基于物聯(lián)網(wǎng)和藍牙通信的無線電機監(jiān)測設備設計及應用

摘" 要： 針對工業(yè)生產(chǎn)中電機容易出現(xiàn)不正常運行或故障等問題，設計一種基于物聯(lián)網(wǎng)和藍牙通信的無線電機監(jiān)測設備。無線監(jiān)測設備基于STM32超低功耗單片機進行開發(fā)，結合多種傳感器和藍牙模塊實現(xiàn)對電機各項參數(shù)的采集和傳輸；網(wǎng)關將接收到的數(shù)據(jù)通過MQTT協(xié)議上傳至云端服務器，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化，方便后續(xù)電機設備的管理和維護。經(jīng)實驗驗證，無線監(jiān)測設備運行穩(wěn)定，可以實現(xiàn)對電機的狀態(tài)監(jiān)測，且能夠極大地提高電機狀態(tài)監(jiān)測的效率。該設備具有低功耗、易維護、可以長期運行等特點，能夠實現(xiàn)對工業(yè)電機長期的狀態(tài)監(jiān)測，具有良好的應用前景。

關鍵詞： 電機設備； 無線監(jiān)測； 物聯(lián)網(wǎng)； 電路設計； 藍牙通信； 低功耗； 數(shù)據(jù)可視化

中圖分類號： TN926?34" " " " " " " " " " " " " " " 文獻標識碼： A" " " " " " " " " " "文章編號： 1004?373X（2024）14?0077?06

Design and application of wireless motor monitoring equipment based on Internet of Things and Bluetooth communication

ZHANG Yuanzhou1， LIANG Xiaoyu1， 2， YE Qing3， WANG Min3， CHEN Peng3， ZHANG Yide3， TANG Jianbin1

（1. School of Metrology Mesurement and Instrument， China Jiliang University， Hangzhou 310018， China;

2. School of Quality and Safety Engineering， China Jiliang University， Hangzhou 310018， China; 3. Gr?nges Aluminum （Shanghai） Co.， Ltd.， Shanghai 201807， China）

Abstract： A wireless motor monitoring device based on the Internet of Things and Bluetooth communication is designed to address issues such as abnormal operation or malfunction of motors in industrial production. The wireless monitoring equipment is developed based on STM32 ultra?low power microcontroller. The data of various parameters of the motor is collected and transmitted by combing with a variety of sensors and Bluetooth modules. The gateway can be used to upload the received data to the cloud server by means of the MQTT protocol and realize the data visualization， facilitating the management and maintenance of subsequent motor equipment. The experimental verification show that the wireless monitoring devices can operate stably， can monitor the status of motors， and can greatly improve the efficiency of motor status monitoring. It has the characteristics of low power consumption， easy maintenance， and long?term operation， can realize long?term condition monitoring of industrial motors， and" has good application prospects.

Keywords： motor equipment; wireless monitoring; Internet of Things; circuit design; Bluetooth communication; low power consumption; data visualization

0" 引" 言

伴隨智慧工業(yè)發(fā)展，智能監(jiān)測系統(tǒng)成為工業(yè)生產(chǎn)的一部分[1]，而旋轉電機作為工業(yè)生產(chǎn)中的重要動力來源[2]，在長期使用過程中經(jīng)常會出現(xiàn)不正常運行或機械故障，使得電機呈現(xiàn)低效狀態(tài)或停止運行[3]。這不僅增加了工廠額外損耗，設備運營成本和維護風險也相應增加[4]，所以針對旋轉電機建立工業(yè)智能監(jiān)測系統(tǒng)成為發(fā)展智慧工業(yè)的重要內容。

為避免工業(yè)生產(chǎn)過程中出現(xiàn)電機突發(fā)故障的情況，本文設計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)和藍牙的無線電機監(jiān)測設備，該設備定時采集電機運行數(shù)據(jù)，并通過藍牙網(wǎng)關傳輸至云端數(shù)據(jù)平臺進行數(shù)據(jù)展示和存儲，用戶可通過PC端進行查看。其次，進行設備運行方式的設計[5]，當電機設備運行時，某參數(shù)超過監(jiān)測設備設定閾值，會將報警信息發(fā)送至用戶端，維護人員可及時對電機進行維修，避免更大的風險。另外，該款電機無線監(jiān)測設備還具有體積小、低功耗、成本低、無需布線或機械加工等特點。

