摘 要： 提出一種基于ZigBee無線通信技術(shù)的低功耗軸承溫度檢測系統(tǒng)設(shè)計方案。通過數(shù)字化溫度傳感器DS18B20檢測軸承溫度，應用Jennic公司JN5139模塊構(gòu)建ZigBee無線系統(tǒng)，并利用其內(nèi)部電源監(jiān)控電路檢測電壓。重點介紹數(shù)據(jù)采集節(jié)點的軟硬件設(shè)計和系統(tǒng)低功耗實現(xiàn)方案。經(jīng)測試與實驗表明，系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，持續(xù)工作時間可達半年。
關(guān)鍵詞： 低功耗； ZigBee； 溫度檢測； JN5139
滾動軸承是傳動部件的精密支撐件，其狀態(tài)的好壞直接關(guān)系到軋鋼機運行的質(zhì)量。在軸承運轉(zhuǎn)過程中由于軸承損傷而產(chǎn)生較大的摩擦、碰撞等,會引起軸承溫度升高,出現(xiàn)“燒軸”現(xiàn)象[1]，甚至會抱死在軋輥上，使軋輥損壞，導致嚴重的經(jīng)濟損失。因此檢測軸承的運行狀態(tài)，在軸承出現(xiàn)故障時及時采取措施已經(jīng)成為各大鋼鐵廠迫在眉睫的問題。
目前，檢測和診斷軸承運行狀態(tài)比較可行的方法有3種:測溫、噪聲和振動參數(shù)測試技術(shù)。測溫技術(shù)由于其簡單易行能綜合反映包括軸承潤滑狀態(tài)在內(nèi)的諸因素,并且各種軸承失效均反映為軸承的顯著溫升,因此采用測溫法,便可對軸承的運行進行有效的監(jiān)測，避免或減少故障帶來的損失[2]。
1 ZigBee無線測溫技術(shù)
由于軸承屬于頻繁更換的大型器件，軋鋼廠現(xiàn)場環(huán)境惡劣，空氣中油污多，若采用有線方式檢測溫度，不僅更換不方便，而且頻繁插撥會使接頭處受油污污染，影響數(shù)據(jù)傳輸。采用無線傳輸方式構(gòu)建的傳感器網(wǎng)絡(luò)恰好可以避免這些問題。ZigBee技術(shù)[3]作為一種新興技術(shù)，是專為低速傳感器和控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議, 非常適合于工業(yè)自動控制和遠程控制領(lǐng)域[4]。因此，將無線ZigBee技術(shù)和人工智能結(jié)合,在降低系統(tǒng)功耗的同時可以大大提高軸承溫度檢測系統(tǒng)的可靠性。
ZigBee標準包括物理層、介質(zhì)訪問層、網(wǎng)絡(luò)層和應用層。有如下特點:
(1)功耗小。由于工作周期很短、收發(fā)信息功耗較低，因此在待機模式下, 2節(jié)5號干電池可支持1個節(jié)點工作6～24個月, 在睡眠模式下,電池壽命可長達數(shù)年, 其發(fā)射功率約為1 mW。
(2)成本低。模塊價格低廉,且ZigBee 協(xié)議是免專利費的。
(3)時延短。ZigBee的響應速度快, 從睡眠中激活和激活后進入網(wǎng)絡(luò)均只需15 ms。
(4)容量大?？刹捎眯切?、簇狀或網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)。在簇狀和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中, 一個主節(jié)點最多可管理254個子節(jié)點,若采用級連,節(jié)點數(shù)可達到65 000個。
(5)安全。提供了三級安全模式和高級加密標準(AES128)。
2 軸承溫度檢測系統(tǒng)
2.1 系統(tǒng)構(gòu)成
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
