基于物联网的齿轮箱监测电路设计

曹冬梅

(钟山职业技术学院工业与信息化学院，江苏 南京 210049)

物联网是将各个传感器通过系统集成技术、图像处理技术和卫星通讯技术连接起来的人、物对话网[1]。以物联网为依托的现代通讯，尤其是无线通讯技术和无线智能网络是智能企业必不可少的重要组成部分[2]。齿轮箱是工程机械中的重要部件，承担着动力传递、升降速等多项重要工作，由于其本身结构复杂、工作环境恶劣等原因，齿轮及齿轮箱容易受到损害和出现故障[3-4]，因此将齿轮箱监测技术与物联网技术相结合解决现代企业生产过程监测难题，是现代企业发展的重点。

1 齿轮箱监测电路总体设计

大型齿轮箱是传统动力输出设备中不可替代的一个部分，齿轮箱的运行状态对整个生产线的健康运行尤为重要，故对齿轮箱的监测成为正常生产的关键。

对齿轮箱的指标监测大致分为温度、扭矩、振动、流量和压力等参数的监测，其监测要求如下：

1)监测的全面性，包含各个减速机性能指标和环境指标；

2)监测的实时性，电路设计应避免网络延时等监测干扰因素；

3)监测的灵活性，各个被监测减速机之间应组网灵活，方便一对多管理；

4)具有多指标统一报警功能和单指标显示报警功能。

根据设备各参数的特性，本电路的设计分为总

体的电源电路设计、有线传输参数电路设计、无线传输电路设计以及物联网电路设计。为了满足不同传感器的不同特性，电路设计要求如下：

1)电源电路具有通用性；

2)电路接口具有通用性；

3)物联网电路具备灵活组网功能；

4)具备短波通讯电路；

5)精准时钟控制。

对于软件则需要根据实际情况灵活设计。

图1为齿轮箱监测电路的组成。

图1 整体电路设计

2 硬件电路设计

2.1 电源电路设计

电源电路给各个电路供电，同时也为各个传感器供电。齿轮箱监测指标所采用的传感器电源电压分为24V、12V和5V 3种，各电路所需要的电源电压为5V或3.3V，本文以24V稳压电源供电，电压经变压电路变压后满足各电路或传感器的电压要求。图2为可满足各电路或传感器需求的电源电路。

图2 电源电路

2.2 有线连接电路设计

为了满足监测电路板的普遍适用性，均以4～20mA的电流信号作为有线连接电路输入条件。有线连接电路分为2个部分，分别为电流信号采集电路和电压信号稳定电路。由于不同主控芯片的电压幅值不同，设计时采用电阻分压式模式，电阻值可选，方便调节电压。一方面保证传感器的输出阻抗，另一方面保证不因电压过大而烧毁主控芯片输入引脚。电压信号稳定电路采用电压跟随电路，以普通电容和钽电容跟随滤波，保证信号稳定。图3为有线连接电路设计图，其中电阻为多阻值可调电阻。

图3 有线电路设计

2.3 短波通讯电路设计

在齿轮箱监测过程中，移动或者旋转的指标如扭矩等无法通过有线的方式直接连接传感器进行采集，因此采用无线通讯方式采集指标数值。本文设计的监测电路采用24L01短波通讯，通讯距离可以达到1 000m以上，以SPI通讯连接主控设备，可以一对一通讯，也可以一对多通讯，通讯协议为自定义通讯协议。电路图如图4所示。

图4 短波通讯电路

2.4 物联网电路设计

齿轮箱监测电路由RM04的物联网模块组成，配备1个无线传输天线、1个WAN口和1个LAN口，分为以太网和局域网2个工作模式，具备串口—以太网—无线网功能。主设备通过串口与物联网电路相连，通过WAN口和无线天线传输数据，在无线组网的网络覆盖范围内，或者局域网覆盖范围内均能快速传输数据，并且具有非常灵活的组网特性。图5为设计的物联网电路。

物联网电路中包含电平转换电路。由于物联网电路在调试阶段其他电路均不能工作，因此设计双向串口电路，以保证调试串口与工作串口的独立工作不受影响。双向串口电路如图6所示。

2.5 报警电路

报警电路的作用是当某指标值超过设计的指标上限时发出声光报警，同时在显示屏上显示出具体的指标。报警电路包含显示屏电路。

图5 物联网电路

图6 双向串口电路

为了防止高电平报警电路对低电平控制电路的影响，采用光耦隔离，保证电路的安全性能，同时采用二极管的截止特性防止电流倒灌。图7和图8分别为报警电路和显示屏电路。

图7 报警电路

图8 显示屏电路

2.6 精准时钟电路

在采用无线电路传输信号时，信号传输可能会延时，如果信号不附带时钟信息，将无法达到实时的效果。精准时钟电路采用PCF8563时钟芯片，运用I2C通讯方式与主芯片通讯，保证时钟的精确性。精准时钟电路如图9所示。

图9 精准时钟电路

2.7 主控电路

主控电路采用高性能、低功耗的嵌入式stm32f407芯片，该芯片的内核为Corter-M3，其最大时钟频率可达到168MHz，芯片采用了自适应加速器，完全能够释放内核性能，并集成浮点数运算、傅立叶变换等，具有数据传输速度快、高度集成、超强连接性特点。其基本电路如图10所示。

3 物联网组网设计

物联网组网要考虑到管理层的需求、设备中间层的需求和基层设备的需求。基于物联网的齿轮箱监测电路要求各个同级设备均具有入网的功能，对于采集设备而言应具有自组网中station功能，对于接收设备而言既要具有station功能，又需要具有Access Point功能和服务器功能。就企业而言，单纯的自组网已经不能满足监测的需要，还需要与企业内部的物联网相互关联才行。综上所述本文给出的组网模式如图11所示。

图10 主控电路

图11 物联网组网模式

4 软件设计

软件的功能是让主控芯片采集各个指标的数据，判断分析数据，向报警电路发出指令，同时对数据进行校验、将数据打包发送至物联网电路，再由物联网电路将数据发出，其流程如图12所示。

图12 程序流程

5 监测结果

将本文设计的监测电路用于齿轮箱的监测，得到其转速、扭矩、功率和温度指标的曲线如图13所示。

图13 监测曲线图

6 结束语

本文对基于物联网的齿轮箱监测电路进行了设计，该电路对齿轮箱的监测虽然达到一定的效果，但是仍然有改善的空间，后期将针对数据加密与数据的稳定性加以改进，以达到更好的应用效果。

参考文献：

[1] 解自国，颜礼松.物联网技术应用前景分析[J].电子工业专用设备，2012(7):8-11.

[2] 燕妮.浅谈物联网技术的应用研究[J].机械与电子，2013(10):81-82.

[3] 石磊，向阳.齿轮箱在线监测诊断方法研究与系统设计[J].武汉理工大学学报，2012(9):123-127.

[4] 钟秉林，黄 仁．机械故障诊断学[M]．北京：机械工业出版社，1997.