摘  要： 提出一種基于ZigBee無線通信技術(shù)的低功耗軸承溫度檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,。通過數(shù)字化溫度傳感器DS18B20檢測(cè)軸承溫度,，應(yīng)用Jennic公司JN5139模塊構(gòu)建ZigBee無線系統(tǒng)，并利用其內(nèi)部電源監(jiān)控電路檢測(cè)電壓,。重點(diǎn)介紹數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的軟硬件設(shè)計(jì)和系統(tǒng)低功耗實(shí)現(xiàn)方案,。經(jīng)測(cè)試與實(shí)驗(yàn)表明，系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠,，持續(xù)工作時(shí)間可達(dá)半年,。
關(guān)鍵詞： 低功耗； ZigBee,； 溫度檢測(cè),； JN5139

　　滾動(dòng)軸承是傳動(dòng)部件的精密支撐件，其狀態(tài)的好壞直接關(guān)系到軋鋼機(jī)運(yùn)行的質(zhì)量,。在軸承運(yùn)轉(zhuǎn)過程中由于軸承損傷而產(chǎn)生較大的摩擦,、碰撞等,會(huì)引起軸承溫度升高,出現(xiàn)“燒軸”現(xiàn)象[1]，甚至?xí)涝谲堓伾?，使軋輥損壞,，導(dǎo)致嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。因此檢測(cè)軸承的運(yùn)行狀態(tài),，在軸承出現(xiàn)故障時(shí)及時(shí)采取措施已經(jīng)成為各大鋼鐵廠迫在眉睫的問題,。
　　目前，檢測(cè)和診斷軸承運(yùn)行狀態(tài)比較可行的方法有3種:測(cè)溫,、噪聲和振動(dòng)參數(shù)測(cè)試技術(shù),。測(cè)溫技術(shù)由于其簡(jiǎn)單易行能綜合反映包括軸承潤(rùn)滑狀態(tài)在內(nèi)的諸因素,并且各種軸承失效均反映為軸承的顯著溫升,因此采用測(cè)溫法,便可對(duì)軸承的運(yùn)行進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)，避免或減少故障帶來的損失[2],。
1 ZigBee無線測(cè)溫技術(shù)
　　由于軸承屬于頻繁更換的大型器件,，軋鋼廠現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣，空氣中油污多,，若采用有線方式檢測(cè)溫度,，不僅更換不方便，而且頻繁插撥會(huì)使接頭處受油污污染,，影響數(shù)據(jù)傳輸,。采用無線傳輸方式構(gòu)建的傳感器網(wǎng)絡(luò)恰好可以避免這些問題。ZigBee技術(shù)[3]作為一種新興技術(shù),，是專為低速傳感器和控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議, 非常適合于工業(yè)自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域[4],。因此，將無線ZigBee技術(shù)和人工智能結(jié)合,在降低系統(tǒng)功耗的同時(shí)可以大大提高軸承溫度檢測(cè)系統(tǒng)的可靠性,。
　　ZigBee標(biāo)準(zhǔn)包括物理層,、介質(zhì)訪問層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。有如下特點(diǎn):
　　(1)功耗小,。由于工作周期很短,、收發(fā)信息功耗較低，因此在待機(jī)模式下, 2節(jié)5號(hào)干電池可支持1個(gè)節(jié)點(diǎn)工作6～24個(gè)月, 在睡眠模式下,電池壽命可長(zhǎng)達(dá)數(shù)年, 其發(fā)射功率約為1 mW,。
　　(2)成本低,。模塊價(jià)格低廉,且ZigBee 協(xié)議是免專利費(fèi)的。
　　(3)時(shí)延短,。ZigBee的響應(yīng)速度快, 從睡眠中激活和激活后進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)均只需15 ms,。
　　(4)容量大?？刹捎眯切?、簇狀或網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在簇狀和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中, 一個(gè)主節(jié)點(diǎn)最多可管理254個(gè)子節(jié)點(diǎn),若采用級(jí)連,節(jié)點(diǎn)數(shù)可達(dá)到65 000個(gè),。
　　(5)安全,。提供了三級(jí)安全模式和高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)(AES128)。
2 軸承溫度檢測(cè)系統(tǒng)
2.1 系統(tǒng)構(gòu)成
　　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示,。

　　安裝在軸承座內(nèi)的溫度傳感器將檢測(cè)到的溫度信號(hào),，輸入到ZigBee RFD模塊，模塊內(nèi)置的休眠定時(shí)器和節(jié)能設(shè)備可大大降低系統(tǒng)的功耗,，休眠定時(shí)器定時(shí)喚醒節(jié)點(diǎn)，采集溫度與電池電壓數(shù)據(jù),，ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器接收到數(shù)據(jù)后,，一方面返回給相應(yīng)的ZigBee RFD模塊確認(rèn)信息，另一方面把接收到的數(shù)據(jù)以有線連接的方式傳送到總控制臺(tái),?？偪刂婆_(tái)是以ATmega8為核心的控制終端和上位機(jī)。它通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)控制底層數(shù)據(jù)測(cè)量系統(tǒng)的運(yùn)行,，接收各參量的測(cè)量數(shù)據(jù),，采用LED實(shí)時(shí)顯示各傳感器檢測(cè)到的當(dāng)前溫度值，配有報(bào)警器,、報(bào)警燈等,，并且提供友好的人機(jī)界面，對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示,、存儲(chǔ),、記錄，能夠?qū)崿F(xiàn)異常情況報(bào)警并輸出控制信號(hào)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù),。檢測(cè)系統(tǒng)中最關(guān)鍵的是測(cè)量節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì),，下面對(duì)其硬件實(shí)現(xiàn)和軟件實(shí)現(xiàn)進(jìn)行介紹。
2.2 測(cè)量節(jié)點(diǎn)的硬件實(shí)現(xiàn)
　　采用Jennic公司的JN5139-Z01-M00/M01模塊作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)核心，圖2為溫度采集硬件電路與JN5139的接口電路,。

