一種低功耗無線振動監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)方法*

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(廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司，廣州 510000)

引 言

機(jī)械設(shè)備在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域起著重要作用，隨著設(shè)備功能、性能的不斷提高，其結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，故障造成的損失也越來越大。早期的設(shè)備維護(hù)比較簡單，主要靠人工進(jìn)行巡檢，定時(shí)對設(shè)備工作情況進(jìn)行記錄，并制定保養(yǎng)計(jì)劃，能夠大大降低事故率。

在故障監(jiān)測技術(shù)的推動下，對設(shè)備的維護(hù)手段從預(yù)防性維護(hù)過渡到了預(yù)知性維護(hù)[1]，即對設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測，通過狀態(tài)信息的變化預(yù)知設(shè)備可能出現(xiàn)的故障，進(jìn)而進(jìn)行設(shè)備維護(hù)，極大地減少了事故概率，降低了維護(hù)成本。

傳統(tǒng)的設(shè)備監(jiān)測系統(tǒng)采用有線傳輸?shù)姆绞竭M(jìn)行設(shè)備狀態(tài)信息的傳輸，布線復(fù)雜、施工維護(hù)難度較大。近期廣泛采用的無線傳輸技術(shù)能夠有效解決上述問題。由于待監(jiān)測設(shè)備在位置上具有分散性，且待監(jiān)測設(shè)備不斷增多，監(jiān)測終端的續(xù)航能力以及整個(gè)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的通信能力，在設(shè)備振動監(jiān)測領(lǐng)域有著重要的研究價(jià)值。

本文根據(jù)某單位機(jī)械設(shè)備運(yùn)行的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)出一種基于MF-TDMA方式的無線振動監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，具有網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大、低功耗、低成本、便于安裝等優(yōu)點(diǎn)。

1 系統(tǒng)原理

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。該單位有多個(gè)廠區(qū)，每個(gè)廠區(qū)具有多臺機(jī)械設(shè)備，每臺機(jī)械設(shè)備有多個(gè)監(jiān)測點(diǎn)。每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)需要每隔5分鐘采集一組設(shè)備溫度、三軸加速度等信息；每隔30分鐘完成一次數(shù)據(jù)上報(bào)，數(shù)據(jù)信息異步匯總到總部計(jì)算機(jī)上以完成數(shù)據(jù)存儲與分析。

設(shè)計(jì)無線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)分為三級結(jié)構(gòu)，位于總部的信息處理中心為一臺計(jì)算機(jī)，通過以太網(wǎng)絡(luò)收集各路信息進(jìn)行數(shù)據(jù)分析及異常告警；監(jiān)測網(wǎng)關(guān)位于各廠區(qū)地理中心且具備有線網(wǎng)絡(luò)連接的空曠位置，以便可靠接收各監(jiān)測終端無線傳輸?shù)男畔?；監(jiān)測終端安裝在各機(jī)械設(shè)備需要監(jiān)測的位置。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

每個(gè)廠區(qū)分別組成獨(dú)立的無線網(wǎng)絡(luò)，廠區(qū)監(jiān)測網(wǎng)關(guān)與信息處理中心能夠通過TCP/IP方式實(shí)時(shí)通信。監(jiān)測網(wǎng)關(guān)具備多個(gè)無線傳輸通道，其通道數(shù)可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模增刪(至少2個(gè))。如圖1所示，載波f1作為監(jiān)測網(wǎng)關(guān)信令傳輸通道，定時(shí)廣播本網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘信息，用于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備時(shí)鐘同步(精確到秒級即可)，這是TDMA實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)；同時(shí)，各監(jiān)測終端在開機(jī)入網(wǎng)時(shí)，也使用載波f1通過競爭Aloha方式入網(wǎng)，入網(wǎng)成功后監(jiān)測網(wǎng)關(guān)分配頻率與時(shí)間資源給該監(jiān)測終端，用于后續(xù)數(shù)據(jù)傳輸。監(jiān)測網(wǎng)關(guān)在4個(gè)上報(bào)周期(2小時(shí))內(nèi)未收到監(jiān)測終端發(fā)來的信息時(shí)，認(rèn)定該監(jiān)測終端已經(jīng)退網(wǎng)，并進(jìn)行資源回收。

