无线通信技术在设备状态监测中的应用

吝 辉

（中通服咨询设计研究院有限公司，江苏 南京 210019）

0 引 言

随着现代工业的发展，实时掌控设备状态成为常态化管理工作的重点环节之一。通过优化无线通信技术手段，更好地搭建无线通信网络，及时汇总设备状态数据，可为设备综合化管理工作的落实提供保障。

1 设备状态监测原理

设备状态监测过程中，借助相应的处理手段汇总设备运行的动态数据，建立分析和评估系统，有助于更好地评价设备状态。在实际监测环节，不仅要分析设备自身的特征，而且要结合监测结果展开运行趋势的判定和预测，从而延长设备的使用寿命，避免故障问题留存造成安全隐患。设备状态监测过程要搭配传感器、数据捕获、监测元件以及诊断元件等器件开展相关工作，及时完成数据分析，同时确保监测效果最优化，并最大限度地照监测结果落实相应的决策指导建议，优化设备综合控制水平[1]。

2 无线通信技术在设备状态监测中的应用要点

在设备状态监测工作中，红外、蓝牙及Wi-Fi 等技术都可以完成数据传输管理工作。但是，受传输距离和抗干扰能力等因素的影响，无法实现技术的大范围推广。

2.1 ZigBee 技术

ZigBee 技术是基于IEEE 802.15 建立的近距离、低功耗和低成本的双向无线通信技术手段，介于射频识别技术和蓝牙技术之间。ZigBee 技术的时延较短，休眠激活时延一般是15 s，搜索设备的时延和入网时间控制在30 s 左右。ZigBee 无线传感网络技术能更好地完成故障监测工作，优化设备诊断过程的同时建立灵活的现场采集数据机制，从而更好地补充传统故障监测环节，提高设备生产实践的综合效益。ZigBee技术网络容量较大，整体网络组成的灵活性和动态控制效果更有优势。同时，ZigBee技术借助碰撞避免策略，为需要固定带宽的通信业务提供了较为充裕的专用时隙。将其应用于设备状态监测环节，能及时进行数据传输和汇总，保障数据安全传输和控制。

2.2 无线通信技术监控系统总体框架

监测系统总体设计框架以传感器节点和收发器节点为核心，并以组建无线传感器网络模型为根本，实现工业设备振动参数的有效监测管控和规范化采集控制，同时进一步诊断设备的运行状态，满足设备综合化管理工作的质量要求。系统总体设计框架，如图1 所示。

图1 系统总体设计框架

传感器节点采集汇总振动数据，并进一步处理获取相应的设备运行特征值，并存储对应的波形数据。为有效评估设备运行状态，对比波形数据和正常范围内的信号数值，若出现异常，传感器节点则会将特征数值对应的振动信号发送到收发器节点，更好地实现后续处理目标，并有效评估故障原因，以便有效进行在线诊断和故障监测等工作[2]。

收发器节点在连接传感器网络和外部网络后，建立基于协议栈的通信协议转换系统，居中协调并处理监测任务，及时将汇总的数据信息转发到外部网络。

2.3 传感器节点核心设计要点

在状态监测体系内，传感器节点利用加速度传感器、电源模块和无线传输芯片等共同构建完整的核心运行体系，以便改善信息数据管理的及时性和规范性，更好地实现统一控制的目标[3]。

首先，要依照设备状态监测的实际情况和具体需求选取适配的传感器。文章选取的是ADIS16220数字振动传感器，通过iMEMS监测技术完成信号处理、数据获取以及串行外设接口控制等工作，建立智能化传感控制系统，从而完成设备的振动分析、状态监测以及机械健康状态诊断等工作。全面分析设备的综合运行情况，以便及时完成故障诊断工作，更好地减少设备运行不当造成的经济损失，提高设备状态监测工作的综合效益。

其次，要依照具体需求优选无线传输芯片。一般要求芯片的控制器内核符合增强型工业标准，且具备可编程闪存等功能。例如，CC2430 芯片只需要超短时间就能从休眠模式转换到主动模式，适用于要求电池寿命较长的应用环节，能最大限度地提高ZigBee 技术的性能水平，降低传感器对节点的能耗要求[4]。

最后，电源模块要为处理器和传感器提供电能，为此要尽量落实低能耗设计处理机制，更好地维持运行水平，合理匹配参数，同时更好地维系整个系统应用运行的节能效果和控制效益。在加速度传感器电路体系中，传感器节点的作用不仅是采集和汇总设备振动数据，而且要建立振动分析、冲击检测和事件捕获等环节，及时完成检测诊断工作，更好地打造安保检测控制系统，以便利用相应的信号调理电路完成信号的综合评估，并搭建计算处理过程。例如，针对X方向振动信号和Y方向振动信号，利用加速度传感器进行处理后汇总在信号调理电路，实现实时性输出处理。

