一種多傳感器融合巡查裝置及其復(fù)雜工況下的測溫算法

彭 香，蔣 偉

（揚州大學(xué) 電氣與能源動力工程學(xué)院，江蘇 揚州 225127）

0 引 言

在各種工程設(shè)備中，日常的設(shè)備維護(hù)和檢查十分必要[1-3]。動力機(jī)外殼或軸承溫度、傳動系統(tǒng)振動、機(jī)器運行噪聲等是判斷機(jī)電設(shè)備是否正常工作的重要因素。工作人員在日常巡查時，往往會攜帶各類型的檢測儀器，如：測溫槍、振動測量儀、分貝儀等，巡查設(shè)備數(shù)量多、質(zhì)量大、隨身攜帶不便。巡查中，還需要利用無線通信設(shè)備及時將巡查情況反饋至中控室。針對不同工位的不同檢測目標(biāo)，不同設(shè)備交叉使用耗時較長，影響巡查效率與質(zhì)量。采用的傳統(tǒng)人工數(shù)據(jù)記錄方式和數(shù)據(jù)報表制作方式耗時、耗力、易錯性高。

因此，若某臺巡查裝置同時具有測溫、測振、測噪、照明及無線對講等功能，將大大降低巡查工作的繁瑣程度。通過合理的空間安排，將巡查設(shè)備制作成手持式，便于工作人員隨身攜帶，再加上實時的數(shù)據(jù)存儲功能，比人工記錄更加方便準(zhǔn)確。

此外，現(xiàn)有的紅外測溫設(shè)備款式十分多樣，在復(fù)雜工況下，測溫數(shù)據(jù)會受到環(huán)境溫度、測量距離等因素的影響。目前，獲得更準(zhǔn)確測量值的方法主要是使用更高光學(xué)分辨率的紅外傳感器模塊。若在選用的傳感器模塊固定的情況下，為保證測量精度，測溫功能模塊需具有環(huán)境溫度和測量距離的補償功能[4-6]。

1 系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)整體設(shè)計目標(biāo)需要做到測量設(shè)備集成，功能完善。根據(jù)設(shè)計要求進(jìn)行模塊設(shè)計，以泵站巡查工作為例，系統(tǒng)需包含測溫、測振、測噪功能，液晶顯示功能和簡易外部輸入功能，以最高效和最簡單的方式對不同工位的不同檢測目標(biāo)進(jìn)行測量。測量后還需進(jìn)行數(shù)據(jù)實時處理，采用最簡易的外部輸入方式（搖桿按鈕）對測量數(shù)據(jù)以報表形式進(jìn)行保存。用戶在設(shè)備端回看測量數(shù)據(jù)和管理數(shù)據(jù)，連接PC 端可上傳數(shù)據(jù)。圖1 為系統(tǒng)設(shè)計框圖。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計框圖

1.1 硬件設(shè)計

根據(jù)巡查裝置系統(tǒng)設(shè)計框圖進(jìn)行功能模塊設(shè)計，硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2 所示。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)框圖

測溫及激光輔助定位模塊、測振模塊及測噪模塊根據(jù)其具體用途進(jìn)行傳感器選型與設(shè)計，見表1 所列。

表1 傳感器功能模塊選型

除傳感器功能模塊外還集成了其他外部功能模塊，如：照明模塊采用RGB 三色強(qiáng)光燈珠保證設(shè)備夜間工作的光源充足；無線對講模塊采用BF-868PLUS 對講機(jī)主板實現(xiàn)巡查設(shè)備間2 ～10 km 的遠(yuǎn)距離通信；單片機(jī)控制模塊采用ATmega328p 芯片，對各傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理計算并輸出；時鐘和存儲器模塊采用DS1307 高精度時鐘模塊與AT24C32 數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行裝置數(shù)據(jù)存儲，還可級聯(lián)其他設(shè)備；OLED 顯示及簡易外設(shè)模塊實現(xiàn)了測量數(shù)據(jù)實時可視化，配合五位搖桿實現(xiàn)裝置的簡易輸入。

系統(tǒng)集成硬件需要解決供電問題，采用三級電路變換，MIC2288 升壓Boost 芯片將寬電壓范圍輸入鋰電池電源轉(zhuǎn)為測溫模塊的12 V 電源；MCP16311 降壓Buck 芯片將電壓12 V 電源轉(zhuǎn)為控制器、RTC、存儲器、測噪模塊和測振模塊的5 V 電源；AMS1117-3.3 V 穩(wěn)壓芯片將5 V 電源轉(zhuǎn)為供顯示屏工作的3.3 V 電壓。

本巡查裝置的設(shè)計將多種功能模塊集合到同一臺設(shè)備上，則巡查裝置的使用變得方便快捷。因此巡查裝置的外殼設(shè)計采用3D 打印技術(shù)，自主開發(fā)設(shè)計，體積為150 mm×100 mm×50 mm，重量控制在0.5 kg 以內(nèi)。