1" 系統(tǒng)整體設計

整個監(jiān)測系統(tǒng)主要由無線電機狀態(tài)監(jiān)測設備、數(shù)據(jù)上傳網(wǎng)關、云端數(shù)據(jù)接收存儲服務器以及本地PC端等構成。電機狀態(tài)監(jiān)測設備被安裝在電機軸線方向上的外表面，定時采集電機各種狀態(tài)下的加速度、溫度和音頻數(shù)據(jù)，作為系統(tǒng)終端；數(shù)據(jù)上傳網(wǎng)關負責將數(shù)據(jù)采集設備采集到的數(shù)據(jù)通過MQTT協(xié)議上傳至云端服務器；云端服務器用于數(shù)據(jù)接收、存儲、處理以及預警，作為數(shù)據(jù)處理和協(xié)調的中轉站；PC端則可以查看和管理云端數(shù)據(jù)[6]。

無線監(jiān)測系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

2" 硬件電路設計

整體電路系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集傳感器、藍牙模塊、主控STM32單片機以及3 V電源供電部分構成。單片機作為主控芯片，定時讀取傳感器數(shù)據(jù)并發(fā)送至藍牙模塊，通過低功耗藍牙與網(wǎng)關設備之間透傳數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對電機運行數(shù)據(jù)的采集和傳輸。硬件系統(tǒng)整體框圖如圖2所示。

2.1" 傳感器硬件電路設計

電機狀態(tài)監(jiān)測設備通過STM32微處理器采集電機的溫度、加速度和音頻數(shù)據(jù)，并通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送至藍牙通信模塊，藍牙網(wǎng)關通過連接設備藍牙實現(xiàn)定向數(shù)據(jù)傳輸。無線監(jiān)測設備選用的溫度傳感器型號為SI7051。高精度溫度傳感器SI7051用于采集電機的溫度信息，供電電壓為1.9～3.6 V，采用標準I2C總線，具有可靠性好、結構簡單、傳輸速率快等優(yōu)點。該傳感器的溫度測量范圍為-40～125 ℃，傳感器的模數(shù)轉換分辨率為1位，精度[7]為±0.1 ℃。加速度傳感器采用ST公司生產(chǎn)的超低功耗、高性能三軸線性加速度計LIS2DH12，供電電壓為1.71～3.6 V，具有數(shù)字I2C/SPI串行接口標準輸出，具有用戶可選擇的±2g、±4g、±8g、±16g全量程，采樣頻率[8]為1 Hz～5.3 kHz。音頻傳感器采用的型號為ICS?43432，傳感器采用數(shù)字I2S輸出，供電電壓為1.62～3.63 V。完整的ICS?43432音頻模塊包括MEMS傳感器、信號調理、模數(shù)轉換器、抽取和抗混疊濾波器、電源管理和行業(yè)標準24位I2S接口，可直接連接到數(shù)字處理器[9]。將三種傳感器通過協(xié)議串口連接到主控芯片對應的引腳上，其中溫度傳感器和加速度傳感器均使用I2C作為通信方式且懸掛在同一總線上；音頻傳感器使用左聲道采集數(shù)據(jù)，聲道選擇引腳拉低。傳感器硬件電路連接圖如圖3所示。

2.2" 主控芯片和外圍電路

在工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中為避免經(jīng)常更換電池，設備在運行過程中的功耗需要降低，所以在選擇主控芯片和其他模塊時應考慮低功耗的要求。主控芯片采用ST公司的STM32L051C8T6單片機，該芯片基于32位的ARM Cortex?M0+內核，最高主頻為32 MHz，有8 KB RAM和64 KB FLASH[10]，具有UART、ADC、I2C以及I2S等接口，能夠滿足多個傳感器的數(shù)據(jù)讀寫以及傳輸需求，并且支持多種低功耗運行模式。

主控芯片外圍電路如圖4所示。在該設備中，供電部分包括STM32單片機、傳感器和藍牙模塊，其所需要的電壓均在1.9～3.6 V之間。由于該款設備需要運用在工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中，可能會處于油污或高溫環(huán)境下，所以設備需要密閉封裝，難以采用外部供電，且內部供電無法使用鋰電池包，因此本文綜合使用環(huán)境和條件，采用多紐扣電池并聯(lián)的方式進行系統(tǒng)供電，使用muRata公司生產(chǎn)的型號為CR2477X的電池，電壓為3 V，單個電池標稱容量為1 000 mA·h，該電池支持更廣泛的工作溫度范圍，從-40～85 ℃，非常適用于低功耗物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)[11]。

圖5為CR2477X電池在不同溫度下的放電曲線。經(jīng)測試，使用紐扣電池可以滿足設備中各個模塊在無穩(wěn)壓電源芯片直接供電的情況下穩(wěn)定運行的需求。在設備運行一段時間，紐扣電池電壓降低到一定程度時，需要及時進行更換，故為方便管理，在電路設計中增加電池電壓檢測電路，將電路中的電壓通過2個電阻進行分壓處理，通過ADC腳讀取電壓數(shù)據(jù)并進行處理，從而得到準確的電壓值。設定2 V和3 V分別為電路最小和最大電壓值并劃分為百分比，每次采集到的電壓數(shù)據(jù)會和其他數(shù)據(jù)一樣上傳至云端，當電池電量較低時可以及時更換。圖6為電池電壓測量電路圖。