為防止監(jiān)測終端信息上報(bào)過程中在空中發(fā)生碰撞，監(jiān)測網(wǎng)關(guān)按照每個(gè)接收頻率在每秒僅有一個(gè)監(jiān)測終端上報(bào)時(shí)進(jìn)行設(shè)計(jì)。這樣預(yù)留足夠的保護(hù)間隔，每增加一個(gè)接收頻率便可以增加支持1 800個(gè)監(jiān)測終端。用戶可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的大小設(shè)定網(wǎng)關(guān)接收頻率的個(gè)數(shù)。在頻率定義時(shí)需注意合理設(shè)置以減少相互干擾產(chǎn)生的影響。

2 網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

圖2 網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)框圖

網(wǎng)關(guān)設(shè)備硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。采用STM32F107作為核心處理器，該芯片是意法半導(dǎo)體基于ARM Cortex-M3的32位嵌入式處理器，主頻達(dá)72 MHz、90 dmps。它具有256 KB閃存程序存儲器、20 KB的數(shù)據(jù)存儲器及64 KB RAM[2]。外圍接口豐富，價(jià)格僅與8位單片機(jī)相當(dāng)，性價(jià)比極高。

網(wǎng)絡(luò)接口芯片采用W5500，該芯片具備高速 SPI 接口、32 KB Tx/Rx緩存、8 路獨(dú)立 Socket、10BaseT/100BaseTX 以太網(wǎng) PHY，支持TCP及UDP傳輸。

無線傳輸模塊采用SI4463無線收發(fā)芯片,支持GFSK/2-FSK/OOK三種調(diào)制模式,支持315/433、868/915 MHz多個(gè)工作頻段[3]。實(shí)際使用時(shí)可選用免執(zhí)照頻段[4]，可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)容量對該模塊的數(shù)量進(jìn)行增刪(最低兩個(gè))。

SD卡模塊用于當(dāng)聯(lián)系不到信息處理中心時(shí)，數(shù)據(jù)暫存，當(dāng)恢復(fù)聯(lián)系時(shí)再進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。

按鍵及顯示模塊用于頻點(diǎn)設(shè)置、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)查詢等，可根據(jù)需要選配。網(wǎng)關(guān)設(shè)備需要直流電源輸入。

監(jiān)測網(wǎng)關(guān)軟件主流程設(shè)計(jì)如下：

① 啟動μC-OS操作系統(tǒng)；

② 外設(shè)初始化；

③ 獲取信息處理中心時(shí)間等信息；

④ 建立按鍵及顯示線程；

⑤ 建立數(shù)據(jù)接收線程；

⑥ 建立信息廣播及信令處理線程；

⑦ 所有線程啟動。

下面講述主要關(guān)鍵過程。數(shù)據(jù)接收線程主流程如下：

① 置所有數(shù)據(jù)接收通道SI4463為接收狀態(tài);

② 等待收中斷事件發(fā)生，若等待超時(shí)跳轉(zhuǎn)到第6步;

③ 若中斷發(fā)生，判斷是哪一個(gè)通道接收中斷;

④ 接收該通道數(shù)據(jù);

⑤ 嘗試把數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)處理中心；若發(fā)送失敗，轉(zhuǎn)存入SD卡;

⑥ 嘗試把SD卡數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)處理中心；若傳送成功，清除SD卡內(nèi)該條數(shù)據(jù);

⑦ 返回到第①步。

建立信息廣播及信令處理線程主流程如下：

① 置廣播通道SI4463為接收狀態(tài)；

② 查詢是否有接收中斷,如無，進(jìn)入第⑤步；

③ 若有接收中斷，進(jìn)行信令解析處理；

④ 若是入網(wǎng)信令(或在線列表中不存在該站，需要做入網(wǎng)處理)，計(jì)算可用通道，下發(fā)資源分配策略；

⑤ 定時(shí)時(shí)間到，發(fā)送時(shí)鐘信息廣播。

3 終端設(shè)計(jì)

