張陳寶，崔漢國(guó)，明廷鋒，陸 杰

(海軍工程大學(xué) 動(dòng)力工程學(xué)院，湖北 武漢 430033)

機(jī)電設(shè)備是船舶最為重要的一部分，它的穩(wěn)定工作為船舶安全行駛、船員正常生活工作提供重要保障，因此對(duì)船舶機(jī)電設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)意義重大。目前，對(duì)于船舶機(jī)電設(shè)備的監(jiān)測(cè)大多采用的是CAN現(xiàn)場(chǎng)總線的方式[1]，然而艙室中的電機(jī)、風(fēng)機(jī)、水泵和油泵等機(jī)電設(shè)備遍布各個(gè)艙室，電纜的鋪設(shè)量大、保養(yǎng)維護(hù)難、設(shè)備成本高、且易影響人員正常工作。而對(duì)船舶機(jī)電設(shè)備進(jìn)行巡檢，不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)機(jī)電設(shè)備可能存在的問(wèn)題，且該監(jiān)測(cè)實(shí)施方案耗時(shí)長(zhǎng)，工作量大。針對(duì)以上現(xiàn)象，將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)引入到機(jī)電設(shè)備的振動(dòng)監(jiān)測(cè)來(lái)構(gòu)建無(wú)線、分布式實(shí)時(shí)振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)成為一種可解決的思路。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)[2]自20世紀(jì)70年代發(fā)展以來(lái)，因其全新的信息獲取和處理方式，克服了有線監(jiān)測(cè)設(shè)備的不足，布置靈活、安裝維護(hù)方便、成本較低，可以在無(wú)人監(jiān)管的狀態(tài)下安全穩(wěn)定工作，目前在工業(yè)生產(chǎn)、國(guó)防軍事、環(huán)境監(jiān)測(cè)、衛(wèi)生醫(yī)療和交通管理等領(lǐng)域都有所應(yīng)用[3-5]。但是當(dāng)前無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)自身發(fā)展還有待提高，現(xiàn)有的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)大多是監(jiān)測(cè)溫度、濕度、壓力和光強(qiáng)度等緩慢信號(hào)量，針對(duì)振動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)較少，且主要是針對(duì)高樓、橋梁[6]等一些大型建筑物的低頻振動(dòng)監(jiān)測(cè)。市場(chǎng)上現(xiàn)有的無(wú)線振動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，專業(yè)性不強(qiáng)，且體積偏大，不宜用于船舶上實(shí)際布置安裝。

本文針對(duì)船舶機(jī)艙的特殊環(huán)境和設(shè)備，對(duì)現(xiàn)有無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)一套高性能無(wú)線振動(dòng)采集節(jié)點(diǎn)，目的在于解決現(xiàn)有無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)存在的不足，探索將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)用于船舶機(jī)電設(shè)備實(shí)時(shí)振動(dòng)監(jiān)測(cè)，以船舶現(xiàn)有機(jī)電設(shè)備振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的有線傳感器節(jié)點(diǎn)為比較對(duì)象，驗(yàn)證無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)振動(dòng)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)在船舶機(jī)電設(shè)備振動(dòng)監(jiān)測(cè)應(yīng)用的可行性。

1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)模式是在嵌入式操作系統(tǒng)、數(shù)字電路、無(wú)線通信、傳感器、分布式信息處理等技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新穎的獲取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的方法，它兼具低成本、低功耗、多功能的特點(diǎn)，通過(guò)大量分布式的傳感器自組網(wǎng)和多跳方式，以無(wú)線傳輸?shù)姆绞綄⒉杉畔⒘堪l(fā)送給上位機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)感知對(duì)象的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。其中無(wú)線振動(dòng)監(jiān)測(cè)對(duì)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)高頻采集、高效處理、可靠傳輸提出了更高的要求。

1.1 系統(tǒng)構(gòu)架

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由若干無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)振動(dòng)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)及上位機(jī)監(jiān)控中心構(gòu)成[7]，如圖1所示。

