基于無線傳輸的設備狀態監測系統
（成都安萊格科技有限公司，中國成都，430083）
摘要 ： 設計了一種無線傳輸的工業設備狀態監測預警系統。該系統結合了單片機、無線通信及計算機信息管理等技術，采用低功耗ATMEGE88單片機和CYRF6936無線數據收發模塊實現設備點檢、數據采集和遠距離無線傳輸；并提出了基于無線設備標識牌技術的設備編碼與測試流水號靈活配置的方案，以實現設備運行狀態實時在線/離線監控。
關鍵詞： 單片機 數據采集 無線傳輸 預警系統
Equipment Condition Monitoring System Based on Wireless Transmission
Xiao Feng-Hua Cheng Bing
（S. Cent. Univ. Nationalities, Wuhan 430074, PRC）
（Wuhan Iron and Steel Group Corporation, Wuhan 430083, PRC）
Abstract: An equipment condition monitoring and early-warning system is designed, which combined technology of microcontroller, wireless communication and computer management system. Low power ATMEGE88 microcontroller and CYRF6936 wireless module for receiving or transmitting data are used to implement tasks such as equipment route inspection, data acquisition, and remote wireless transmission. Based on wireless equipments identification technique, the paper proposed a flexible scheme to realize the equipment coding, sequence number test, and real-time online or off-line monitoring for equipment running status.
Keyword: Microcontroller, Data acquisition, Wireless transmission, Early-warning system
引言
現代技術的不斷發展，使設備故障的預測在生產過程中已顯現得尤為重要。檢修計劃的合理制訂、生產成本的有效控制、安全事故的預防與避免、費用重復投入等無不與設備在線運行工況息息相關。隨著無線通信網絡的不斷發展 , 其傳輸速率不斷提高，數據傳輸業務的不斷增加使得無線通信技術正在進入自動控制領域。本文介紹一種基于無線數字網絡通信技術的設備狀態監測系統，可以完全替代傳統的數據采集與數據傳輸模式。
1. 系統組成及工作原理
系統總體框圖如圖1所示。分為四個組成部分：信息處理和管理計算機系統、無線傳輸信號中繼器、數據采集及傳輸部分。
該系統為三層工作方式，其中在線式無線點檢設備與離線式無線點檢設備為最底層(即第三層)工作設備，主要功能為數據采集與發送，無線網絡通訊系統工作在第二層，它將分布在各個區域點檢數據用接力方式進行遠距離無線傳輸。采用2.4 GHz的通訊頻段，為直序擴頻通訊方式，抗干擾能力較強。計算機預警數據管理系統為最高層，屬管理層面。各點檢測數據通過在線監測設備和離線監測設備被送入無線通訊網絡，再由無線通訊網絡系統送入計算機數據庫，通過計算機預警管理系統，提交給設備管理人員使用。
2. 硬件及軟件設計
2.1 數據采集及無線傳輸硬件設計
硬件電路采用模塊化的設計方法，包括傳感器與信號調理單元，數據采集單元、數據處理單元、數據傳輸單元和電源管理單元等，可根據需要增減相應的模塊完成目標電路設計，如無線溫度傳感器包括所有的模塊，無線傳輸中繼器只包含數據處理單元、數據傳輸單元和電源管理單元。數據采集單元負責采集傳感器信息并完成數據轉換，采集的信息包含溫度、振動、壓力等；數據處理單元負責控制整個節點的處理操作、數據傳送方式、功耗管理以及任務管理等；數據傳輸單元負責與其他節點進行無線通信；電源管理單元為電路提供穩定的電源供應，在睡眠和正常工作模式時切換外圍模塊電源供應。系統框圖如圖2所示。無線傳感器、無線傳輸信號中繼器、無線數據接收中心機、無線設備標識牌均采用ATMEGE88單片機結合CYRF6936單片射頻芯片作為系統的核心。傳感器模塊定時采集現場數據，經必要的轉換處理后經CYRF6936射頻芯片按系統定義通信協議傳送給距離最近的無線中繼器。無線中繼器將該數據直接或通過其它無線中繼器傳輸至無線數據接收中心機。接收中心機將接收數據通過MAX232轉換為RS232格式數據發送給主計算機。
