摘要:針對(duì)當(dāng)前有線振動(dòng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)布線復(fù)雜、成本高等問(wèn)題，提出一種基于數(shù)字式加速度傳感器MMA61612Q，以MC13192作為通信模塊所組成的無(wú)線振動(dòng)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，進(jìn)而組成一個(gè)無(wú)線振動(dòng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)洗煤廠機(jī)器設(shè)備的振動(dòng)監(jiān)測(cè)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，加速度傳感器MMA61612Q 采集數(shù)據(jù)的狀態(tài)良好，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性較高，整個(gè)無(wú)線振動(dòng)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)工作穩(wěn)定。

　　無(wú)線振動(dòng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)就是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)微型振動(dòng)傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過(guò)無(wú)線通信方式形成的一個(gè)多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中振動(dòng)對(duì)象的信息，并發(fā)送給觀察者。洗煤廠的許多設(shè)備均是常年24 小時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)，一旦出現(xiàn)設(shè)備故障，會(huì)嚴(yán)重影響生產(chǎn)，所以廠內(nèi)機(jī)器設(shè)備的實(shí)時(shí)振動(dòng)信息，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)管理人員顯得尤為重要，它關(guān)系到生產(chǎn)的能否正常進(jìn)行。無(wú)線監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)具有容易部署、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，成為替代有線監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的理想選擇。本文中振動(dòng)傳感器采選用無(wú)需A/D 轉(zhuǎn)換直接數(shù)字輸出的新型單芯片雙軸加速度傳感器MMA61612Q。

　　1 系統(tǒng)原理

　　系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。系統(tǒng)主要由系統(tǒng)控制模塊、振動(dòng)檢測(cè)模塊、報(bào)警模塊、無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)射接收模塊等幾部分組成。

　　其中，系統(tǒng)控制模塊主要用于計(jì)算和分析信號(hào)的強(qiáng)度、模式和對(duì)報(bào)警及顯示模塊的控制等。在本系統(tǒng)中，采用Freescale公司的MC9S08GT60作為振動(dòng)檢測(cè)的控制器。它具有4 KB的閃存，60 KB的大容量在線Flash編程，含有16通道10位數(shù)模轉(zhuǎn)換，56個(gè)I/O接口，32個(gè)中斷源。振動(dòng)檢測(cè)模塊[4]采用加速度傳感器芯片MMA6261Q，該芯片集成表面微機(jī)械結(jié)構(gòu)，其G-Cell電容會(huì)受地震塊的力作用而發(fā)生改變。報(bào)警模塊采用單片機(jī)控制。通過(guò)RS232將數(shù)據(jù)直接保存在計(jì)算機(jī)上，通過(guò)串口通信的方式將數(shù)據(jù)導(dǎo)出到電腦中。無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)射接收模塊采用Freescale公司提供的符合IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的帶數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)器的射頻收發(fā)芯片。其工作頻率為2.405 GHz～2.480 GHz，該頻帶劃分為16個(gè)信道，每個(gè)信道占用5 MHz的帶寬。采用直接序列擴(kuò)頻的通信技術(shù)，數(shù)據(jù)傳輸速率為250 kb/s。

　　在測(cè)量的過(guò)程中，系統(tǒng)在電腦上進(jìn)行采樣顯示，直觀反映振動(dòng)的各種數(shù)據(jù)量。然后將數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，通過(guò)程序?qū)⑵淅L制成曲線來(lái)反映出數(shù)據(jù)量的變化。

　　2 振動(dòng)檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)

　　振動(dòng)檢測(cè)主要采用MMA1260D，由PTB0、PTB1和PTB7接收來(lái)自X、Y、Z三個(gè)方向的加速度的值，將PTC5和PTG1作為輸出的控制信號(hào)，可以分別實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)信號(hào)的采集。它主要有以下幾個(gè)特性：能對(duì)信號(hào)進(jìn)行積分補(bǔ)償；標(biāo)準(zhǔn)的線性輸出；含有2階貝塞爾濾波器；自校準(zhǔn)及自動(dòng)檢測(cè)功能；自動(dòng)校驗(yàn)數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；傳感器具有很高的可靠性和穩(wěn)定性，能承受高強(qiáng)度的振動(dòng)。

　　3  軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)檢測(cè)和處理部分主要由數(shù)據(jù)檢測(cè)、數(shù)據(jù)發(fā)送以及數(shù)據(jù)接收和處理等幾個(gè)子程序組成。系統(tǒng)采用Freescale公司提供的軟件Codewarrior進(jìn)行程序的編寫(xiě)。

　　3.1  主程序設(shè)計(jì)