圖1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)架

本文以4個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)為例，其中監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)將機(jī)電設(shè)備的振動(dòng)信息采集、處理，后通過(guò)無(wú)線傳輸?shù)姆绞綄?shù)據(jù)包傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的主要功能是對(duì)加入該無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)發(fā)送命令、接收節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包，并通過(guò)串口的方式傳輸?shù)缴衔粰C(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、顯示以及存儲(chǔ)等，通過(guò)在上位機(jī)監(jiān)控中心發(fā)布命令，完成無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組網(wǎng)、數(shù)據(jù)的采集、傳輸及綜合分析處理，顯示機(jī)電設(shè)備振動(dòng)情況，發(fā)布預(yù)警信息。

1.2 無(wú)線傳感器監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)

傳統(tǒng)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)大多以單片機(jī)為核心硬件，資源不足；存儲(chǔ)空間小，采樣頻率低；功耗過(guò)大，且缺乏有效的電源管理。本文設(shè)計(jì)的無(wú)線傳感器監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)實(shí)物如圖2所示。

圖2 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)實(shí)物

采用雙核心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，由主板上基于ARM Cortex M4內(nèi)核的STM32F405RGT6微控制器和無(wú)線通訊模塊中TI CC2430集成的8051微處理器組成。STM32是一款高性能、低功耗、低成本的微處理器，內(nèi)部集成了高達(dá)1 MB的可編程Flash和192 KB的SRAM，足以滿足監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)處理的要求，且有豐富的外部設(shè)備接口。CC2430是專門針對(duì)IEEE 802.15.4應(yīng)用設(shè)計(jì)的片上系統(tǒng)，它采用2.4 GHz直接序列擴(kuò)頻(DSSS)的調(diào)制格式，具有極高的接收靈敏度和抗干擾性能，數(shù)據(jù)傳輸速率理論最高可達(dá)250 Kbps。為了滿足機(jī)電設(shè)備的高采樣頻率，節(jié)點(diǎn)采用獨(dú)立的A/D轉(zhuǎn)換器AD7982，它是一款快速、低功耗、精密18位AD、逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，最高采樣率可達(dá)1 000 ksps， 搭配8 G的SD存儲(chǔ)卡，可以將采集的數(shù)據(jù)暫時(shí)儲(chǔ)存，待收到傳輸命令后將數(shù)據(jù)量無(wú)線傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。此外，一個(gè)比較突出的優(yōu)勢(shì)是節(jié)點(diǎn)的能量管理方面。除采用低功耗的組件，監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)采用了2節(jié)3.7 V的可充電鋰電池串聯(lián)供電，選擇了開關(guān)穩(wěn)壓電路和線性穩(wěn)壓器件組合的方式為各個(gè)模塊供電，保證了節(jié)點(diǎn)較高的電源轉(zhuǎn)換效率且兼顧了敏感電路對(duì)電源質(zhì)量的要求。監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)設(shè)置了多個(gè)工作模式，在休眠狀態(tài)下關(guān)閉其他模塊、保持無(wú)線通訊模塊低耗連接，從而保證節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作。

本文設(shè)計(jì)的無(wú)線傳感器監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)采用模塊化設(shè)計(jì)，如圖3所示，它包括數(shù)據(jù)采集模塊、微處理器模塊、無(wú)線通訊模塊、能量供應(yīng)模塊。數(shù)據(jù)采集模塊包括傳感器和A/D轉(zhuǎn)換器兩部分，主要用于感知及獲取無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的振動(dòng)信息，并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)；微處理器模塊主要由微處理器和存儲(chǔ)器兩部分組成，其功能一方面是協(xié)調(diào)各功能模塊的有序工作，另一方面則是將采集到的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理、存儲(chǔ)；無(wú)線通訊模塊包括無(wú)線收發(fā)器，主要負(fù)責(zé)與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，完成無(wú)線組網(wǎng)，命令收發(fā)和數(shù)據(jù)傳輸；能量供應(yīng)模塊則主要是為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)各工作模塊提供工作所需要的能量。