終端硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)由數(shù)據(jù)采集、處理、傳輸和電源等部分組成[5]。本設(shè)計(jì)采用STM32L152作為核心處理器，該芯片是一款功能豐富的低功耗芯片[6]，在stop模式下電流實(shí)測可以低達(dá)100 nA，并且還可以支持16個(gè)外部中斷喚醒。采用ADXL345作為振動監(jiān)測傳感器，采用廉價(jià)的熱敏電阻電路進(jìn)行常規(guī)溫度檢測。硬件設(shè)計(jì)了各模塊的電源管理電路,以滿足低功耗控制要求。

圖3 終端硬件結(jié)構(gòu)框圖

監(jiān)測終端軟件主流程如下：

① 硬件初始化；

② 執(zhí)行入網(wǎng)過程，初始化時(shí)間；

③ 外設(shè)初始化；

④ 判斷采集數(shù)據(jù)定時(shí)時(shí)間是否到，若未到跳轉(zhuǎn)到第⑩步，否則執(zhí)行下一步；

⑤ 采集監(jiān)測數(shù)據(jù)；

⑥ 判斷數(shù)據(jù)上報(bào)時(shí)間是否到，若未到跳轉(zhuǎn)到第⑩步，否則執(zhí)行下一步；

⑦ 上報(bào)數(shù)據(jù)給網(wǎng)關(guān)；

⑧ 若上報(bào)數(shù)據(jù)成果跳轉(zhuǎn)到第⑩步，否則執(zhí)行下一步；

⑨ 存儲未傳送到網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)到EEPROM；

⑩ 設(shè)定下一次喚醒的時(shí)間(鬧鐘)；

入網(wǎng)流程設(shè)計(jì)如下：

① 初始化接收通道號。

② 監(jiān)聽網(wǎng)關(guān)發(fā)來的時(shí)鐘信息廣播,判斷指定時(shí)間內(nèi)

是否收到時(shí)鐘信息廣播。若未收到，切換到下一個(gè)接收通道號，繼續(xù)監(jiān)聽。搜索一輪后完成沒有接收到廣播時(shí)的休眠指定時(shí)間監(jiān)聽過程。

③ 已經(jīng)接收到時(shí)鐘信息廣播，發(fā)送入網(wǎng)申請。

④ 若收到入網(wǎng)信息成功應(yīng)答，執(zhí)行第⑤步。若未收到入網(wǎng)成功應(yīng)答，重復(fù)發(fā)送入網(wǎng)申請。若超過3次未應(yīng)答成功，則跳轉(zhuǎn)到第②步。

⑤ 解析入網(wǎng)應(yīng)答，得到命令通道號、業(yè)務(wù)通道號、時(shí)間資源分配等信息。

⑥ 入網(wǎng)流程結(jié)束。

結(jié) 語

該方法采用MF-TDMA方式實(shí)現(xiàn)了廉價(jià)低、功耗分布式信息采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模易于擴(kuò)充，終端設(shè)備形態(tài)小，安裝方便,有效地解決了設(shè)備故障監(jiān)測問題，減少人力資源消耗，節(jié)約管理成本。

參考文獻(xiàn)

[1] 徐亮. 基于ZigBee的無線振動監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]. 北京：北京化工大學(xué),2015.

[2] STMicroelectronics Inc. STM32F107XX DataSheet, 2009.

[3] 吳建鋒, 羅小文. 基于SI4463的新型物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)方式[J]. 電子世界, 2016(5): 137-139.

[4] 王平, 王峰, 嚴(yán)冬. 433MHz物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺的設(shè)計(jì)與開發(fā)[J]. 單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用, 2012(7): 16-19.

[5] 史永彬, 葉湘濱. 基于MSP430的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)[J]. 單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用, 2006(7): 5-7.

[6] 肖星. STM32L152和SI4432的無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用, 2011 (8): 48-51.

賀翔(中級工程師)，主要從事嵌入式系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)與開發(fā)；謝奕釗(中級工程師)，主要從事嵌入式硬件開發(fā)。