　　主程序流程圖如圖2所示。

　　由表1可見(jiàn)，本系統(tǒng)對(duì)于振動(dòng)測(cè)量的很高，基本上達(dá)到了0.001 g=0.098 m/s2，誤差不超過(guò)3.3% 。

　　本系統(tǒng)采用Freescale公司的無(wú)線傳輸芯片MC13192和振動(dòng)檢測(cè)芯片MMA61612Q來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)線振動(dòng)數(shù)據(jù)的檢測(cè)和傳輸。振動(dòng)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸和良好的可視化界面使得系統(tǒng)使用起來(lái)更為直觀方便。經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試表明，本系統(tǒng)能及時(shí)準(zhǔn)確地采集振動(dòng)信號(hào)，遠(yuǎn)程端監(jiān)視效果良好，采集的數(shù)據(jù)高、線形度好，其低功耗設(shè)計(jì)使得本系統(tǒng)具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。

　　主程序首先對(duì)硬件電路進(jìn)行初始化和檢測(cè)。先對(duì)MCU進(jìn)行初始化，設(shè)置無(wú)線發(fā)射接收模塊的頻率，方便其通信，然后再對(duì)MC13192[5]進(jìn)行初始化，設(shè)定天線發(fā)射、接收環(huán)境的初值和數(shù)據(jù)包格式等。初始化完畢后，進(jìn)入狀態(tài)檢測(cè)、振動(dòng)檢測(cè)以及數(shù)據(jù)的處理、發(fā)送、接收和傳送等子程序。通過(guò)電腦上的上位機(jī)軟件可將所接收的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示并保存下來(lái)，至此完成了整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程。

　　3.2  數(shù)據(jù)發(fā)射、接收及報(bào)警子程序的設(shè)計(jì)

　　數(shù)據(jù)發(fā)射子程序?qū)/D轉(zhuǎn)換的值和上的計(jì)數(shù)值進(jìn)行比較，如果數(shù)值在上次數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上左右偏移小于5這個(gè)范圍之內(nèi)，則程序?qū)⑵鋵?xiě)入DATABUFFER中，進(jìn)行發(fā)送。否則將其忽略，并轉(zhuǎn)向下一個(gè)坐標(biāo)值。然后進(jìn)行循環(huán)，讀取和發(fā)送下一個(gè)坐標(biāo)的數(shù)據(jù)。

　　數(shù)據(jù)接收子程序首先檢測(cè)接收狀態(tài)，如圖3所示，只有RECEIVE_ALWAYS_ON狀態(tài)時(shí)，才進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收，否則就進(jìn)入低功耗狀態(tài)。如果為其他狀態(tài)，則默認(rèn)為RECEIVE_ALWAYS_ON狀態(tài)，然后進(jìn)入檢測(cè)狀態(tài)。MC13192接收到數(shù)據(jù)后，將其存入RAM區(qū)，再通過(guò)SPI將數(shù)據(jù)傳送到MCU，然后由MCU將數(shù)據(jù)發(fā)送到PC機(jī)的緩沖區(qū)中。

　　報(bào)警子程序?qū)⒚看蜛/D轉(zhuǎn)換的值與設(shè)置的閾值進(jìn)行比較，當(dāng)其超過(guò)閾值時(shí)，便會(huì)點(diǎn)亮LED，以示報(bào)警。設(shè)定振動(dòng)閾值和范圍可以減輕系統(tǒng)的功耗。

　　4 系統(tǒng)測(cè)試

　　完成了主要的電路設(shè)計(jì)、PCB布線和電路焊接后，便可以進(jìn)行測(cè)試。經(jīng)過(guò)測(cè)試可以得到在X、Y、Z方向上所產(chǎn)生的加速度的值，這些值經(jīng)過(guò)描點(diǎn)法繪圖后，得到物體振動(dòng)的曲線如圖4所示。其中曲線2代表X軸方向上所產(chǎn)生的振動(dòng)加速度，曲線3代表Y軸方向上振動(dòng)加速度的變化，曲線1代表Z軸方向上振動(dòng)加速度的變化。當(dāng)沒(méi)有振動(dòng)產(chǎn)生的時(shí)候，X、Y、Z軸呈直線狀態(tài)。某一方向上的振動(dòng)比較激烈的時(shí)候，其振動(dòng)加速度的振幅變大，頻率也變大。從圖中就可以定性地反映出物體在3個(gè)方向上的振動(dòng)情況。

　　無(wú)線數(shù)據(jù)接收發(fā)射測(cè)試數(shù)值如表1所示。其中，數(shù)據(jù)傳送距離為100 m。