分析低功耗軸承溫度無(wú)線檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

摘  要：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，ZigBee無(wú)線通信技術(shù)越來(lái)越多在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用。本文提出一種基于ZigBee無(wú)線通信技術(shù)的低功耗軸承溫度檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。重點(diǎn)介紹數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的軟硬件設(shè)計(jì)和系統(tǒng)低功耗實(shí)現(xiàn)方案。經(jīng)測(cè)試與實(shí)驗(yàn)表明，系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，持續(xù)工作時(shí)間可達(dá)半年。

　　滾動(dòng)軸承一般由內(nèi)圈、外圈、滾動(dòng)體和保持架四部分組組成內(nèi)圈的作用是與軸相配合并與軸一起旋轉(zhuǎn)；外圈作用是與軸承座相配合，起支撐作用；滾動(dòng)體是借助于保持架均勻的將滾動(dòng)體分布在內(nèi)圈和外圈之間，其形狀大小和數(shù)量直接影響著滾動(dòng)軸承的使用性能和壽命；保持架能使?jié)L動(dòng)體均勻分布，防止?jié)L動(dòng)體脫落，引導(dǎo)滾動(dòng)體旋轉(zhuǎn)起潤(rùn)滑作用。滾動(dòng)軸承使用維護(hù)方便，工作可靠，起動(dòng)性能好，在中等速度下承載能力較高。與滑動(dòng)軸承比較，滾動(dòng)軸承的徑向尺寸較大，減振能力較差，高速時(shí)壽命低，聲響較大。

　　目前，檢測(cè)和診斷軸承運(yùn)行狀態(tài)比較可行的方法有3種：測(cè)溫、噪聲和振動(dòng)參數(shù)測(cè)試技術(shù)。測(cè)溫技術(shù)由于其簡(jiǎn)單易行能綜合反映包括軸承潤(rùn)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(cè)溫法，便可對(duì)軸承的運(yùn)行進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)，避免或減少故障帶來(lái)的損失.

　　1 ZigBee無(wú)線測(cè)溫技術(shù)

　　ZigBee無(wú)線測(cè)溫技術(shù)是一種短距離、低功耗的無(wú)線通信技術(shù)。這一名稱來(lái)源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂（bee）是靠飛翔和"嗡嗡"（zig）地抖動(dòng)翅膀的"舞蹈"來(lái)與同伴傳遞花粉所在方位信息，也就是說(shuō)蜜蜂依靠這樣的方式構(gòu)成了群體中的通信網(wǎng)絡(luò)。其特點(diǎn)是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本。主要適合用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。

　　由于軸承屬于頻繁更換的大型器件，軋鋼廠現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣，空氣中油污多，若采用有線方式檢測(cè)溫度，不僅更換不方便，而且頻繁插撥會(huì)使接頭處受油污污染，影響數(shù)據(jù)傳輸。ZigBee技術(shù)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(jì)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議， 非常適合于工業(yè)自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域。

　　ZigBee標(biāo)準(zhǔn)包括物理層、介質(zhì)訪問(wèn)層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。有如下特點(diǎn)：

　?。?）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(jī)模式下， 2節(jié)5號(hào)干電池可支持1個(gè)節(jié)點(diǎn)工作6~24個(gè)月， 在睡眠模式下，電池壽命可長(zhǎng)達(dá)數(shù)年， 其發(fā)射功率約為1 mW.

　?。?）成本低。模塊價(jià)格低廉，且ZigBee 協(xié)議是免專利費(fèi)的。

　?。?）時(shí)延短。ZigBee的響應(yīng)速度快， 從睡眠中激活和激活后進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)均只需15 ms.

　?。?）容量大。在簇狀和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中， 一個(gè)主節(jié)點(diǎn)最多可管理254個(gè)子節(jié)點(diǎn)，若采用級(jí)連，節(jié)點(diǎn)數(shù)可達(dá)到65 000個(gè)。

　?。?）安全。提供了三級(jí)安全模式和高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)。

　　2 軸承溫度檢測(cè)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(cè)到的溫度信號(hào)，輸入到ZigBee RFD模塊，模塊內(nèi)置的休眠定時(shí)器和節(jié)能設(shè)備可大大降低系統(tǒng)的功耗，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(yīng)的ZigBee RFD模塊確認(rèn)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(tái)。采用LED實(shí)時(shí)顯示各傳感器檢測(cè)到的當(dāng)前溫度值，配有報(bào)警器、報(bào)警燈等，并且提供友好的人機(jī)界面，對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)、記錄，能夠?qū)崿F(xiàn)異常情況報(bào)警并輸出控制信號(hào)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)。檢測(cè)系統(tǒng)中最關(guān)鍵的是測(cè)量節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，下面對(duì)其硬件實(shí)現(xiàn)和軟件實(shí)現(xiàn)進(jìn)行介紹。[!--empirenews.page--]

　　2.2 測(cè)量節(jié)點(diǎn)的硬件實(shí)現(xiàn)

　　采用Jennic公司的JN5139-Z01-M00/M01模塊作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)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(cè)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(diǎn)溫度量，經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路后，輸入到JN5139-Z01-M00模塊。JN5139-Z01-M00是基于無(wú)線微控制器JN5139的發(fā)射模塊，具有低功率、低成本等特點(diǎn)，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(shí)間內(nèi)在低成本下設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。 該系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)工作在2.4 GHz頻段，傳輸速率為250 kb/s,傳輸距離大于100 m,工作穩(wěn)定，可靠性高。

