基于WSN技术的离心泵群监控系统设计

金维鑫，孙 铁，张素香，孟庆娟

（1．辽宁石油化工大学 辽宁 抚顺 113001；2．抚顺职业技术学院 辽宁 抚顺 113122）

基于WSN技术的离心泵群监控系统设计

金维鑫1，孙 铁1，张素香1，孟庆娟2

（1．辽宁石油化工大学 辽宁 抚顺 113001；2．抚顺职业技术学院 辽宁 抚顺 113122）

针对传统的工业智能化监测及自动化水平低等问题，本文采用了基于zigbee的无线传感网络节点技术（wireless sensor network，WSN）设计了离心泵群安全监控系统。该系统由上位机、zigbee模块、温度传感器、振动传感器节点组成。通过温度、振动传感器检测泵的轴温及振动参数，经由zigbee网络将该节点的数据打包实时的发送到上位机。所监测到的参数一旦超出上位机所设定的阈值时，系统就会发出异常警报。试验说明该系统自动化水平高，误差小，能有效的判断泵的异常情况，为泵的智能监控提供了一定基础。

WSN；泵监测；振动；Zigbee

当今社会，随着物联网的出现无线传感网络将被更广泛的应用［1-2］。石化生产过程中的安全监测是必不可少的环节，对于生产地域分散，地形复杂，环境恶劣、旋转机械来说工业现场的检测一般是通过现场总线方式或工业以太网的方式，但这两种方式都有连线复杂、布线繁琐，维护成本高等缺点［3］。为此提出基于Zigbee无线传感网络的智能监控系统。Zigbee是一种无线组网通信技术［4］，无线传感器网络是一种新型网络［5］，且其具有低功耗、低成本等特点，Zigbee网络和无线传感器相结合组成无线网络，不仅弥补了有线网络的缺点和不足，还为工业现场离心泵群的智能监测提供了无线链路及灵活的网络拓扑结构，使数据的自动采集、分析及处理变得更加灵活高效，大大地节省了监测成本，该系统通过对泵振动信号进行分析处理能够确定故障原因［6］。该系统可以成为泵参数安全监测的重要组成部分。

1　泵监测控制方案

1.1传输协议构架

无线传感器网络是基于IEEE802．15．4通讯协议的无线传输技术［7］，该网络是在无须注册的免费的2．4 GHz的频段上工作的，在2．4 GHz频率上每隔5 MHz为一个信道，在该频段上共定义了16个信道。数据传输速率为250kbit/s～10Mbit/s，传输距离为10～75 m。相对于其他通信标准，Zigbee协议结构更加紧凑，其包括IEEE802．15．4标准定义的物理层（PHY）、媒体介入层（MAC），及Zigbee联盟定义的网络层（NWK）和应用层（APP），应用层又包括应用支持子层（APS）、Zigbee设备对象（ZDO）和由制造商制定的应用对象等，而我们对于无线模块编程主要是在应用层（APP）上进行。

为了防止无线信号传输不稳定甚至是传输系统崩溃等问题，该无线传输终端地址不采用自主随机分配短地址而是提前分配好地址。

1.2泵智能监测总体设计方案

离心泵群智能监测及控制方案应该遵循Zigbee协议，及安装简便等原则，将Zigbee终端节点模块上的温度传感器安装在泵的转子轴上测量轴温，将振动传感器分别安装在转子的径向，切向及轴向3个方向来测量转子的振动情况。泵安装终端节点模块通过ZigBee协议实现微处理器与协调器节点模块的信息交互。协调器处理终端传来数据然后再将数据传到计算机上进行控制。基本方案流程如图1所示。

图1　离心泵群监测方案流程图Fig．1　Flow chart of the centrifugal pump group monitoring program

2　无线网络节点硬件设计

无线传感器节点采用的都是工业级的zigbee节点，无线传感器节点硬件是以内核作为控制中心，同时由温度传感器、振动传感器、无线通信模块CC2530、ADC数模转换器、电池管理单元等组成。

每个无线通信节点都有唯一的通信地址，通过八位拨号开关来进行设置。无线通信模块的核心是CC2530射频发射器，它是一款适用于Zigbee产品的无线射频器件，该收发器兼容IEEE802．15．4，另外还提供MCU和无线设备之间的接口，使得可以发送命令，自动操作，读取状态和确定无线设备事件顺序。工作在免费的2．4 GHz频段上，具有工作电压低，能耗小，稳定性高等优点。

单片机8051是负责处理协调各模块之间的工作与通信模块CC2530的串口连接，访问内部存储器及寄存器，支持250kbps的数据传输率，可实现点对点通信也可以实现广播通信，可以快速组网。芯片引脚P0．1与数字温度传感器DS18B20（防水型）相连，同时芯片引脚P0．2与加速度传感器ADXL345直接相连，ADXL345加速度传感器频率响应范围是1 Hz～10 kHz，最大测量范围为100 g。这些参数通过数模转换器转传到中央芯片进行处理打包传到上位机。

3　软件设计

3.1下位机设计

本实验是在IAR Embedded Workbench的环境下对于Zigbee技术进行集成开发的，该开发环境具有简单明了、结构清晰等特点，是高效的IAR C/C++编译器。下位机主要有3类无线模块，包括无线协调器模块、无线路由器模块、无线终端模块。其中无线协调器模块是无线传感网络的核心部分，它是整个网络的中心，无线协调器模块负责建立无线网络，它实现了网络自组织协议，其他路由模块可按照协议加入这个网络当中，并且将其网络拓扑结构设为网状结构，网络中所有的数据都是通过组网然后传到无线协调器上。无线协调器模块的广播也需要进行设置，其主要代码：

