新型电气设备运输振动监控系统

翟子楠，南亚明，代克杰

（平顶山学院，平顶山 467000）

0 引言

电力系统中的变压器、电抗器、高压开关等某些重要设备对机械振动具有敏感性，在装卸、吊挂、道路运输过程中由于机械振动对这些设备可能造成损坏或特性偏移，变压器、电抗器内部线圈固定芯可能因为振动发生变形，高压开关可能因为机械振动造成部件错位或密封能力下降[1]。这些设备还可能共同面对因部件移动的刮碰造成绝缘能力下降，为将来运行埋下隐患。例如，某些GIS设备要求在运输中如果出现振动超出一定阈值几次后就要将设备返厂重新检测密闭性。生产这些设备的厂家也希望不因为运输时的损坏给自己带来不必要经济损失。这就需要对设备运输时的状态和运输行为实时监测。

目前，新型物联网概念的相关设计应用在电气设备道路运输领域出现的并不多见。设备制造商主要利用两种方法监测运输中的振动情况，一是采用加速度计进行测量，该方法最大的问题在于它无法连续记录，无法给出越限次数、越限程度、越限时间等信息，无法给现场安装人员提供准确的设备运输状态信息，对由于运输对设备造成的损坏或安全隐患无法做出评估；二是振动800，1100等设备采用碰撞记录仪进行振动测量，这种方法采用在压敏纸上记录沿途振动的方法将波形记录下来，但它的缺陷主要体现在两方面，其一是该设备仅仅忠实的记录了波形，对司机的驾驶行为没有提示作用，无法在崎岖的道路上给司机提示，从而在运输过程中主动避免产生大的振动，其二是记录的波形无法电子化，无法对波形进行进一步的量化分析，从而给现场安装人员提供决策辅助，评估开关设备受到损害的程度[2,3]。

考虑到以上要解决的问题，论文提出了一种基于无线网络的振动记录方案。其出发点是一方面实时给驾驶人员提供越限提示，从而避免返厂重新检测，另一方面可以实现在运输中各设备通过基于ZigBee的无线网络实时传输、记录振动数据及录波，为设备损坏评估及分清事故责任提供依据。

1 系统设计方案

系统主机（主节点）安装在驾驶室内，每个电气设备放置一个设备采集端（从节点）。安装位置如图1所示。从节点由EMZ3048C和一个三轴加速度传感器构成，EMZ3048C将接收的水平及垂直方向加速度数据通过ZigBee无线网络协议发送给驾驶室内的主机。根据运输设备的多少，新增无线节点可实现自动加入网络。通过系统设定的分析、处理算法, 生成设备的状态数据。将此值与系统设定值比较，若越限则显示器闪烁报警,提醒司机减速或停车检查物品状态。同时将系统测得的大于设定值的数据存入存储单元, 配合实时时钟记录芯片使用,获取开关设备运输和装卸过程中接近开关设备的振动加速度和对应的时间信息, 为司机驾驶和和事后分析提供数据。

图1 节点布置图

2 主从网络节点设计

2.1 从节点结构设计

从节点主控芯片与主节点相同，使用EMZ3048C作为主控芯片。EMZ3048C基于最新的射频微控制器STM32W，内嵌IEEE802.15.4标准的无线网络协议栈。多种天线可供选择[4]。利用I2C接口连接一个意法半导体公司的三轴6D加速度传感器。从节点集成了大量的智能功能，包括省电模式、自动唤醒功能、自由落体检测和6D方位检测，以及一个标准的SPI/I2C数字接口。加速传感器沿三条轴(x,y,z)向上或向下运动，6D识别电路就会发出信号。日历时钟芯片主要用来记录振动发生的时间。通过ZigBee模块及设计的无线通讯协议，可以实现从节点的自由组网；状态指示灯主要用来指示当前网络连接状态和电池信息。从节点结构如图2所示。

