一种低功耗无线振动监测网络的实现方法*

,

(广州海格通信集团股份有限公司，广州 510000)

引 言

机械设备在工业生产领域起着重要作用，随着设备功能、性能的不断提高，其结构更为复杂，故障造成的损失也越来越大。早期的设备维护比较简单，主要靠人工进行巡检，定时对设备工作情况进行记录，并制定保养计划，能够大大降低事故率。

在故障监测技术的推动下，对设备的维护手段从预防性维护过渡到了预知性维护[1]，即对设备进行状态监测，通过状态信息的变化预知设备可能出现的故障，进而进行设备维护，极大地减少了事故概率，降低了维护成本。

传统的设备监测系统采用有线传输的方式进行设备状态信息的传输，布线复杂、施工维护难度较大。近期广泛采用的无线传输技术能够有效解决上述问题。由于待监测设备在位置上具有分散性，且待监测设备不断增多，监测终端的续航能力以及整个监测网络的通信能力，在设备振动监测领域有着重要的研究价值。

本文根据某单位机械设备运行的实际情况，设计出一种基于MF-TDMA方式的无线振动监测网络，具有网络规模大、低功耗、低成本、便于安装等优点。

1 系统原理

系统结构如图1所示。该单位有多个厂区，每个厂区具有多台机械设备，每台机械设备有多个监测点。每个监测点需要每隔5分钟采集一组设备温度、三轴加速度等信息；每隔30分钟完成一次数据上报，数据信息异步汇总到总部计算机上以完成数据存储与分析。

设计无线监测网络分为三级结构，位于总部的信息处理中心为一台计算机，通过以太网络收集各路信息进行数据分析及异常告警；监测网关位于各厂区地理中心且具备有线网络连接的空旷位置，以便可靠接收各监测终端无线传输的信息；监测终端安装在各机械设备需要监测的位置。

图1 系统结构图

每个厂区分别组成独立的无线网络，厂区监测网关与信息处理中心能够通过TCP/IP方式实时通信。监测网关具备多个无线传输通道，其通道数可以根据网络规模增删(至少2个)。如图1所示，载波f1作为监测网关信令传输通道，定时广播本网络时钟信息，用于网络设备时钟同步(精确到秒级即可)，这是TDMA实现的基础；同时，各监测终端在开机入网时，也使用载波f1通过竞争Aloha方式入网，入网成功后监测网关分配频率与时间资源给该监测终端，用于后续数据传输。监测网关在4个上报周期(2小时)内未收到监测终端发来的信息时，认定该监测终端已经退网，并进行资源回收。

为防止监测终端信息上报过程中在空中发生碰撞，监测网关按照每个接收频率在每秒仅有一个监测终端上报时进行设计。这样预留足够的保护间隔，每增加一个接收频率便可以增加支持1 800个监测终端。用户可根据网络规模的大小设定网关接收频率的个数。在频率定义时需注意合理设置以减少相互干扰产生的影响。

2 网关设计

图2 网关硬件结构框图

网关设备硬件结构如图2所示。采用STM32F107作为核心处理器，该芯片是意法半导体基于ARM Cortex-M3的32位嵌入式处理器，主频达72 MHz、90 dmps。它具有256 KB闪存程序存储器、20 KB的数据存储器及64 KB RAM[2]。外围接口丰富，价格仅与8位单片机相当，性价比极高。

网络接口芯片采用W5500，该芯片具备高速 SPI 接口、32 KB Tx/Rx缓存、8 路独立 Socket、10BaseT/100BaseTX 以太网 PHY，支持TCP及UDP传输。

无线传输模块采用SI4463无线收发芯片,支持GFSK/2-FSK/OOK三种调制模式,支持315/433、868/915 MHz多个工作频段[3]。实际使用时可选用免执照频段[4]，可以根据网络容量对该模块的数量进行增删(最低两个)。