圖3 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成

1.3 軟件設(shè)計(jì)

本文無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的總體方案主要包括監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)和上位機(jī)監(jiān)控中心2個(gè)方面的設(shè)計(jì)。節(jié)點(diǎn)上主要包括數(shù)據(jù)采集程序、接口程序、節(jié)點(diǎn)主程序、無(wú)線通訊程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序，其中使用了穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的，具有嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的μC/OS-II。采用Visual Studio開發(fā)工具設(shè)計(jì)了上位機(jī)軟件，功能包括節(jié)點(diǎn)拓?fù)涔芾?、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、數(shù)據(jù)頻譜分析和數(shù)據(jù)儲(chǔ)存等。

2 船舶機(jī)電設(shè)備振動(dòng)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)

本文振動(dòng)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)是在某型船舶動(dòng)力艙室的機(jī)電設(shè)備上完成的，包括實(shí)驗(yàn)測(cè)點(diǎn)的選取、傳感器的安裝、信號(hào)采集、數(shù)據(jù)處理方面有序開展，從系統(tǒng)組網(wǎng)、采集傳輸、可靠性方面，對(duì)無(wú)線與有線振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行比較。

2.1 實(shí)驗(yàn)搭建

實(shí)驗(yàn)選取低噪聲三相異步電動(dòng)機(jī)和立式往復(fù)艙底泵配套工作的組合設(shè)備為測(cè)試對(duì)象，為了有效采集振動(dòng)情況，分別在軸承座和電機(jī)中線上方布置4個(gè)測(cè)點(diǎn)。為驗(yàn)證無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱無(wú)線振動(dòng)系統(tǒng))無(wú)線組網(wǎng)、抗干擾性能及數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確性，分別在每個(gè)測(cè)點(diǎn)位置布置2個(gè)傳感器，如圖4所示，一個(gè)接入無(wú)線振動(dòng)系統(tǒng)，一個(gè)接入有線振動(dòng)系統(tǒng)。本文選用的有線振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)備具有8個(gè)輸入通道(本文用其中4個(gè)通道)。無(wú)線振動(dòng)系統(tǒng)由4個(gè)無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)、1個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和上位機(jī)監(jiān)控中心組成。

圖4 實(shí)驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置圖

本文實(shí)驗(yàn)采用的傳感器是EA-YD-185型ICP傳感器，內(nèi)置集成電路的加速度計(jì)，靈敏度高，頻率響應(yīng)帶寬可達(dá)10 kHz，足以滿足機(jī)電設(shè)備的振動(dòng)數(shù)據(jù)采集，實(shí)驗(yàn)中無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采樣頻率設(shè)置為10 kHz，采樣模式設(shè)置為定長(zhǎng)采樣，有線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采樣頻率設(shè)置為12.8 kHz，安裝方式均為螺栓固定。

2.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集測(cè)試分析

2.2.1 無(wú)線組網(wǎng)測(cè)試

將艙室中機(jī)電設(shè)備打開，在艙室內(nèi)部形成水回路循環(huán)，模擬在水下作業(yè)時(shí)環(huán)境。打開無(wú)線振動(dòng)系統(tǒng)上位機(jī)軟件，發(fā)送組網(wǎng)連接命令，4個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)7、8、9、10號(hào)依次接入無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，圖5顯示4個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)顯示的圖標(biāo)與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)G是實(shí)線相連，表示4個(gè)節(jié)點(diǎn)均連入網(wǎng)絡(luò)。將艙室內(nèi)簡(jiǎn)易門關(guān)閉，無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)依然保持連接狀態(tài)。

