齿轮箱监测无线传感器节点设计

钱黎明 ，陈 捷 ，郭 峰

（1.南通理工学院机械工程学院，江苏 南通 226002；2.江苏省3D打印装备及应用技术重点建设实验室，江苏 南通 226002；3.南京工业大学机械与动力工程学院，江苏 南京 210009）

1 引言

齿轮箱作为大型回转机械必不可少的部分，它的工况对整个设备的运行起至关重要的作用，一套好的监测系统显得尤为关键。但是有线监测系统的缺点客观存在：布线复杂、可靠性差、成本高以及缺少灵活性等问题，分布式无线传感器监测节点可以有效解决上述问题。

目前国内外有很多人在研究机械振动无线监测节点，如文献[1]研究的无线节点采用MicaZ Mote节点加ADXL202加速度传感器的设计方案。满足低功耗设计，但由于采样频率较低，因此无法满足齿轮箱振动等高频振动的监测。文献[2]研究的高性能监测系统以高级单片机ARM9作为控制模块。采样频率高达192kHz，但结构过于复杂，不满足无线传感器网络低功耗的要求。

节点以嵌入式系统为核心，结合MEMS加速度传感器、外拓大容量的存储器、加上实时的电量监控系统以及混合型无线传输方式，使故障诊断变得更为人性化。

2 硬件系统设计

2.1 硬件系统总体设计

齿轮箱无线振动监测节点的整体结构包括：传感器模块、信号采集模块、处理器模块、数据存储模块、无线通信模块和电源模块[3-4]。整体结构，如图1所示。

图1 监测系统总体框架Fig.1 Overall Framework of Monitoring System

2.2 硬件模块选择

2.2.1 处理器模块

节点选用具有高性能、高速、低功耗特点的STM32F107 VC单片机为系统核心，基于ARM的CORTEX M3框架，内部集成256kB Flash和64kB SRAM，运行频率高达72MHz。单片机在运行过程中，主要负责在操作系统上完成A/D转换、SD卡读写以及数据的传输[5]。

2.2.2 传感器模块

节点选用ADXL001加速度芯片采集振动信号，具有宽带宽、小尺寸、低功耗等特性。三种带宽分别为±70g、±250g和±500g，谐振频率均为22kHz。根据齿轮箱振动监测特性，选择±70g[6]，工作电压采用3.3V独立稳压电源供电。传感器模块电路设计，如图2所示。

图2 传感器模块Fig.2 Sensor Module

选用RT9161-33为ADXL001提供3.3V稳压电源，并在芯片两端加上0.1μF和10μF的电容，进行去耦和滤波，如图2所示。ADXL001电源端连接0.1μF电容去耦，可以有效的抑制噪声，达到减少纹波的作用。

2.2 .3信号采集模块

为了减少信号的毛刺，节点采用MAX291进行滤波，是一种8阶低通型滤波器。电压输入为±3.3V，采用ICL7660为MAX291提供-3.3V电压[7]。MAX291芯片的时钟频率fclock和采样频率fc存在如下关系。MAX291的K值为100，时钟频率fclock为（5Hz～2.5MHz），最大采样截止频率fc为25KHz。滤波电路，如图3所示。

图3 滤波电路Fig.3 Filter Circuit

其中电容值Cosc和时钟频率fclock存在如下关系：

式中：fclock—时钟频率；Cosc—电容值。

为满足节点低功耗要求，选用单片机内置A/D转换，12位A/D转换，三种工作模式：单次、连续、扫描或间接的工作模式。ADC的时钟采样频率为（0.6～14）MHz，为使系统性能最佳，将系统时钟频率设置为72MHz，ADC工作频率设置为12MHz。

2.2.4 数据存储电路

为了补偿采集和无线传输速率之间的差距，保证信号的完整性，选择外拓SD卡存储器作为数据缓冲区。节点配置2GB SD卡，采用SPI方式以FATFS文件操作系统格式对数据进行读写。

2.2.5 电源管理模块

节点采用可充电锂电池供电，并采用LTC4070实时监测电池用电状况。LTC4070的工作电流仅为450nA，对充电电池电路产生的影响非常小。芯片具有独特的低电量和高电量监测引脚，通过外部连接的P型三极管通断充电电路和电池的连接。在正常充电使用时，电流由2N3409的基极流向发射极到达锂电池，当电池的电压值达到ADJ设置的4.1V时，三极管bc结的电流会不断的减少直至停止充电，此时三极管进入饱和状态，HBO引脚的电压拉高，LED2灯亮，表示充电完成。当电池电压低于3.2V时，LBO端的电压就会升高，LED1灯亮，表示电池电量不足，急需充电[8]。充电接口采用USB，并后接熔断丝保护后续电路，电路设计，如图4所示。

图4 充电电路Fig.4 Charging Circuit

2.2.6 无线传输模块

近距离传输选用CC2530F256+PA模块，可靠传输距离为400m，自动连接距离达360m[9]。远距离传输时，将协调器上的数据由GPRS模块发送至远端故障诊断中心。监测系统采用华为的MG323模块，此模块内嵌TCP/IP协议，传输速率最高可达9.6Kbit/s，串口最大传输速率115200bit/s。

3 无线节点软件设计

齿轮箱振动无线监测的软件设计主要包括三大部分：嵌入式系统和无线收发，如图5所示。

图5 软件总体框架Fig.5 Overall Framework of Software

传感器将采集到的数据通过DMA方式进行A/D转换，并将转换后的数据通过SPI方式读写入SD卡。为了便于存储和管理采集到的数据，引入FATFS文件操作系统。为了提高程序运作效率，引入RT-Thread操作系统。最后将SD卡内数据通过USART口以DMA方式传送至ZigBee模块，通过无线传输后至上位机。监测过程，如图6所示。

图6 监测系统流程图Fig.6 Flowchart of Monitoring System

4 实验分析

节点采用3.3V稳压电源进行供电，节点所有模块均正常工作时电流为213mA，关闭无线连接时电流为18mA，满足低功耗要求。按要求对MEMS模块精度和系统精度进行测试。无线振动监测节点，如图7所示。

图7 无线振动节点Fig.7 Node of Wireless Vibration

4.1 MEMS模块精度测试

为了测试MEMS模块采集精度，采用SP1642B型号示波器产生不同数值的方波。分别设置5V、4.5V、3.5V和3V的方波，并与采集结果相比较，如表1所示。

表1 测试系统精度表Tab.1 Precision Table of Test System

由上图得出MEMS模块具有较高的采集精度，说明电路符合设计要求。

4.2 系统精度测试

设计实验时采用两个无线节点分别用作协调器和终端，构成齿轮箱振动监测网络。系统采集到的数据先存入SD卡，再经由ZigBee模块将数据发送至协调器，最后存至笔记本电脑。并将采集到的数据与PCB公司的加速度传感器采集到的数据进行对比。

实验过程中，将电机转速设置为1500r/min，采样频率设置为10240Hz。实验共采样1min，并从中随机选取1500个数据点和有线监测数据进行对比分析。通过计算，得出两者的方差较小，说明无线节点能够满足齿轮箱振动监测的要求。为了清楚显示差异，选取（100～200）区间的数据进行显示。同时将两者的频域图进行对比分析，发现测的结果一致，但无线监测的滤波效果较差，有待改进。试验结果，如图8所示。

图8 试验结果Fig.8 Test Results

5 结语

从传感模块、信号处理模块、处理器模块、无线发送模块和电源管理模块这几个方面，详细介绍了硬件电路设计和软件控制。并设计相关试验，证明齿轮箱振动无线监测系统，具有高集成度、低功耗、高可靠性等特点。