基于傳感器信息采集檢測系統(tǒng)的機電一體化設備狀態(tài)檢測研究

李相波

（山東黃金礦業(yè)（沂南）有限公司，山東 沂南 276300）

1 基于傳感器信息采集檢測系統(tǒng)的硬件結構

將傳統(tǒng)的機械技術和現(xiàn)代電子技術相融合，會使機電一體化設備變得復雜，因此對整個設備各個部件狀態(tài)信息的獲取變得尤為重要。例如，射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）檢測系統(tǒng)檢測速度快且不需要配置外接線路，能夠做到便攜式設備隨時檢測，但是易受到設備現(xiàn)場電磁干擾的影響出現(xiàn)錯誤判斷。因此，文章提出一種以CC2420 元件為核心的新式傳感器檢測系統(tǒng)，從硬件設備和軟件系統(tǒng)2 個方面展開論述。

1.1 傳感器信息采集檢測系統(tǒng)硬件總體結構

傳感器信息采集檢測系統(tǒng)中，檢測模塊和無線通信模塊是系統(tǒng)的核心。機電一體化傳感器信息采集檢測系統(tǒng)硬件結構，如圖1 所示。

圖1 傳感器信息采集檢測系統(tǒng)硬件結構

1.2 傳感器信息采集檢測系統(tǒng)的檢測模塊結構設計與工作流程

檢測模塊的設計需要借用運動傳感、智能傳感器和系統(tǒng)提供的電力基礎（電壓或者電流）設備收集機電一體化設備的信息，包含機電一體化設備某子節(jié)點的狀態(tài)運轉是否正常、子節(jié)點是待機狀態(tài)還是一般負荷運轉或超負荷運轉等。檢測模塊的感應系統(tǒng)以運動傳感器和電力基礎傳感器為主要感應手段，以智能傳感器為輔助感應手段，通過電力因素的變化進一步判斷機電一體化設備子節(jié)點的狀態(tài)變化。由圖1 可以看出，檢測模塊各個傳感器可以和控制模塊的主芯片形成多對一的映射，每個傳感器檢測到的信息都可以即時發(fā)送給控制模塊進行判斷。為了更加有效地進行檢測工作，硬件設計選擇嵌入式系統(tǒng)上位機和下位機結構來優(yōu)化系統(tǒng)，如圖2 所示[1]。

圖2 檢測模塊系統(tǒng)結構

需要說明的是，上位機內(nèi)部主要以先進的RISC微處理器（Advanced RISC Machines，ARM）為信息處理主要設備，下位機主要以數(shù)字信號處理（Digital Signal Processing，DSP）設備為工作信息處理設備。通過圖2 可以清晰看出檢測模塊、控制模塊是如何完成信息傳遞工作的。首先，電流傳感器、運動傳感器等收集機電一體化設備子節(jié)點的判斷信息或變化信息，然后將信息傳遞給下位機。下位機可以提供無線接口和人機互動設備，將信息預處理后轉變?yōu)闄C電一體化子節(jié)點的設備狀態(tài)信息。上位機類似傳統(tǒng)計算機系統(tǒng)中的“中央處理器”，主要負責匯總分析各個子節(jié)點設備通過傳感器傳遞的模擬信號和數(shù)字信號。上位機和下位機通過控制模塊提供的通用串行總線（Universal Serial Bus，USB）接口實現(xiàn)信息傳遞[2]。

1.3 傳感器信息采集檢測系統(tǒng)的無線通信模塊結構與分析

無線通信模塊的系統(tǒng)結構如圖3 所示。通過圖3可以明顯看出，整體結構的右側即為CC2420 元件，是通信頻率發(fā)射及接收設備的主體。整體結構的左側為天線部分。以CC2420 為主體結構的無線通信模塊能實現(xiàn)精準多-多映射式匹配組網(wǎng)，為機電一體化設備傳感器子結構所在的檢測模塊和上位機互相聯(lián)系構建基礎。CC2420 元件中的調(diào)制信號是偏移四相相移鍵控（Offset-Quadrature Phase Shift Keying，O-QPSK）方式，能夠避免180°相位跳變問題，在實際工作中的抽樣選擇中能夠使得分支線路交替式抽樣，確保信號的穩(wěn)定性[3]。

圖3 無線通信模塊系統(tǒng)結構

2 基于傳感器信息采集檢測系統(tǒng)的軟件設計

2.1 通信信號濾波問題處理

在機電一體化設備工作現(xiàn)場，由于各種設備發(fā)出的干擾信號較多，實際通信中需要用防脈沖滑動濾波法過濾干擾信號。

滑動濾波法需要先獲取平均值，具體計算公式為

式中：Y為想要獲取的平均值；N為信號個數(shù)；X(k)為序列；k為序列號。獲取滑動數(shù)據(jù)平均值后，把一系列數(shù)據(jù)定義成N的隊列，隊列即滑動數(shù)據(jù)的采集范圍，不斷通過式（1）獲取數(shù)據(jù)時刻保持滑動隊列數(shù)值的同步性，然后在去除最小值和最大值的基礎上計算平均值，這樣得到的信號就是當時最有效的信號數(shù)值，該方法即防脈沖滑動濾波法[4]。