1.2 軟件設(shè)計

巡查裝置使用Arduino 進(jìn)行軟件編程設(shè)計，系統(tǒng)啟動時對系統(tǒng)進(jìn)行初始化處理。通過五位搖桿進(jìn)行測量單元選擇，輸入1 為溫度測量，輸入2 為振動測量，輸入3 為噪聲測量?？刂破鞲鶕?jù)搖桿指令接收傳感器參數(shù)，將采集到的模擬信號經(jīng)過放大和ADC 轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號傳入微控制器中。OLED顯示屏通過I2C 通信方式與控制器實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，實時顯示測量值。最后還可通過搖桿選擇保存或刪除此次測量數(shù)據(jù)。程序設(shè)計如圖3 所示。

圖3 軟件結(jié)構(gòu)框圖

2 測溫算法

巡查裝置的測溫及激光輔助定位模塊工作原理如圖4 所示。紅外測溫儀通過對物體紅外波段輻射能的采集，將采集到的模擬信號經(jīng)過放大和ADC 轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號傳入微控制器中，紅外傳感器信號接口直接接入ATmaga328p 內(nèi)置ADC。該紅外測溫數(shù)據(jù)受到環(huán)境溫度和距離的影響，故通過測溫功能模塊和激光測距模塊分別對環(huán)境溫度和距離進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并傳入微控制器中，對測得的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。最后得出修正以后的測量值，并在OLED 顯示模塊中進(jìn)行顯示?？刂破骺蓪?shù)據(jù)儲存至巡查裝置，之后也可用數(shù)據(jù)線將測量數(shù)據(jù)提取到PC 端進(jìn)行多組數(shù)據(jù)的可視化處理。

圖4 溫度模塊工作原理框圖

所使用的測溫功能模塊的紅外傳感器可以將待測物所發(fā)出的輻射能轉(zhuǎn)變?yōu)樾‰娏餍盘?，隨后利用放大器把電流信號進(jìn)行放大，再把經(jīng)過放大后的模擬電流信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號輸入到控制器中進(jìn)行集中處理。若待測物體處于設(shè)備物距比之內(nèi)，引入環(huán)境溫度對測量溫度進(jìn)行補償[7-8]。在超出測量物距比、物體表面不規(guī)則，人工調(diào)整距離無法滿足到物距比范圍內(nèi)的情況下，引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練算法，對所測量物體的溫度進(jìn)行精準(zhǔn)預(yù)測[9-11]，即當(dāng)物體位置處于超出物距比位置。以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為核心算法，根據(jù)物體實際尺寸、物體表面弧度、實際距離以及環(huán)境因素，對物體表面溫度進(jìn)行精準(zhǔn)預(yù)測。圖5 為測溫程序設(shè)計流程。

圖5 測溫程序設(shè)計流程

3 實驗測試

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計要求設(shè)計制作的樣機(jī)如圖6 所示。

圖6 系統(tǒng)樣機(jī)

使用巡查裝置樣機(jī)對動力機(jī)組外殼進(jìn)行現(xiàn)場測溫，使用手持紅外測溫槍在同等條件下測溫，將測得的兩組數(shù)據(jù)與安裝在動力機(jī)組表面的溫度傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)對比，并繪制溫度變化曲線。測試結(jié)果如圖7 所示。

圖7 測試結(jié)果

圖中虛線為安裝在動力機(jī)組表面的溫度傳感器測量結(jié)果，將其測得數(shù)據(jù)作為標(biāo)定溫度。使用巡查裝置及手持紅外測溫槍在同等條件下，每間隔0.5 m 測量一次數(shù)據(jù)。經(jīng)過數(shù)據(jù)統(tǒng)計與曲線繪制，在1 m 內(nèi)巡查裝置與手持測溫槍測量數(shù)據(jù)均十分精確；但隨著距離的增加，手持測溫槍的測量數(shù)據(jù)（圖中點線）變化較大，且越來越接近于環(huán)境溫度。巡查裝置使用的測溫算法測量數(shù)據(jù)值如圖中實線，在1 ～5 m 內(nèi)仍能接近標(biāo)定溫度，誤差溫度最大在0.6 ℃。

4 結(jié) 語

本文設(shè)計一種多傳感器融合巡查裝置，可滿足對泵站巡查的溫度、振動、噪聲等進(jìn)行測量的基本功能。將多種功能模塊集合到同一臺裝置上，巡查裝置的使用變得方便快捷，同時在現(xiàn)有功能模塊使用的傳感器基礎(chǔ)上，增加復(fù)雜工況的測溫算法，提高巡查裝置的測溫精度。經(jīng)過實際測試，引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練算法后，在超出物距比范圍內(nèi)一定距離，巡查裝置可以對所測量物體的溫度進(jìn)行精準(zhǔn)預(yù)測。