0 引言
對電力設備的運行狀態進行有效檢測進而進行機械設備故障診斷，在故障初期發現、解決問題。熱電廠輸煤系統設備繁多且分布離散，所處環境惡劣，高粉塵、高電磁干擾，對于輸煤系統設備檢測大多是根據其機械振動情況來判斷設備運行狀況的好壞。
文中介紹了一種基于Zigbee無線模塊的低功耗、高可靠性的振動信號采集與處理系統，采用內裝Ic壓電加速度傳感器，實現對設備振動信號的采集，采集信號處理后，一方面通過Zigbee無線模塊將數據傳到PC機上，一方面通過顯示終端LCD屏顯示當前檢測設備的振動加速度值。系統設計體積較小，方便攜帶；功耗低，可以直接用電池供電。在檢測過程中可以對設備進行隨機監測，有效提高了設備故障診斷的準確性和效率，從而提高了設備正常穩定工作的安全性；減少了巡檢人員的勞動強度，使管理更科學化、人性化。
1 硬件設計
系統主要由5個部分組成，分別是Zigbee無線數據采集、按鍵選擇、數據顯示和數據傳輸等部分。Zigbee無線數據采集部采用內裝Ic壓電加速度傳感器SDl4N14采集設備運行時的振動信息；數據處理部分是系統核心部分，ATmegal28單片機為系統主處理器；數據顯示部分選用LCDl2864顯示屏作為顯示終端；選用觸發按鍵作為人機交互終端；數據傳輸采用Zigbee無線模塊實現無線實時傳輸。系統整體結構框圖如圖I所示。
圖1 系統整體結構框圖
1．1 Zigbee無線數據采集電路設計
選用內裝IC式壓電加速度傳感器SDl4N14作為系統信號Zigbee無線數據采集的終端節點，內裝Ic壓電式傳感器抗干擾能力強，采集信號靈敏度高；BNC型傳感器接口，一根電源線同時也是信號線，一根地線(外殼接地)，接口簡單且能有效抑制干擾。由傳感器輸出電壓信號經NE5532一級跟隨后，交流耦合去除直流干擾信號，后經電阻R10、R11分壓抬升2．5 V，以滿足AD轉換只采樣正電壓要求，再經一級跟隨后接到TLC2543(AVDC)轉換，單片機讀取表示當前機械振動的數據信息，其中耦合電容C0的選擇與采集振動頻率范圍有直接關系。Zigbee無線數據采集電路見圖2。
圖2 信號采集電路
1．2 數據顯示電路設計
為提高系統的工作性能，使其在檢測過程中能夠實時看到檢測數據的變化，在設計時加入了顯示模塊，選用內置ST7920控制器LCDl2864ZB作為系統顯示端口，顯示振動加速度值，以及由振動加速度值積分得到的速度值、位移值，顯示部分電路設計如圖3所示。
圈3 振動加速度數據顯示和無線傳輸電路
PD5、PD6、PD7分別是串行時鐘線、串行數據線、片選線，tV5用來控制液晶屏背光的亮滅，當30 s內沒有任何按鍵操作，則背光自動關閉，達到降低功耗的目的。
1．3 振動加速度數據傳輸電路設計
由于系統在使用過程中要實現可以隨機移動對設備進行檢測而又不影響PC監測主機對檢測數據的接收，有線傳輸由于布線的原因不能夠滿足設計要求。同時，近年來，無線傳感器網絡技術發展迅速，運用無線傳感網絡技術可對數據進行穩定傳輸。因此，綜合實際考慮，系統選用Zigbee數傳模塊傳感網絡傳輸振動加速度采集的數據。文中選用Zigbee無線模塊 CC2530，它集成了業界增強8051 CPU，有2路UATR和1路SH通信模式，定時計數等功能，適應2．4 GHz IEEE 802．15．4的RF收發協議，極高的收發頻率有效的抑制干擾。TXD、RXD分別與Atmegal28引腳的PD2、PD3相連接，由于Atmegal28是5 V電壓工作，CC2530是3．3 V電壓工作，兩者電壓不匹配，采用R17、R16分壓用于匹配兩者之間通信電平。
在PC機處設有接收終端，與PC機通過串口線進行數據傳輸。
1．4按鍵設計與信號處理系統
在工作過程中有時需要手動完成一些設置，比如控制采集頻率，是否進行數據傳輸等，為此設計了功能按鍵，按鍵一端接單片機外部中斷引腳，一端接地，電路簡單。信號處理主要分為硬件和軟件上的處理，在硬件上主要有電源的升壓、穩壓、濾波，PCB板抗干擾設計等；軟件上主要是對傳感器采集到的數據進行數字濾波，電壓值轉換到相應的振動加速度值。
2 軟件設計
基于Atmegal28單片機的軟件開發采用AVR Studio，基于CC2530系列無線傳感模塊集成開發采用IAR for 8051。其軟件流程如圖4所示。
圖4 系統軟件主流程圖
在整個系統中，主要是通過Atmegal28來控制A／DC轉換和通過CC2530來傳輸處理后數據。TLC2543轉換精度為12位，與單片機通過SPI方式通訊，讀取A／D轉換速率為20000次／s．為保證最高的轉換精度，設置轉換數據的輸出位數為2個字節，即16位，數據的高四位為空。CC2530無線傳輸主要是傳輸處理后數據到節點再由節點傳輸到接收終端，接收終端也可向發送終端發送命令，監控發送終端節點運行狀況。自動模式下發送終端每隔1 s自動向接收終端發送一次存在于Atmegal28緩沖區的數據；手動模式下，巡檢人員根據要檢測設備情況手動選擇要發送的檢測設備數據。
3 實驗結果
振動加速度數據的采集在JZK-20型激振平臺上經行測試。激振平臺由函數發生器產生標準正弦信號源，經YE5872型功率放大器放大后傳送給激振器，激勵激振器產生豎直方向的簡諧振動。SDl4N14傳感器固定在激振器接口上采集激振器振動加速度信號。
圖5 1 g加速度下不同頻率實驗對比
圖5為l g加速度下不同頻率試驗對比。通過調節函數信號發生器的頻率和幅值和功率放大器的放大倍數來控制激振器振動的頻率和幅度，圖5是截取部分無線傳輸到PC機上的實驗數據，通過Maflab仿真出振動加速度傳感器采集處理后的振動數據與驅動激振器的標準函數信號對比圖。由圖5中曲線對比分析可知，在相同振幅1 g的情況下，振動頻率由9．7 Hz到10 kHz振動加速度傳感器均可采集到振動的峰值，且與理論值相吻合，滿足檢測準確度要求。圖5曲線中，虛線表示理論值，實線表示測量值。
4 結束語
文中介紹了一種基于Zigbee無線模塊的機械設備故障預警中的振動信號Zigbee無線數據采集與處理系統。通過反復的實驗數據對比分析可知，該系統可以有效準確地采集、傳輸振動加速度信號，滿足熱電廠輸煤系統機械設備故障診斷的要求。Zigbee數傳模塊的應用提升數據傳輸的實時性。同時，該系統不僅應用在熱電廠輸煤系統中，在碼頭等地也有很廣闊的應用前景。