安裝在軸承座內(nèi)的溫度傳感器將檢測到的溫度信號，輸入到ZigBee RFD模塊，模塊內(nèi)置的休眠定時器和節(jié)能設(shè)備可大大降低系統(tǒng)的功耗，休眠定時器定時喚醒節(jié)點，采集溫度與電池電壓數(shù)據(jù)，ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器接收到數(shù)據(jù)后，一方面返回給相應的ZigBee RFD模塊確認信息，另一方面把接收到的數(shù)據(jù)以有線連接的方式傳送到總控制臺。總控制臺是以ATmega8為核心的控制終端和上位機。它通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)控制底層數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)的運行，接收各參量的測量數(shù)據(jù)，采用LED實時顯示各傳感器檢測到的當前溫度值，配有報警器、報警燈等，并且提供友好的人機界面，對接收到的數(shù)據(jù)進行顯示、存儲、記錄，能夠?qū)崿F(xiàn)異常情況報警并輸出控制信號對系統(tǒng)進行保護。檢測系統(tǒng)中最關(guān)鍵的是測量節(jié)點的設(shè)計，下面對其硬件實現(xiàn)和軟件實現(xiàn)進行介紹。
2.2 測量節(jié)點的硬件實現(xiàn)
采用Jennic公司的JN5139-Z01-M00/M01模塊作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點核心，圖2為溫度采集硬件電路與JN5139的接口電路。
圖2中選用DS18B20數(shù)字化溫度傳感器，其體積小，測量溫度范圍為-55 ℃～+125 ℃。在-10 ℃～+85 ℃范圍內(nèi),精度為±0.5 ℃。
DS18B20采集到的節(jié)點溫度量，經(jīng)過信號調(diào)理電路后，輸入到JN5139-Z01-M00模塊。JN5139-Z01-M00是基于無線微控制器JN5139的發(fā)射模塊，具有低功率、低成本等特點，集成了32 bit RISC MCU內(nèi)核、高性能的IEEE802.15.4收發(fā)器、192 KB ROM和96 KB RAM，可以在很短的時間內(nèi)在低成本下設(shè)計實現(xiàn)ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。 其內(nèi)置的休眠定時器定時喚醒節(jié)點，采集各測量數(shù)據(jù)并通過ZigBee無線網(wǎng)線傳送到總控制臺。該系統(tǒng)節(jié)點工作在2.4 GHz頻段，傳輸速率為250 kb/s，傳輸距離大于100 m(可視距離)，工作穩(wěn)定，可靠性高。
JN5139的CTS0、RTS0、TXD0、RXD0四個引腳與MAX232相連，可通過S2(PROM)即編程/運行的狀態(tài)選擇鍵來決定當前狀態(tài)。當處于運行狀態(tài)時，串口用于發(fā)送數(shù)據(jù)，當處于編程狀態(tài)時，串口用于下載程序。
2.3 測量節(jié)點的軟件實現(xiàn)
使用Jennic公司的Jennic CodeBlocks開發(fā)環(huán)境。采用其公司已經(jīng)編好的MAC層軟件，通過C語言編程完成應用層的開發(fā)。
圖3中在所測電池電壓小于2.8 V時報警，提示工作人員及時更換。等待DS18B20采集溫度數(shù)據(jù)完成后，選用長短時間選擇性休眠的方式。若無網(wǎng)絡(luò)接收數(shù)據(jù)則每5 min發(fā)送一次，若有網(wǎng)絡(luò)接收則每15 s發(fā)送一次數(shù)據(jù)，而且僅在每次檢測到溫度數(shù)據(jù)，需要發(fā)送時發(fā)射模塊開始工作，發(fā)送完本組數(shù)據(jù)，其余時間將整個系統(tǒng)置于休眠狀態(tài)。保證了用電量的減小，降低整個系統(tǒng)的功耗。數(shù)據(jù)接收端軟件流程如圖4所示。
3 低功耗策略及測試分析
3.1 低功耗策略
在系統(tǒng)設(shè)計中，根據(jù)實際需求，充分利用各種低功耗資源模式，盡量縮短節(jié)點工作時間，從而降低功耗。通常使用的電池實際容量與放電電流有關(guān)，放電電流較小時，電池放出的總電量明顯大于標稱容量，放電電流越大，電池放出的總電量越小，甚至明顯小于標稱容量。因此采取如下策略來降低系統(tǒng)工作電流，延長節(jié)點壽命[5]。