SD卡模块用于当联系不到信息处理中心时，数据暂存，当恢复联系时再进行数据传送。

按键及显示模块用于频点设置、网络状态查询等，可根据需要选配。网关设备需要直流电源输入。

监测网关软件主流程设计如下：

① 启动μC-OS操作系统；

② 外设初始化；

③ 获取信息处理中心时间等信息；

④ 建立按键及显示线程；

⑤ 建立数据接收线程；

⑥ 建立信息广播及信令处理线程；

⑦ 所有线程启动。

下面讲述主要关键过程。数据接收线程主流程如下：

① 置所有数据接收通道SI4463为接收状态;

② 等待收中断事件发生，若等待超时跳转到第6步;

③ 若中断发生，判断是哪一个通道接收中断;

④ 接收该通道数据;

⑤ 尝试把数据送到数据处理中心；若发送失败，转存入SD卡;

⑥ 尝试把SD卡数据传送到数据处理中心；若传送成功，清除SD卡内该条数据;

⑦ 返回到第①步。

建立信息广播及信令处理线程主流程如下：

① 置广播通道SI4463为接收状态；

② 查询是否有接收中断,如无，进入第⑤步；

③ 若有接收中断，进行信令解析处理；

④ 若是入网信令(或在线列表中不存在该站，需要做入网处理)，计算可用通道，下发资源分配策略；

⑤ 定时时间到，发送时钟信息广播。

3 终端设计

终端硬件结构如图3所示。典型的无线传感器网络节点由数据采集、处理、传输和电源等部分组成[5]。本设计采用STM32L152作为核心处理器，该芯片是一款功能丰富的低功耗芯片[6]，在stop模式下电流实测可以低达100 nA，并且还可以支持16个外部中断唤醒。采用ADXL345作为振动监测传感器，采用廉价的热敏电阻电路进行常规温度检测。硬件设计了各模块的电源管理电路,以满足低功耗控制要求。

图3 终端硬件结构框图

监测终端软件主流程如下：

① 硬件初始化；

② 执行入网过程，初始化时间；

③ 外设初始化；

④ 判断采集数据定时时间是否到，若未到跳转到第⑩步，否则执行下一步；

⑤ 采集监测数据；

⑥ 判断数据上报时间是否到，若未到跳转到第⑩步，否则执行下一步；

⑦ 上报数据给网关；

⑧ 若上报数据成果跳转到第⑩步，否则执行下一步；

⑨ 存储未传送到网关的数据到EEPROM；

⑩ 设定下一次唤醒的时间(闹钟)；

入网流程设计如下：

① 初始化接收通道号。

② 监听网关发来的时钟信息广播,判断指定时间内

是否收到时钟信息广播。若未收到，切换到下一个接收通道号，继续监听。搜索一轮后完成没有接收到广播时的休眠指定时间监听过程。

③ 已经接收到时钟信息广播，发送入网申请。

④ 若收到入网信息成功应答，执行第⑤步。若未收到入网成功应答，重复发送入网申请。若超过3次未应答成功，则跳转到第②步。

⑤ 解析入网应答，得到命令通道号、业务通道号、时间资源分配等信息。

⑥ 入网流程结束。

结 语

该方法采用MF-TDMA方式实现了廉价低、功耗分布式信息采集系统，该系统网络规模易于扩充，终端设备形态小，安装方便,有效地解决了设备故障监测问题，减少人力资源消耗，节约管理成本。

参考文献

[1] 徐亮. 基于ZigBee的无线振动监测网络设计与实现[D]. 北京：北京化工大学,2015.

[2] STMicroelectronics Inc. STM32F107XX DataSheet, 2009.

[3] 吴建锋, 罗小文. 基于SI4463的新型物联网组网方式[J]. 电子世界, 2016(5): 137-139.

[4] 王平, 王峰, 严冬. 433MHz物联网开发平台的设计与开发[J]. 单片机与嵌入式系统应用, 2012(7): 16-19.

[5] 史永彬, 叶湘滨. 基于MSP430的无线传感器网络设计[J]. 单片机与嵌入式系统应用, 2006(7): 5-7.

[6] 肖星. STM32L152和SI4432的无线网络系统设计[J]. 单片机与嵌入式系统应用, 2011 (8): 48-51.

贺翔(中级工程师)，主要从事嵌入式系统方案的设计与开发；谢奕钊(中级工程师)，主要从事嵌入式硬件开发。