2.4 收发器节点设计要点

在完成传感器处理环节后，要依照实际情况和具体要求落实收发器控制环节，保证信息数据传输管理的科学性和规范性。要管理收发器节点功能，保证相应节点控制环节的合理性和规范性，更好地提高数据检索汇总的基本水平[5]。收发器节点功能如图2所示。

图2 收发器节点功能

为更好地维持收发器功能的应用效果，从核心处理器和系统软件2 个方面入手，保证相关系统应用控制环节地合理衔接。建立无线通信应用程序，维持数据资料和控制信息的交互管理，保证相关监测系统运行的控制效果最优[6]。

2.4.1 收发器数据控制系统框架

在微电子技术全面发展的时代，收发器节点要将传感器网络内部节点和外部网络数据通信连接作为核心，打造完整的设备振动数据汇总控制平台，确保后台处理器应用控制管理更加规范，并及时将外部命令直接传输到传感器节点进行汇总。它的实际功能类似于无线设备监测系统网络中的路由器，能居中协调传感器节点，在维护无线传感器网络应用控制环节的同时保证机械设备监测任务落实到位。由于收发器节点功能较为复杂，相应的节点控制架构要具备较强的通信功能，从而有效发挥高性能应用处理器的价值，建立集成化合理且系统设计简化的运行体系[7]。

2.4.2 核心处理器

收发器节点的硬件平台要依照实际需求优选适配的中央处理器，保证指令和数据控制等环节顺畅，更好地搭建低成本和低功耗的运行体系。在选择核心处理器的过程中，要充分关注相关设备的适配性和集成度，有效利用高集成度简化系统设计环节，保证通信处理等工作顺利开展。例如，16 位/32 位精简指令系统计算机（Reduced Instruction Set Computer，RISC）处理器具备较强的内部资源和信息整合处理能力，能稳定控制主频参数，并支持多种参数交互处理工作，内置硬件加速器，能实现信息的实时性管理和交互控制[8]。

2.4.3 系统软件

在系统软件选取过程中，要结合实际运行需求选取适配的嵌入式操作系统，更好地发挥软件模块化和定制移植便捷的优势，利用嵌入式操作系统更好地维持信息交互处理的科学性和及时性。在软件应用过程中，要满足设备状态监测的具体规范，模拟内存寻址空间，并有效应用智能化设备建立相应的共享源计划，从而辅助嵌入式处理系统选取适配的源代码，建立符合的操作系统。需要注意的是，在操作系统定制和移植环节，选取WinCE 系统应用软件，结合系统硬件的运行功能和控制环节的具体需求，定制对应的运行平台，保证操作过程的完整性和规范性。具体流程如下。第一，导入目标设备板级支持包（Board Support Package，BSP），建立硬件抽象层处理系统，更好地维持上层软件和底层硬件控制的和谐性。不同系统定义不同形式的BSP，要综合考量初始化操作环节，保证寄存器和协处理器配置的科学性，维持应用管控的综合效果，更好地实现对被控对象的实时性数据汇总。第二，创建操作系统工程，依照定制的操作系统，建立软件编写系统的应用程序，包括基于ZigBee 技术的无线通信系统，完成串行接口通信程序和网络通信程序的联通处理，在及时汇总具体信息数据的基础上，维持操作系统工程运行的稳定性和合理性[9]。第三，创建并定制驱动程序，依照实际需求和处理规范，选取定制系统，确保实时性控制环节的规范效果，并维持系统平台处理应用的规范性。第四，生成操作系统映像文件，及时应用系统软件完成下载处理后汇总于数据分发中心，完成数据关联性对比评估等，实现统一处理。第五，进行收发器数据控制系统的调试分析，有效结合ZigBee 技术实现系统编写应用程序的录入。

2.4.4 射频电路设计

射频电路设计处理环节一般只需要少量的外围元器件，发挥晶振时钟电路和微控制器接口电路等结构的作用，有效维持命令输入和导出的交互结构，并由外部有源晶体提供相关信息，更好地匹配负载电容和晶体振荡器，维持负载处理控制的科学性。同时，要结合收发器节点应用要求，保证射频天线满足应用规范，主要考量增益效果、阻抗匹配水平以及带宽参数等[10]。

3 结 论

为更好地提升设备状态监测水平，结合ZigBee技术要求，建立更加完整的无线设备监测系统，优选适配的处理器和应用软件，保证传感器节点和收发器节点应用符合标准，更好地满足低成本和低能耗要求，发挥无线通信技术的优势，为设备状态监测工作的可持续发展奠定坚实基础。