在硬件方面, 選用低功耗、低電壓器件；對于工作電流小的器件如DS18B20、MAX232等采用引腳供電, 對于功耗大而又周期性工作的部件, 使用選通器件管理其電源；此外，不使用的單片機引腳按照數(shù)據(jù)手冊進行設(shè)置，這對減少系統(tǒng)休眠模式下的電流效果顯著。
在軟件方面，利用硬件提供的支持, 關(guān)閉暫時不使用的部件的電源, 如DS18B20等；按照協(xié)議工作周期, 由軟件控制JN5139的工作模式，進行周期性檢測和睡眠。此外，選用長短時間選擇性休眠的方式檢測數(shù)據(jù)，這種方式與單一性的15 s休眠相比，在發(fā)送數(shù)據(jù)無網(wǎng)絡(luò)接收時功耗小了20倍。
3.2 測試分析
完成系統(tǒng)設(shè)計后, 在電池電壓3.4 V、發(fā)射功率為+2.5 dBm、接收靈敏度為-96.5 dBm 的情況下, 結(jié)合數(shù)據(jù)手冊上的數(shù)據(jù)，對傳感器節(jié)點的工作電流進行了實際測試, 忽略喚醒休眠時間等，結(jié)果如表1所示。
根據(jù)表1的工作模式及工作周期, 計算節(jié)點的平均工作電流為:
150 ℃高溫工作環(huán)境下采用容量為1 800 mAh的電池，放電深度為50%。即由于系統(tǒng)長時間運行中電池的自放電因素, 電池可用電量為總?cè)萘康?0%, 由公式(1)的結(jié)果以及表1得到:當系統(tǒng)以15 s為周期對軸承溫度進行檢測時, 可維持節(jié)點工作半年以上, 達到了設(shè)計要求, 其計算公式如式(2)所示。
3.3 電壓檢測
由于采用電池供電，需要對其電壓進行檢測，以防電壓不足時影響測量溫度值的準確度。
如圖5所示，JN5139內(nèi)部有6個12位模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)，采用了逐次逼近設(shè)計提高轉(zhuǎn)換精度，其中4個可用于外部數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，另外2個用于連接內(nèi)部的溫度傳感器和內(nèi)部電源監(jiān)控電路。
利用內(nèi)部電源監(jiān)控電路，對芯片24腳即模擬電源引腳VDD進行測量，VDD腳電壓經(jīng)過芯片內(nèi)部一個電阻分壓器將電壓降至0.666倍后輸入模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)，對其進行檢測，可以實時監(jiān)控電源供電狀態(tài)。
4 試驗結(jié)果
目前已完成工業(yè)小試樣機的研制，由于該檢測系統(tǒng)工作環(huán)境溫度在50 ℃～80 ℃之間，當軸承發(fā)生故障時瞬間會達到100 ℃左右的高溫，而且工作環(huán)境油污非常多，因此需要對采集模塊的短時耐超高溫工作能力和密封性進行實驗。具體實驗數(shù)據(jù)如表2所示。
軸承需要經(jīng)常更換，因此除了對高溫工作環(huán)境外，對于常溫下以及冬天低溫環(huán)境下的工作能力也需要進行檢測。圖6為不同模塊放置于不同環(huán)境中的檢測實驗。圖中數(shù)據(jù)表明，該系統(tǒng)已在高溫環(huán)境中持續(xù)工作4個月之久，預計可工作半年。與室溫下情況基本相當。而當置于低溫環(huán)境下(0 ℃~5 ℃)時，電池供電能力明顯下降，電壓下降幅度大。因此在冬天則要考慮到該模塊受低溫的影響，要提前更換。軟件系統(tǒng)中設(shè)計電壓從3.6 V降到2.8 V時即產(chǎn)生欠壓報警。此時及時更換電池便可對軸承運行狀態(tài)進行持續(xù)、準確的監(jiān)控。
經(jīng)實驗及現(xiàn)場調(diào)試，基于ZigBee技術(shù)的低功耗軸承溫度檢測系統(tǒng)，可以準確地檢測軸承運轉(zhuǎn)過程中的溫度及其變化，監(jiān)測軸承運行狀態(tài),在軸承故障前期及時采取措施，避免了對軋輥、鋼板的損傷以及油溫升高引起爆炸等重大事故的發(fā)生。相信通過努力，一個功能完善、基于ZigBee技術(shù)的軸承溫度檢測系統(tǒng)將得到推廣和應用。
參考文獻
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