基于NB-IoT 技术的无线振动监测系统的设计与实现

倪秋华，张华芳，高 伟，王 超，张舒麒

（苏州热工研究院有限公司，江苏 苏州 215004）

0 引 言

与短距离通信技术相比，长期演进技术（LTE）具有覆盖范围广、移动性强与大量连接的特点，可以带来更加丰富的应用场景，有成为物联网主要连接技术的趋势。而作为LTE 的演进技术，NB-IoT 物联网技术[1]意味着基于蜂窝物联网的更多连接，支持M2M 连接和更低的延迟，整体系统功耗低，并将促进物联网和其他应用的快速普及。目前，已有多种物联网云平台支持NB-IoT 模块工作。物联网云平台[2]不仅功能强大，还可以减少开发人员的工作量，缩短产品的设计周期。因此，设计与实现基于NB-IoT 协议的广域物联网系统[3]具有重要的现实意义。尤其是工业现场受限于4G 网络连接的制约，将窄带物联网（NB-IoT）技术应用在旋转机械设备振动监测[4-5]中更有实际运用价值。

1 系统总体设计

系统获取到被测实物的原始振动数据后，主动连接已经配置好的网关，直接将获取到的数据通过4G 网络上传至云服务器。系统在上传数据前，可对当前的设备数据进行分析计算，云平台依据系统里面设置的设备状态参数对比，可迅速对当前设备的健康状态进行状态输出反应，并将状态数据反馈到数据中心平台。系统的数据边缘计算处理能力加强了设备健康监测的可靠性与实时性。系统整体结构如图1 所示，组成框图如图2 所示。

图1 总体设计框图

图2 系统组成框图

系统由监测终端和软件系统两部分组成。其中，监测终端硬件包括微控制器、采集模块（A/D 及预处理电路）、电源模块、时钟模块、通信模块和加速度传感器等。

终端系统微处理器作为终端的大脑，负责终端系统的逻辑控制与运算；微处理器同时与电源模块、时钟模块、采集模块及通信模块相连接，将各模块有机组合成一个整体。在采用电池作为电源时，需通过时钟设置提升终端的待机时长，终端仅通过NB-IoT 模块进行无线网络数据通信，通信模块通过MCU 自带的通信接口与主控通信。

软件系统则基于物联网云平台，先由传感器部分采集对应的振动信息，而后经由通信模块，将采集到的振动信息传输到指定的云平台服务器，由云平台存储、管理及信号处理。

2 系统硬件实现

2.1 传感器选型

关于振动传感器的选型，目前市面上很多采用最新的ADI 的传感器技术，例如选用ADXL1002 加速度传感器芯片，噪声低、线性好。基于与常规离线检测相互融合的综合考虑，本系统选用目前工业现场普遍运用的压电式加速度传感器AC102-1A，技术参数见表1 所列。与工业现场普遍使用的常规传感器（灵敏度为100 mV/g）完全兼容，满足现场巡检的统一通用要求，也便利于本系统的测试结果与巡检测试或常规在线监测的直接比较。

表1 传感器技术参数

2.2 采集系统元件选型

采集系统框图如图3 所示。

图3 采集系统框图

微处理控制器选用STM32L496VGT6，芯片数据总线宽度为32 bit，芯片SRAM 空间大小为320 KB，1 MB FLASH。系统频率为80 MHz，可进入超低功耗模式，采用最新的半导体技术，待机电流达到nA 级。

系统采用AD7606 经典采集芯片，最高可支持8 路信号同步采集，A/D 芯片具有16 位的分辨率、采样精度高、采样频率高、读写速度快、功耗低。

无线发送模块采用WH-NB73 进行二次开发，该模块硬件上集成MAC、基频芯片、射频收发单元以及功率放大器，内置超低功耗运行机制，可以有效实现模块的低功耗运行。

2.3 电源电路设计

为了使产品的使用灵活多样，无线系统中的电源电路应具备3.3 V 供电、±5 V 供电、24 V 供电，并可提供IEPE 恒流供电。系统可提供电池供电与外部供电两种供电接口。系统馈电后，可直接对电池进行充电，不需要拆卸更换电池。电源系统框图如图4 所示。