无线协调器模块在监听到本地计算机消息的同时还要监听无线路由模块的消息，无线路由器模块一旦接收到数据，就会将数据转发给无线协调器。由于本设计采用了十二个无线路由模块，所以协调器模块在监听无线路由模块时还需要进行地址解析，判断数据从哪个路由模块传来的，接收到之后再将数据编码发送给计算机，这样无线协调器模块就实现了数据的双向流通。对无限监听模块的地址解析主要代码是

无线协调器模块通过RS232串口与本地上位机连接，本实验是通过USB转串口工具连接的，通过USB转串口传到上位机上显示，同时无线协调器模块还能负责将上位机的命令消息转发给无线路由模块。其主要代码：

无线路由模块就是整个网络之间进行数据传输的中转站，负责整个网络之间的数据连接，这部分的功能主要由ZigBee协议来完成。当无线路由模块直接与传感器相连时它就成了无线终端模块，负责采集数据和发送数据。

3.2上位机界面设计

上位机界面设计是在VC++6．0的环境中进行编译开发的，通过VC++利用MFC设计而成。上位机的功能主要是显示泵的轴温度，振动烈度等参数，同时为用户提供控件，用户可使用控件开启传输串口，关闭串口。温度和振动烈度的监测是自动的，当轴温度和振动烈度任何一个值超过我所设置的上下限时就会自动报警关闭工作泵。是否自动报警也是用户通过按钮控件控制的。具体操作界面及实时数据如图2所示，数据是否能够传输主要取决于串口正确接收到下位机中协调器的数据，其主要是对波特率以及信号发送格式的设置，其主要代码如下：

图2　上位机界面图Fig．2　Interface chart of the PC

4　实验结果与数据分析

泵在不同的工况下，离心泵在线监测系统与振动测试仪采集数据对比如表1所示。

表1　数据误差分析表Tab.1　Analysis of the data error

从表1中的对比误差分析可以知道，离心泵的在线振动监测系统测试数据与振动测试仪所采集的数据误差在4%以内，基本满足工程上的要求。

表2　泵在不同状态下的数据Tab.2　Data of pump under different status

从表2中可以看出，泵在转子发生偏心，口环摩擦严重时，泵的轴向振动相对于正常情况下的振动无大的变化，径向的振动较正常状态下有小幅增加，而切向的振动较正常状态下有明显的增加。同时口环摩擦及转子偏心时温度增加明显。本次试验振动的正常烈度为1．8 mm/s以内，正常温度不超过60℃，对泵轴3个方向测试数值任何一个超过该阈值或泵轴的温度超过阈值，就认为离心泵就存在故障，系统就会报警同时关停泵，能够达到自动控制。

5　结　论

文中的离心泵检测系统基于无线传感节点设计，利用IAR和Microsoft Visual C++6．0设计开发监控软件，系统具有可靠性，稳定性及可移植性，省去了现场布线的麻烦，通过对实验台架模拟泵测试分析可知对泵的振动参数及轴温的监测可以实现泵的异常状态的鉴别并且给予有效地反馈措施，为泵的无线故障监测提供了有效手段。

［1］郑凯．基于zigbee无线传感器技术的心电监护网络的研究［D］．吉林：吉林大学，2008．

［2］韩宾，黄玉清．基于蓝牙的机器人传感网络设计［J］．通信技术，2008，41（6）:164-166．

［3］贺才军，方厚辉，管于球，等．ZigBee技术在工业监控网络中的应用［J］．计算机系统应用，2010，19（5）:179-182．

［4］Chia-Ming Wu，Ruay-Shiung Chang，et al．An innovative scheme for increasing connectivity and life of ZigBee networks［D］．2011：136-153．

［5］Shizhong Chen，Jinmei Yao，Yuhou Wu．Analysis of the Power Consumption for Wireless Sensor Network Node Based on Zigbee［C］．Procedia Engineering，2012：1994-1998．

［6］马建仓，刘小龙．航空发动机转子振动信号的早期故障分析［J］．计算机测量与控制，2010，18（2）:276-279．

［7］凌志浩，周怡颋，郑丽国．ZigBee无线通信技术及其应用研究［J］．华东理工大学学报:自然科学版，2006，32（7）：801-805．

The design of the centrifugal pump group of monitoring system based on WSN

JIN Wei-xin1，SUN Tie1，ZHANG Su-xiang1，MENG Qing-juan2
（1．Liaoning Shihua University，Fushun 113001，China；2．Fushun Vocational Technical Institute，Fushun 113122，China）

In view of the traditional industrial intelligent monitoring and low automation level，this paper designs pump group safety monitoring system of wireless sensor network（WSN）based on zigbee technology．zigbee module，temperature sensor，vibration sensor nodes are consisted in the system of PC．By temperature and vibration sensors，pump shaft temperature and vibration parameters is sent to PC through the zigbee network node data real-time packaging．when the parameter detected is out threshold of setting in my PC，the system will send out abnormal alarm．Experiments show that the system has high automation level，small error，the anomalies of the judgment of the pump effectively，providing a basis for intelligent monitoring of the pump．

WSN；pump monitoring；vibration；Zigbee

TN92

A

1674－6236（2016）02-0055-03

2015-03-06稿件编号：201503088

中国石油化工股份有限公司科技公关项目（311084）

金维鑫（1989—），男，辽宁抚顺人，硕士。研究方向：石化设备安全研究。