基于Zigbee的矿井通风机故障在线监测节点的设计

王辉俊，刘　佳，刘殿东

(1．华北科技学院电子信息工程学院，河北三河　101601；2．国家仪器仪表元器件质量监督检验中心，辽宁沈阳　110043)

0　引言

1　Zigbee技术

Zigbee是一种新兴的无线网络技术，短距离、低速率、低功耗[5]，主要适用于无线传感器网络、自动控制和远程控制领域。Zigbee无线网络系统中每一个网络节点相当于一个基站，在整个系统范围内，它们之间可以进行相互通信。因此，每个网络节点间的通信距离经扩展后可以实现几百米，甚至几公里[6]。Zigbee标准在制定时，就专门针对大网络扩充性和省电设计，已被业界认同为传感网络的基本通信组件，保证了ZIGBEE的独特生存空间[7]。Zigbee协议栈小于32 kB，降低了对嵌入式处理器的性能和存储容量的要求，采用通用的AES-128加密算法，确保了保密性。

2　Zigbee振动监测节点的实现

Zigbee通信功能的实现可以采用两种方案：使用专用芯片CC2530[8]和使用内部集成Zigbee功能的通用芯片，如STM32W108。在设计中使用第二种方案，即STM32W108。相对于CC2530，STM32W108芯片为32位微控制器，使用了高代码密度的Thumb-2指令集，中断响应速度快，功耗非常低，内核电压低至1．8 V，可以选择睡眠模式、待机模式等多种低功耗方式，内部自带单周期的硬件乘法器，提高了数字信号的运算速度。芯片内部还集成了多个标准和先进的通信接口：1个12位ADC、2个I2C、3个SPI、2个I2S、5个USART、1个USB、1个CAN、1个Zigbee[9]。利用STM32W108很容易设计出Zigbee监测节点，结构如图1所示。

图1　Zigbee振动监测节点结构示意图

通风机振动信号采集使用压电式加速度传感器HK9101-J，通过钢螺栓固定在基座上，其共振频率为28 kHz．信号调理电路1主要包括带通滤波电路、低通滤波电路和积分电路，对振动信号进行调理，输出冲击振动信号、加速度信号、速度信号和位移信号等模拟量。通风机转轴温度采集使用铂热电阻Pt100，通过调理电路2输出与温度成线性关系的电压信号。由于系统采用电池供电，所以还对电池输出电压进行了监测，当电量不足时发出报警，提示更换电池。监测节点控制核心采用STM32W108，由于其内部集成了6通道12位的ADC，通过配置相应的寄存器就可以实现对上述6路模拟量的转换，简化了系统硬件结构。利用片内集成的Zigbee模块和2．4 GHz PCB天线可以很方便的实现无线通讯，组建无线传感网络。地址编码电路采用8位拨码开关，可设置28个不同的地址。

3　信号调理电路设计

3．1带通滤波电路设计

设计对通风机转轴的冲击信号进行采集，通过A/D转换和快速FFT算法获取冲击振动信号特征频谱，分析其转子故障状态。由于所采用的加速度传感器HK9101-J的共振频率为28 kHz，因此设计了带通滤波电路，如图2所示。带通滤波器的中心频率f0为28 kHz，通频带为26～30 kHz，通带内起伏不大于3 dB，在不大于15 kHz和不小于38 kHz处衰减不小于20 dB，通带中心频率处的电压增益为5。

图2　带通滤波电路

带通滤波电路由低功耗运放MCP604和外围电阻电容构成二阶带通滤波[10]，运放为单电源3．3 V低电压供电。图2电路的传递函数为：

(1)

式中：Au0为电压放大倍数；B为带宽,B=2πΔf；ω0为角频率，ω0=2πf0．

卷积层之后接了一个4096维的全连接层，然后后边又全连接到一个7*7*30维的张量上。实际上这7*7就是划分的网格数，现在要在每个网格上预测目标两个可能的位置以及这个位置的目标置信度和类别，也就是每个网格预测两个目标，每个目标的信息有4维坐标信息（中心点坐标与长宽），1个是目标的置信度，还有类别数20，总共就是（4+1）*2+20=30维的向量。利用前边4096维的全图特征直接在每个网格上回归出目标检测需要的信息（边框信息加类别），这样便实现了对图像的目标检测问题。

(2)

(3)

(4)

3．2积分电路设计

根据频率与加速度、速度和位移关系的诺莫图可知，振动信号测量的精度在低频时测量位移最高，中频时测量速度最高，高频时测量加速度最高。而在设计中只使用了一个加速度传感器，因此需要通过积分电路把加速度转变为速度和位移信号，电路如图3所示。

图3　积分电路

该电路通过C3和R6在积分电路的基础上设置了一个高通滤波器，防止当输入信号中有直流分量时输出饱和，积分电路不能正常工作的现象。电路的传递函数为：

(5)

4　无线发射电路设计

4．12.4GHz天线的设计

在无线传输系统中，天线的设计尤为重要，天线部分的好坏直接影响到通信质量的好坏，如果天线设计的不好则会使得收发都无法正常进行。文中采用PCB天线，是一种倒置F型板载内置天线[11]，最大增益可达+3．3 dB，通信距离可以满足系统要求。图4是倒F天线的PCB图，表1为尺寸列表。

4．2天线匹配电路设计

由于STM32W108射频信号的接收和发送采用差分方式，而倒F天线为单端口，所以需要BALUN，完成差分到单端口的转换[12]。BALUN电路由电感(L1、L2)和电容(C5、C6、C7、C8)构成，如图5所示。

图4　倒F天线

表1　倒F天线尺寸mm

图5　天线匹配电路

5　监测节点软件设计

监测节点软件部分主要实现信号调理电路输出的冲击信号、加速度信号、速度信号和位移信号、通风机转轴温度信号以及电池电压信号的采集和ZIGBEE信号的发送等，其工作流程如图6所示。

图6　节点软件流程图

监控节点主程序开始后进行系统初始化，对AD模块和ZIGBEE模块相应寄存器的设置。然后申请入网，若入网成功则进入低功耗状态，等待中断的到来，否则继续申请入网。当有中断到来时，判断中断请求来自于板内还是板外。若是板内中断，即定时器中断则采集6路模拟量，然后发送数据给监控主机。若是板外中断，即监控主机或其它节点发送的命令，则回复ACK信号，进行相应处理，最后继续进入到休眠状态等待下次中断到来。

6　结论

文中采用二阶带通滤波器和积分电路对振动信号预处理，得到冲击振动信号、加速度、速度和位移信号，利用STM32W108片内集成的12位AD转换器采集数据并进行处理，最后通过片内ZIGBEE模块和PCB天线把数据发送给监控主机。该监测节点由于采用ZIGBEE无线通讯技术，具有良好的通用性和可扩展性，使用低功耗CPU和运放，实现了监测节点的便携化，具有较高性价比。

参考文献：

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[4]张平，蒋曙光，刘涛．基于PLC与MCGS的矿井通风机监测系统设计．矿山机械，2012(9)：32-34．

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[10]陈文渊，沈斌坚．二阶模拟带通滤波器的仿真和实现．声学与电子工程，2010( 3)：47-49．

[11]Texas instuments．2．4 GHz Inverted F Antenna DataSheet[EB/OL]．http：//www．ti．com/lit/swru120．

[12]沈建华，郝立平．STM32W无线射频ZigBee单片机原理与应用．北京：北京航空航天大学出版社，2010．