本文設計的無線監(jiān)測設備實物圖如圖7所示，圖a）為硬件電路、設備外殼以及底板俯視圖；圖b）為設備整體圖，監(jiān)測設備通過安裝架固定在電機散熱片上，整體質量輕便，尺寸較小，方便安裝維護。

2.3" 低功耗設計

無線監(jiān)測設備采用紐扣電池進行供電，為使得設備低功耗運行，除硬件選擇外還需要對硬件電路和軟件程序進行設計。硬件電路部分，設備使用的傳感器芯片均為低功耗芯片，使整體功耗得以降低；在電路設計中，將加速度傳感器兩個低功耗中斷腳與STM32的I/O連接，通過加速度傳感器INT1來實現(xiàn)超過特定閾值時喚醒；而對于未使用的INT2腳，將與之對應的I/O口設置為低電平，消除電路電流消耗。在I2C主線中，通信電路SCL和SDA存在上拉電阻，為避免電阻兩邊的電壓差消耗電流，在設備運行一段時間后對其I/O口進行配置，再進入休眠模式。對于溫度和音頻傳感器，由于傳感器本身不具有低功耗模式，所以在其供電電路上增加一個三極管來控制其電源的通斷，在不使用時斷開供電，降低系統(tǒng)功耗。在供電方面，電路未使用升壓電路拉高電壓，而是直接將紐扣電池的3 V電壓接入整體電路中，這是因為采用升壓電路會過多消耗電流，且電路中元器件數(shù)量增加會進一步耗電。對于電壓檢測電路，由于需要使用電阻分壓，且為避免出現(xiàn)過放的情況，在電路中增加PMOS管和三極管并與STM32連接，單片機通過控制I/O口電壓高低來控制檢測電路的通斷，需要檢測時拉低GPIO口，檢測電路導通；反之拉高，檢測電路斷開。

軟件設計部分，STM32單片機在系統(tǒng)不運行時設置成Shutdown Mode（關機模式），關閉所有外設電源；需要運行時通過定時器或引腳中斷這兩種方式進行系統(tǒng)喚醒。LIS2DH12加速度傳感器通過寄存器來設置工作模式，設置傳感器量程為±4g，采樣頻率設置為5 kHz，開啟高通濾波器，運行模式為低功耗模式，設定INT1的中斷閾值為3.5g，高電平有效持續(xù)時間為40 ms，開啟6D檢測，使能X、Y、Z三軸輸出，單片機即可在運行時讀取電機當前X、Y、Z三軸加速度數(shù)據(jù)，并且在設備休眠時振動，超過閾值喚醒設備采集數(shù)據(jù)[12]。藍牙模塊可以通過單片機發(fā)送AT指令設置參數(shù)，模塊默認廣播周期為600 ms，由于本設備與網(wǎng)關進行連接，可以降低廣播周期為3 000 ms；在設備需要休眠時，拉高藍牙模塊使能引腳，進入低功耗休眠模式，但仍可與網(wǎng)關連接。

3" 軟件設計

無線監(jiān)測設備的軟件流程分為本地設備端軟件設計和云端軟件設計兩部分，本地設備端軟件設計主要讀取傳感器數(shù)據(jù)并傳輸至藍牙網(wǎng)關；云端軟件設計主要是將藍牙網(wǎng)關傳輸?shù)臄?shù)據(jù)解析流轉處理，并進行可視化。

3.1" 本地設備軟件設計

設備端軟件系統(tǒng)設計包括傳感器和電壓數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理以及藍牙數(shù)據(jù)傳輸，單片機定時采集多種數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過串口1發(fā)送給藍牙模塊，藍牙模塊再將數(shù)據(jù)透傳至網(wǎng)關。軟件系統(tǒng)流程如圖8所示。

系統(tǒng)在初始時刻會進入數(shù)據(jù)采集狀態(tài)，此后進行循環(huán)運行。系統(tǒng)運行有兩個觸發(fā)條件：一個是定時器中斷觸發(fā)，一個是加速度傳感器閾值觸發(fā)，且二者不會在單獨運行時觸發(fā)另一個中斷，閾值中斷優(yōu)先級高于定時器中斷；傳感器數(shù)據(jù)采集通過各時間計數(shù)器觸發(fā)，計時器均為1 s增加1次。為避免系統(tǒng)運行故障時數(shù)據(jù)采集出現(xiàn)問題，在數(shù)據(jù)采集后增加數(shù)據(jù)處理，并判斷數(shù)據(jù)量是否明顯低于正常值，出現(xiàn)錯誤時系統(tǒng)重新初始化。