AVR單片機的單周期指令能夠保證高的執行效率和低成本，是8為微控制器中性能較高的器件。ATMEGE88單片機含8K字節的系統內可編程Flash， 512字節 EEPROM， 1K 字節 SRAM，23 個通用I/O 口線， 32 個通用工作寄存器，三個具有比較模式的靈活的定時器/ 計數器(T/C), 片內/ 外中斷，可編程串行USART，面向字節的兩線串行接口，一個SPI 串行端口， 8 路10 位ADC， 具有片內振蕩器的可編程看門狗定時器，以及五種可以通過軟件選擇的省電模式。空閑模式時CPU 停止工作，而SRAM、T/C、USART、兩線串行接口、SPI 端口以及中斷系統繼續工作；掉電模式時晶體振蕩器停止振蕩，所有功能除了中斷和硬件復位之外都停止工作，寄存器的內容則一直保持；省電模式時異步定時器繼續運行，以允許用戶維持時間基準，器件的其他部分則處于睡眠狀態；ATMEGE88可為許多嵌入式控制應用提供了靈活而低成本的方案。
CYRF6936為基于2.4GHz WirelessUSB LP射頻片上系統的無線收發模塊。它僅需21mA的工作電流，具有高達1Mbps的數據傳輸速率和低于2ms的平均延遲。運用了直接序列擴頻(DSSS)技術，能有效阻止來自于諸如802.11b/g、藍牙、無繩電話和微波爐等其他技術的頻率干擾。
系統獨創無線離線點檢模式，采用電池供電的設備標識牌，平時處于休眠狀態，僅在設備編碼流水號設置和離線點檢時發送設備編碼號及該設備數據采集模塊流水號。設備檢查人員采用手持設備檢測儀，按動開關則可將該設備的設備編號及流水號讀出，同時將測點的數據打包發出。每臺設備可共用1個設備ID號，可以有多個測試點的流水號。既可以在線測量時為數據采集模塊提供流水號，又可以在采用離線檢測設備時提供設備ID號和流水號。從而達到自動檢測和人工手動檢測時設備ID號和流水號靈活配置。
2.2 數據采集及無線傳輸軟件設計
數據采集和傳輸程序是傳感器模塊程序的核心，其設計的優劣直接關系到系統功耗和通信的可靠性，較低的功耗能保證傳感器在不增加電池容量的情況下延長其使用壽命。為保證有較低的功耗，除在硬件電路設計時盡可能的減少器件數量和選用低功耗的器件外，在程序上采用間隙工作的方式。在數據采集和數據傳輸過程中，微控制器首先完成數據采集和傳輸后關閉傳感器和數據采集單元電源，微控制器進入掉電模式，只有一個低功耗定時器運行，保證在設定的時間間隔后能再次采集和傳輸數據。圖3為系統程序框圖，圖4為ATMEGA88從掉電模式被定時器中斷喚醒后的程序流程。
圖3 圖4
要實現傳感器與無線中繼器的通信，需要對CYRF6936進行初始化配置和用戶程序設計。發送和接收程序流程如圖5所示。ATMEGA88通過SPI口對CYRF6936進行參數設置，并啟動發送或接收，程序采用中斷接收，中斷發送。CYRF6936的IRQ引腳與ATMEGA88外中斷0連接，數據發送和接收完成共用一個外中斷0，在中斷程序中判斷發送是否完成或有收到數據。在發送數據前需先判斷無線傳感器是否已經找到作為其父節點的無線中繼器，已找到父節點則發送已采集數據；沒有則先發送申請加入網絡命令幀，并等待應答，在設定的等待超時內收到無線中繼器的應答，將改無線中繼器作為無線傳感器的父節點，向父節點發送已采集的數據。如沒有收到無線中繼器的應答則退出，進入低功耗模式，等待下一次發送時間到來，發送數據的流程圖如圖5。
圖5
2.3 信息處理和管理計算機系統
設備運行監控管理系統采用Access數據庫和VB語言編程。主要功能是接收數據采集機經中繼器轉發送過來的現場數據，并實時顯示和處理。在對PC機串口通信進行編程時，利用 MSComm 控件提供的事件驅動方式，當串口發生事件和錯誤時，MSComm 控件會產生OnComm 事件，用戶程序可以捕獲該事件完成數據的接收和校驗，若通過校驗，則進行相應處理，否則，發出錯誤信息并要求繼續發送數據。設備運行監控管理系統的主要功能包括：
(1)設備數據庫管理功能：包括數據庫創建、數據庫維護、數據庫查詢。
(2)數據采集功能：系統自動接收無線網絡發送回來的數據，根據設備位置碼存入數據庫以供分析、處理。
(3)參數曲線圖顯示功能：根據歷史數據繪制參數曲線圖，使設備在某個時間段內的運行狀況更加直觀。
(4)點檢計劃管理功能：根據不同的管理模式制定巡、點檢計劃，考核點檢計劃完成情況等。
(5)超限實時報警功能：采集的數據超過設備運行時的正常范圍，系統以聲音和畫面提示兩種方式報警。
(6)統計報表功能：根據用戶需求制定各種設備運行報表。
(7)設備診斷及維修工單打印功能：根據采集的數據系統可分析、預診斷設備故障，打印設備維修、維護工單。
(8)提供與其他系統數據接口功能：系統提供與其他系統的數據接口，可與其他數據庫共享。
3 ． 結論
設備運行監控管理系統已經在某大型鋼鐵集團現場投入使用一年多。運行中，該系統大大減少了工人勞動強度和時間，提高了測量精度和數據處理的準確性，實現了自動數據處理和曲線繪制。
目前，該系統可處理的現場設備包括：壓力、溫度、振動、交直流電參數等數據的采集和監控。并可按照用戶生產中的要求開發出更多性能的檢測項目，同時進一步提高采集數據的精度和速度。可實現企業內數據的共享。及時地獲取生產設備的運行數據，對于實現遙控測量和滿足先進制造技術對測控技術的要求有著重要意義。
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