电路提供稳定电压输出.

为确保监测节点长期稳定工作，需要专门设计低功耗传感监测电路. 首先选用低功耗传感芯片以及主控芯片，使用MSP430作为主控能显著降低系统工作时的电能消耗，同时集成DS18B20温度传感器与ADXL345三轴加速度传感器，可以实时监测机械设备运行状态下的温度和振动信息.

机械设备运行时由于操作环境的影响或者操作人员处置不当，随时可能产生异常导致事故发生. 因此，监测设备的传感器与主控芯片应当随时处于工作状态，实时监测机械设备运行状态并判断是否发生异常. 无线通讯模块在监测系统中消耗了大量电能，常见低功耗无线通讯方式如ZigBee以及Lora的工作电流大多在30 mA以上，在本设计中选用低功耗的Bluetooth通讯方式，使用CC2540蓝牙模块并设置监测节点中蓝牙为从机工作模式，工作电流仅为9 mA，极大地降低了系统的功耗. 同时，设计中加入高侧负载开关芯片TPS27081A，由主控芯片控制蓝牙模块电源的通断，在机械设备正常工作状态时关闭蓝牙电源以降低电能消耗，当监测节点感知到机械设备出现异常时及时开启蓝牙模块并发送状态信息. 图7 为低功耗传感电路实物图.

图7 低功耗传感电路实物图

表1 为监测系统各个模块功耗的对比，从表中可以看出，监测系统中的无线通讯模块占据了大量电能消耗，监测系统总功耗为39.147 9 mW，低于振动能量采集器的最大输出功率53 mW.

表1 监测系统各模块功耗

3.2 上位机设计

系统上位机是实现人机交互的重要平台，简易用的上位机能够降低操作人员的学习成本与时间成本[8]. 本设计中使用LabView作为上位机开发平台，以图形化界面显示监测节点回传数据以及分析结果. 对接收器接收到的数据进行串口接收、异常数据剔除、节点号识别、数据分析解码等处理，将处理后的信息实时显示到上位机前端界面供操作人员查看，在前端界面能够同时显示接收到的三轴加速度与温度信息，在侧栏设置报警阈值，超过阈值后自动报警，使用多节点并行显示设计，能够实现对不同种类机械设备的同时监测，图8 为上位机前端界面.

图8 上位机界面

对于长期处于运行状态的机械设备而言，记录设备故障特征信息至关重要，通过特征信息可以快速确定故障位置. Access数据库技术提供了灵活的应用程序接口，能够在上位机软件中方便存储和调用，调用主机时间信息将设备状态信息存储至数据库中，能够随时查看过往状态信息，图9 显示了上位机调用历史数据.

图9 上位机历史数据

3.3 性能测试

利用连杆机以及激振台模拟机械设备运行环境进行实验验证，如图10 所示.

图10 传感监测系统测试图

本装置能够有效收集机械设备的振动能量为监测节点供电，同时能够监测机械设备的振动和温度信息，通过主控芯片将监测信息进行编码并通过无线通讯方式发送到接收器，上位机将接收器收到的信息进行处理并进行实时显示.

4 结 论

1) 本文提出的低功耗自供电机械设备状态监测系统能够收集机械设备运行过程中的溢散能量为监测节点供电.

2) 监测节点能够实时监控机械设备运行状态下的振动和温度信息，当监测到机械设备处于非正常工作状态时，通过无线发送的方式将机械设备状态信息发送至上位机显示，降低了监测节点功耗，满足监测节点长期续航的要求.

3) 多节点并行显示监测上位机软件，能够将接收到的信息进行实时显示、 报警与存储，记录机械设备发生故障时的特征信息，方便快速确定故障种类.

4) 实验表明，该系统满足设计要求，工作状态稳定，可以实现机械设备的自供电无线监测，在机械设备状态监测领域具有广阔的应用前景.