3.2" 云端軟件設計

設備將數(shù)據(jù)透傳到藍牙網(wǎng)關后，網(wǎng)關通過MQTT協(xié)議將數(shù)據(jù)發(fā)送至云平臺，數(shù)據(jù)以JSON數(shù)據(jù)包的形式發(fā)送，數(shù)據(jù)包格式為{\"l\"：\"藍牙網(wǎng)關MAC\"，\"m\"：\"設備藍牙MAC\"，\"u\"：\"設備服務UUID\"，\"cmd\"：\"網(wǎng)關讀寫操作\"，\"d\"：\"數(shù)據(jù)字段\"}，\"數(shù)據(jù)字段\"為Hex格式數(shù)據(jù)，其格式為0x00XXXX0YZZZ，格式具體含義如表1所示。

由于云平臺無法直接讀取網(wǎng)關發(fā)送的JSON數(shù)據(jù)包，需將\"d\"：后的\"數(shù)據(jù)字段\"取出，經(jīng)過解析腳本解析后將其轉化成標準JSON數(shù)據(jù)包，其格式為{\"method\"：\"上傳數(shù)據(jù)到云端的Topic\"，\"id\"：\"設備ID\"，\"version\"：\"1.0\"，\"params\"：{\"datatype\"：傳感器數(shù)據(jù)}}，不同的數(shù)據(jù)解析結果如表2所示。

4" 設備測試

4.1" 電機實驗臺搭建

在實驗室環(huán)境下搭建電機實驗平臺，實驗平臺由一臺2.2 kW的4極三相異步電機、一臺扭矩轉速傳感器和一臺電渦流制動器組成。將無線監(jiān)測設備安裝于電機外表面，圖9為監(jiān)測設備在電機上的安裝圖。

在藍牙穩(wěn)定傳輸?shù)姆秶鷥炔贾靡慌_藍牙網(wǎng)關，并與無線監(jiān)測設備建立連接，設備即開始采集電機運行數(shù)據(jù)。在設備監(jiān)測電機狀態(tài)時，通過改變電機轉速、電機扭矩等方式來改變電機運行狀態(tài)，通過可視化平臺顯示電機運行過程中各項數(shù)據(jù)的變化。圖10為無線監(jiān)測設備可視化平臺。

4.2" 無線監(jiān)測設備數(shù)據(jù)精度測試

將標準溫度計、三軸加速度計和音頻計使用磁吸的方式安裝在電機上，與無線監(jiān)測設備處于相鄰位置，監(jiān)測設備每2 s發(fā)送一個長度為24個字節(jié)的數(shù)據(jù)包，共發(fā)送500個數(shù)據(jù)包，標準傳感器則在同一時間處采集相同數(shù)據(jù)量的數(shù)據(jù)，對比無線監(jiān)測設備與標準傳感器得出的無線監(jiān)測設備數(shù)據(jù)精度，測試結果如表3所示。根據(jù)表3得到，溫度數(shù)據(jù)測量精度為±0.3 ℃，X軸加速度測量精度為0.07g，Y軸加速度測量精度為0.08g，Z軸加速度測量精度為0.05g，音頻測量精度為±1.4 dB。

4.3" 設備通信距離測試

將藍牙網(wǎng)關放置在距離監(jiān)測設備不同距離處進行測試。通過實驗測試得到設備通信距離測試結果，如表4所示。由表4可知：無線監(jiān)測設備和藍牙網(wǎng)關距離小于25 m為較穩(wěn)定數(shù)據(jù)傳輸，丟包率為1.6%；當連接距離大于25 m時，數(shù)據(jù)丟包率較大。

5" 結" 語

本文設計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)和藍牙的無線電機監(jiān)測設備，采用STM32主控將采集到的多種傳感器數(shù)據(jù)通過藍牙模塊和藍牙網(wǎng)關上傳至云端服務器，云端實時顯示數(shù)據(jù)，展現(xiàn)電機狀態(tài)。本文重點研究了監(jiān)測設備的電路開發(fā)、設備低功耗設計、設備采集方式及流程的設計、數(shù)據(jù)流轉解析和云平臺的設計，將多種數(shù)據(jù)結合起來共同對電機進行狀態(tài)監(jiān)測。無線電機監(jiān)測設備整體體積較小、成本較低、無需外部供電，適用于工業(yè)生產(chǎn)，方便設備維護維修，能夠提高工業(yè)生產(chǎn)效率。生產(chǎn)企業(yè)可將其作為電機狀態(tài)監(jiān)測的輔助應用，未來可進一步進行改造升級，實現(xiàn)更多的實用功能。

注：本文通訊作者為梁曉瑜。

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