图4 电源系统框图

系统电源电路均采用μA 级的漏电流电压芯片进行设计，提高电池利用率。系统休眠时电压芯片可控制为关断模式。系统设置了电池的充电状态灯。系统进入休眠模式后，实测系统的电流为2.07 μA，系统电池供电为2 节18650电池，电池容量为6 800 mAh，系统的理论待机时间为：6 800÷2.07×1 000=3 285 000 h。

系统运行时峰值系统测试电流为248.4 mA，系统主动发送一次时间为12 s，整个系统可以发送8 212 次，按4 h 发送一次波形，一次充满电系统可以持续工作3.7 年。

电源系统中，元件的具体选型为：系统24 V 电源供电，选用TI 公司的TPS61175QPWPRQ1；系统3.3 V 电源芯片，选用TI 公司的TPS61025DRCR；系统±5 V 电源供电，选用ADI 公司的ADP5071AREZ。

3 监测系统云平台

云平台开发工作主要包括设备能力描述文件开发和编解码插件开发。其中，Json 格式的设备能力描述文件profile开发包括设备的服务信息和控制命令，编解码插件开发包括上行数据中payload 和下行命令中payload 的编解码规则[6]。

本系统应用软件采用B/S 架构开发。服务器端基于Java语言开发，选择Tomcat 作为Web 容器并选择Eclipse IDE for JavaEE Developers 作为集成开发环境。Web 应用项目使用Maven 构建。Web 应用设计采用模型-视图-控制器（Model View Controller, MVC）设计框架，设计了模型、视图组件和控制器，实现了前端和后端的解耦。服务器端采用MySQL数据库并选择Mybatis 作为持久层框架。云平台监测效果如图5 所示。

图5 云平台监测效果

物联网云平台和应用服务平台间基于HTTPS 协议通信。应用服务平台通过调用物联网云平台相应的北向接口完成消息订阅、消息推送和命令下发的功能。

4 运用测试

运用测试选用手持式振动筛VMC-606，提供一个已知的和可控的振动稳定输出，其最大负载振动加速度计可重达150g。试验先使用离线测振仪CSI2140 测试得到手持式振动筛的振动；随后运用同样的加速度传感器和测试线缆接入基于NB-IoT 的振动状态无线监测系统。

根据离线测振仪CSI2140 测得振动量值（通频值）为0.565 76g，pk（即5.54 m/s2，pk），频率为159.24 Hz；而基于NB-IoT 的振动状态无线监测系统测得振动量值（通频值）为5.49 m/s2，pk，频率为159.5 Hz。云平台的监测结果与离线仪表一致。测试结果分别如图6 与图7 所示。

图6 NB-IoT 云平台的监测结果图（m/s2，pk）

图7 离线仪表CSI2140 的测试结果（G’s，pk）

根据计量检定规程《JJG 676—2019 测振仪》，配接加速度传感器时幅值频率响应和幅值线性度最大允许误差要求小于±5%，频率最大允许误差要求小于±0.5%。基于NB-IoT 的振动状态无线监测系统测试结果表明，系统精度满足要求。

5 结 语

NB-IoT 作为一项新兴的无线技术广受欢迎，正大量应用于不同的生活场景[7]。本设计方案特色是采用NB-IoT 无线技术，将其运用到无线振动监测系统的设计中，研究其通过无线传感器网络数据的采集和传输，这种方法具有较强的可操作性。本文基于NB-IoT 技术，设计一种应用于工业现场的无线振动采集系统，实现振动信号的远程采集及监控，对系统总体方案、硬件设计等进行详细描述。测试结果表明，系统测试精度满足工业现场要求。

鉴于NB-IoT 的优点，在无线振动监测系统运用中将具有很好的适用性以及较强的发展优势，这对于设备健康监测具有重要的参考价值。