2.2 傳感器信息采集檢測系統(tǒng)設備狀態(tài)原理

若想判斷機電一體化設備各個工作狀態(tài)穩(wěn)定與否，需要以傳感器收集的信息作為評估依據(jù)。在傳感器系統(tǒng)通信暢通且穩(wěn)定的情況下，用特征向量矩陣可以明確反映各個傳感器的信息特征。具體矩陣構建以矢量特征表示傳感器特征，即H(a)={a1,a2,a3,…,ad}，假設有M個矢量設備樣本，而M個樣本的狀態(tài)個數(shù)為P，用矩陣表示為

式中：Z為狀態(tài)模板矩陣；a為傳感器指標，角標用于區(qū)別傳感器和指標參數(shù)；vm為傳感器穩(wěn)定性矢量結果；M為全部傳感器系統(tǒng)的矢量累加。

通過式（2）可以看出，如果樣本之間的特征差很小，那么被測試的設備狀態(tài)樣本就和模板狀態(tài)類似度高度一致。

為了計算類似度（相似度），用數(shù)學方法進行評估，表達式為

式中：ωij為標準類似度；dg1i為最小類似度；dg2i為最大類似度。隨著機電一體化設備狀態(tài)的不斷變化，定期用軟件系統(tǒng)評估被檢測設備狀態(tài)P和理想狀態(tài)模板的相識度，就可以完成即時機電一體化設備的檢測工作。

3 基于傳感器信息采集檢測系統(tǒng)的機電一體化模擬實驗與分析

為了更準確地評估傳感器系統(tǒng)對機電一體化設備狀態(tài)檢測能力，現(xiàn)設計以下仿真實驗。

3.1 實驗環(huán)境及數(shù)據(jù)收集分析

采集實驗選擇的機電一體化設備中的驅(qū)動電流數(shù)據(jù)信息、功率傳感器信息、電流傳感器信息等參數(shù)，采集時間為100 ms 一次。對于采集時間的設定，一般收集數(shù)據(jù)越多，實驗模擬程度越接近客觀事實，但是過多的數(shù)據(jù)處理會耗費更多的時間。考慮到實驗平臺計算機的性能，需要把時間設定和計算機處理器處理能力相匹配。把收集樣本時間總數(shù)設定為T，N為樣本數(shù)值，收集時間為48 h。在收集時間結束時，需要預處理收集到的數(shù)據(jù)，去除不符合實驗要求的數(shù)據(jù)后得到的實驗數(shù)據(jù)為3 000 個[5]。

3.2 基于傳感器信息采集檢測系統(tǒng)的錯誤率及有效性分析

模擬實驗中，為了更好地驗證提出的傳感器系統(tǒng)的有效性和精準性，需要以3 000個數(shù)據(jù)作為實驗基礎，然后用差異性較大的檢測系統(tǒng)檢測機電一體化設備的狀態(tài)，以增加設備組本身的干擾性，以便匯總分析各種傳感器采集信息系統(tǒng)的錯誤率和有效性，檢測傳感器信息系統(tǒng)的抗干擾能力。實驗選取基于RFID 的檢測系統(tǒng)和基于機器學習的檢測系統(tǒng)，2 種檢測系統(tǒng)和本文研究的檢測系統(tǒng)之間的對比，如表1 所示。

表1 3 種測試系統(tǒng)測試效率及系統(tǒng)錯誤率對比表

通過表1 可以看出：在電磁干擾增加到一定程度的情況下，提出的基于傳感器采集信息系統(tǒng)表現(xiàn)最低的一項數(shù)值為超載負荷狀態(tài)，測試效率為98.8%，剩余機器設備狀態(tài)檢測率都超過了99%。設計的設備狀態(tài)檢測系統(tǒng)能更精準地反映機電一體化設備的真實狀態(tài)。RFID 系統(tǒng)和機器學習系統(tǒng)整體表現(xiàn)差距較大，數(shù)值分布在70%～90%，即2 種設計方案在強電磁干擾情況下的精準性有待優(yōu)化?？梢?，設計的基于傳感器采集信息系統(tǒng)精準、有效且抗干擾能力強。

4 結 論

從實際情況出發(fā)，考慮在一定程度的電磁干擾情況下，設計基于傳感器信息采集檢測系統(tǒng)來獲取機電一體化設備狀態(tài)。從硬件結構和軟件分析2 個方面進行闡述，然后用仿真模擬實驗比較分析RFID 系統(tǒng)、機器學習系統(tǒng)和所提系統(tǒng)的實際表現(xiàn)，可知設計的系統(tǒng)在一定電磁干擾程度下精準且有效。需要指出的是，模擬實驗具有一定的條件約束，而實際應用中不同的機電一體化設備有很大差異，需要適時作出調(diào)整和優(yōu)化。