　　JN5139的CTS0、RTS0、TXD0、RXD0四個(gè)引腳與MAX232相連，可通過(guò)S2（PROM）即編程/運(yùn)行的狀態(tài)選擇鍵來(lái)決定當(dāng)前狀態(tài)。當(dāng)處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，串口用于發(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)處于編程狀態(tài)時(shí)，串口用于下載程序。

　　2.3 測(cè)量節(jié)點(diǎn)的軟件實(shí)現(xiàn)

　　使用Jennic公司的Jennic CodeBlocks開(kāi)發(fā)環(huán)境。采用其公司已經(jīng)編好的MAC層軟件，通過(guò)C語(yǔ)言編程完成應(yīng)用層的開(kāi)發(fā)。

　　圖3中在所測(cè)電池電壓小于2.8 V時(shí)報(bào)警，提示工作人員及時(shí)更換。若無(wú)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(cè)到溫度數(shù)據(jù)，需要發(fā)送時(shí)發(fā)射模塊開(kāi)始工作，發(fā)送完本組數(shù)據(jù)，其余時(shí)間將整個(gè)系統(tǒng)置于休眠狀態(tài)。數(shù)據(jù)接收端軟件流程如圖4所示。

[!--empirenews.page--]

　　3 低功耗策略及測(cè)試分析

　　3.1 低功耗策略

　　在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，根據(jù)實(shí)際需求，充分利用各種低功耗資源模式，盡量縮短節(jié)點(diǎn)工作時(shí)間，從而降低功耗。通常使用的電池實(shí)際容量與放電電流有關(guān)，放電電流較小時(shí)，電池放出的總電量明顯大于標(biāo)稱容量，甚至明顯小于標(biāo)稱容量。因此采取如下策略來(lái)降低系統(tǒng)工作電流，延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)壽命.

　　在硬件方面， 選用低功耗、低電壓器件；對(duì)于工作電流小的器件如DS18B20、MAX232等采用引腳供電， 對(duì)于功耗大而又周期性工作的部件；此外，不使用的單片機(jī)引腳按照數(shù)據(jù)手冊(cè)進(jìn)行設(shè)置，這對(duì)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(shí)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(jìn)行周期性檢測(cè)和睡眠。選用長(zhǎng)短時(shí)間選擇性休眠的方式檢測(cè)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(wú)網(wǎng)絡(luò)接收時(shí)功耗小了20倍。

　　3.2 測(cè)試分析

　　完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(cè)上的數(shù)據(jù)，對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)的工作電流進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試， 忽略喚醒休眠時(shí)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(jì)算節(jié)點(diǎn)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(zhǎng)時(shí)間運(yùn)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(dāng)系統(tǒng)以15 s為周期對(duì)軸承溫度進(jìn)行檢測(cè)時(shí)， 可維持節(jié)點(diǎn)工作半年以上， 達(dá)到了設(shè)計(jì)要求， 其計(jì)算公式如式（2）所示。

[!--empirenews.page--]

　　3.3 電壓檢測(cè)

　　由于采用電池供電，需要對(duì)其電壓進(jìn)行檢測(cè)，以防電壓不足時(shí)影響測(cè)量溫度值的準(zhǔn)確度。

　　如圖5所示，JN5139內(nèi)部有6個(gè)12位模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，采用了逐次逼近設(shè)計(jì)提高轉(zhuǎn)換精度，其中4個(gè)可用于外部數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，另外2個(gè)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(duì)芯片24腳即模擬電源引腳VDD進(jìn)行測(cè)量，VDD腳電壓經(jīng)過(guò)芯片內(nèi)部一個(gè)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，對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控電源供電狀態(tài)。

　　4 試驗(yàn)結(jié)果

　　目前已完成工業(yè)小試樣機(jī)的研制，由于該檢測(cè)系統(tǒng)工作環(huán)境溫度在50 ℃~80 ℃之間，當(dāng)軸承發(fā)生故障時(shí)瞬間會(huì)達(dá)到100 ℃左右的高溫，而且工作環(huán)境油污非常多，因此需要對(duì)采集模塊的短時(shí)耐超高溫工作能力和密封性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

　　軸承需要經(jīng)常更換，因此除了對(duì)高溫工作環(huán)境外，對(duì)于常溫下以及冬天低溫環(huán)境下的工作能力也需要進(jìn)行檢測(cè)。圖6為不同模塊放置于不同環(huán)境中的檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。而當(dāng)置于低溫環(huán)境下時(shí)，電池供電能力明顯下降，電壓下降幅度大。此時(shí)及時(shí)更換電池便可對(duì)軸承運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行持續(xù)、準(zhǔn)確的監(jiān)控。

　　經(jīng)實(shí)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，基于ZigBee技術(shù)的低功耗軸承溫度檢測(cè)系統(tǒng)，可以準(zhǔn)確地檢測(cè)軸承運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的溫度及其變化，監(jiān)測(cè)軸承運(yùn)行狀態(tài)，在軸承故障前期及時(shí)采取措施，避免了對(duì)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(guò)努力，一個(gè)功能完善、基于ZigBee技術(shù)的軸承溫度檢測(cè)系統(tǒng)將得到推廣和應(yīng)用。