2.2.2 無(wú)線傳輸可靠性測(cè)試

為了驗(yàn)證無(wú)線振動(dòng)系統(tǒng)無(wú)線傳輸可靠性，先后在艙室中進(jìn)行了3次4通道無(wú)線振動(dòng)測(cè)試，分別是近距離無(wú)線測(cè)試、遠(yuǎn)距離(10 m)無(wú)線測(cè)試、遠(yuǎn)距離有障礙物(10 m關(guān)艙門)無(wú)線測(cè)試。第2、3次測(cè)試的結(jié)果如表1所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知在船舶密閉動(dòng)力艙室中，在空間有限的艙室中，無(wú)論是距離遠(yuǎn)近，還是中間有障礙物，節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)均可以完全通過(guò)無(wú)線傳輸?shù)姆绞缴蟼鞯缴衔粰C(jī)進(jìn)行后進(jìn)行綜合分析處理。

圖5 無(wú)線組網(wǎng)上位機(jī)連接

表1 數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸測(cè)試結(jié)果

2.2.3 采集數(shù)據(jù)結(jié)果對(duì)比分析

選取轉(zhuǎn)速為2 947 r/min電動(dòng)機(jī)上的一組測(cè)點(diǎn)進(jìn)行分析。為了清晰的看出有線與無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集到的波形圖時(shí)域圖變化，兩組數(shù)據(jù)均選取2.56 s的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如圖6所示?？梢钥闯?組數(shù)據(jù)的振動(dòng)幅值基本相同。我們對(duì)2組數(shù)據(jù)做傅里葉變換，選取10～200 Hz頻域做對(duì)比分析，如圖7所示，可以看出2組數(shù)據(jù)的頻域曲線趨勢(shì)基本一致，幅值也比較接近，均可以有效測(cè)得主要譜線頻率1倍頻48.44 Hz和2倍頻98.44 Hz。

由于對(duì)比實(shí)驗(yàn)的采樣頻率不一致，在后期對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理時(shí)，先是通過(guò)帶通濾波截取2組數(shù)據(jù)頻率在10～1 000 Hz的振動(dòng)數(shù)據(jù)，計(jì)算得到無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)振動(dòng)有效值是2.019 1 m/s2,有線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)振動(dòng)有效值是2.084 4 m/s2，兩者相差3.13%。該組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明通過(guò)無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)具有參考價(jià)值，與有線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)有一定相差原因在于傳感器安裝位置不是完全相同、有固有噪聲，無(wú)線采集節(jié)點(diǎn)存在晶振漂移等。

3 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)船舶艙室機(jī)電設(shè)備振動(dòng)監(jiān)測(cè)不易布置線纜，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)不方便，本文在現(xiàn)有無(wú)線振動(dòng)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，采用雙核心設(shè)計(jì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)振動(dòng)采集節(jié)點(diǎn)，依托Visual Studio開發(fā)的上位機(jī)軟件和串口轉(zhuǎn)USB網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)構(gòu)建了密閉艙室無(wú)線振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該系統(tǒng)可以有效采集船舶機(jī)電設(shè)備振動(dòng)數(shù)據(jù)，為船舶機(jī)艙振動(dòng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)提供了一種可行的方案。

從無(wú)線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在船舶艙室機(jī)電設(shè)備振動(dòng)試驗(yàn)的組網(wǎng)、傳輸和對(duì)比實(shí)驗(yàn)來(lái)看，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在短距離復(fù)雜情況下可以有效對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。相對(duì)于有線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，具有無(wú)需鋪設(shè)電纜、構(gòu)架簡(jiǎn)單、成本較低及可拓展性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，在數(shù)據(jù)采集的可靠性和準(zhǔn)確度上與有限監(jiān)測(cè)系統(tǒng)保持高度一致。盡管在實(shí)時(shí)性、抗干擾、采集數(shù)據(jù)量方面存在不足，但是隨著技術(shù)的發(fā)展，相信將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于船舶艙室機(jī)電設(shè)備振動(dòng)監(jiān)測(cè)會(huì)有很好的前景。

圖6 有線與無(wú)線測(cè)試原始時(shí)域?qū)Ρ葓D

圖7 無(wú)線與有線監(jiān)測(cè)10～200 Hz頻域?qū)Ρ葓D