图2 从节点结构图

图3 从节点部分电路

系统设置了1g唤醒阈值，加速度数值小于1g时，传感器处于低功耗休眠模式。如果沿任意方向的加速度数值超过1g时，传感器将从低功耗休眠模式唤醒，通过INT1引脚输出中断信号给EMZ3048C，如图3所示。此时主控芯片将读取传感器测量数据并发送给主节点。当主节点收到超出4g（设定值可修改）的数据时记录超出的次数并发出报警指示提示驾驶人员。为了保证雨雪天气时节点的正常运行，从整体密封性能角度，还设计了锂电池的无线充电方案，限于篇幅，此处不再介绍。

2.2 主节点结构设计

主控节点设计了接收并存储从节点数据功能，人机交互功能，组网功能，数据存储的设计部分主要的难点是文件系统的的移植问题。将SD卡设计成符合FAT32规范的可移植文件系统，采集到的数据会以标准文件的格式记录到SD卡上，便于文件的统一管理读写[5]。在相应的软件设计中，通过自编SPI写命令函数和读写数据函数改写了底层的驱动函数，实现了文件系统的移植。

主控芯片和下位选择一致；状态指示灯提示运输设备振动状态，其中包括正常、警告、越限，“警告灯”亮的时候即提示司机当前振动幅度过大，谨慎驾驶，当“越限灯”亮的时候即提示当前振动已超过限度，同时相应越限计数器会累积数字。USB接口用来将上位机储存的振动波形输送给PC机。主节点结构如图4所示。

图4 主节点结构图

3 组网设计

主从节点间的数据通讯是基于ZigBee协议，ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议。其近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低成本的特点使其成为近年来构建近距无线数据网络时采用的流行技术[6]。按照ZigBee支持的网络拓扑结构，本设计属于星型放射式网络，需要考虑的问题主要在于一个新加入的从节点如何自动的被主节点识别。

在ZigBee组网之前，用户可以通过USB接口，将可以加入ZigBee网络的节点的物理地址写入到主节点内部存储器中，在组网时，主节点首先建立网络，然后等待从节点加入。从节点待机情况下，每隔大约30s自动开机，检测网络是否存在，如果存在则请求加入网络，否则继续进入休眠。主节点接收到从节点的请求后，查询其物理地址是否同之前写入的地址相同，如果相同则同意该节点加入网络，如果不同则拒绝其同主节点通信。抓取的实际握手过程通信数据包如图5所示。

图5 主从节点通信包

4 实验结果

为了验证系统的有效性和可靠性，对所设计的系统进行了实验测试和路况测试，实验测试时对两个从节点外加振动，然后通过USB口将所记录的数据读入计算机，如图6所示。可看到根据设定阈值呈现的3轴加速度波形及数值变化情况。

通过设计的系统测试软件获得的实际路况振动波形如图7所示。多次测试得到的振动数据可以清晰的判别三个轴振动发生的次数和幅度，越限提示情况与所得数据吻合。

5 结论

图6 实验波形

图7 实际波形

根据实验及实测数据，为电气设备在运输时的监测设计的基于ZigBee的无线网络数据终端，实现了对振动的实时测量，实时录波，实时记录数据。能够及时对驾驶人员提供越限提醒。无线节点的自由组网实现了灵活方便的应用操作。系统设计功能能够充分满足电气设备制造商的使用要求。

[1] 张国兵,张文亮.特高压变压器运输冲击加速度控制与安全裕度评估[J].高电压技术,2010,36(1):290-295.

[2] 张思,振动测试与分析技术[M].北京:清华大学出版社,1992.

[3] 赵丹.适用于振动信号监测的无线传感器网络研究[D].太原:太原理工大学,2011

[4] 杜孟超,谷立臣.基于ZigBee技术的塔机无线传感网络的设计[J].自动化与仪表,2011,26(7):33-37

[5] 杨云,张勇.基于ARM7的μC/OS-Ⅱ移植分析与实现[J].计算机工程与设计.2009(03):539-541

[6] 江甜甜,杨占勇.地下管线安全监测系统[J].仪表技术与传感器,2012,(5):55-57.