　　圖2中選用DS18B20數(shù)字化溫度傳感器,，其體積小，測(cè)量溫度范圍為-55 ℃～+125 ℃,。在-10 ℃～+85 ℃范圍內(nèi),精度為±0.5 ℃,。
　　DS18B20采集到的節(jié)點(diǎn)溫度量，經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路后,，輸入到JN5139-Z01-M00模塊,。JN5139-Z01-M00是基于無線微控制器JN5139的發(fā)射模塊，具有低功率,、低成本等特點(diǎn),，集成了32 bit RISC MCU內(nèi)核、高性能的IEEE802.15.4收發(fā)器,、192 KB ROM和96 KB RAM,，可以在很短的時(shí)間內(nèi)在低成本下設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。 其內(nèi)置的休眠定時(shí)器定時(shí)喚醒節(jié)點(diǎn),，采集各測(cè)量數(shù)據(jù)并通過ZigBee無線網(wǎng)線傳送到總控制臺(tái),。該系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)工作在2.4 GHz頻段，傳輸速率為250 kb/s,，傳輸距離大于100 m(可視距離),，工作穩(wěn)定，可靠性高,。
　　JN5139的CTS0,、RTS0、TXD0,、RXD0四個(gè)引腳與MAX232相連,，可通過S2(PROM)即編程/運(yùn)行的狀態(tài)選擇鍵來決定當(dāng)前狀態(tài)。當(dāng)處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí),，串口用于發(fā)送數(shù)據(jù),，當(dāng)處于編程狀態(tài)時(shí)，串口用于下載程序,。
2.3 測(cè)量節(jié)點(diǎn)的軟件實(shí)現(xiàn)
　　使用Jennic公司的Jennic CodeBlocks開發(fā)環(huán)境,。采用其公司已經(jīng)編好的MAC層軟件，通過C語言編程完成應(yīng)用層的開發(fā),。
　　圖3中在所測(cè)電池電壓小于2.8 V時(shí)報(bào)警,，提示工作人員及時(shí)更換。等待DS18B20采集溫度數(shù)據(jù)完成后,，選用長(zhǎng)短時(shí)間選擇性休眠的方式,。若無網(wǎng)絡(luò)接收數(shù)據(jù)則每5 min發(fā)送一次,，若有網(wǎng)絡(luò)接收則每15 s發(fā)送一次數(shù)據(jù)，而且僅在每次檢測(cè)到溫度數(shù)據(jù),，需要發(fā)送時(shí)發(fā)射模塊開始工作,，發(fā)送完本組數(shù)據(jù)，其余時(shí)間將整個(gè)系統(tǒng)置于休眠狀態(tài),。保證了用電量的減小,，降低整個(gè)系統(tǒng)的功耗。數(shù)據(jù)接收端軟件流程如圖4所示,。

3 低功耗策略及測(cè)試分析
3.1 低功耗策略
　　在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,，根據(jù)實(shí)際需求，充分利用各種低功耗資源模式,，盡量縮短節(jié)點(diǎn)工作時(shí)間,，從而降低功耗。通常使用的電池實(shí)際容量與放電電流有關(guān),，放電電流較小時(shí),，電池放出的總電量明顯大于標(biāo)稱容量，放電電流越大,，電池放出的總電量越小,，甚至明顯小于標(biāo)稱容量。因此采取如下策略來降低系統(tǒng)工作電流,，延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)壽命[5],。
　　在硬件方面, 選用低功耗、低電壓器件,；對(duì)于工作電流小的器件如DS18B20,、MAX232等采用引腳供電, 對(duì)于功耗大而又周期性工作的部件, 使用選通器件管理其電源；此外,，不使用的單片機(jī)引腳按照數(shù)據(jù)手冊(cè)進(jìn)行設(shè)置，這對(duì)減少系統(tǒng)休眠模式下的電流效果顯著,。
　　在軟件方面,，利用硬件提供的支持, 關(guān)閉暫時(shí)不使用的部件的電源, 如DS18B20等；按照協(xié)議工作周期, 由軟件控制JN5139的工作模式,，進(jìn)行周期性檢測(cè)和睡眠,。此外，選用長(zhǎng)短時(shí)間選擇性休眠的方式檢測(cè)數(shù)據(jù),，這種方式與單一性的15 s休眠相比,，在發(fā)送數(shù)據(jù)無網(wǎng)絡(luò)接收時(shí)功耗小了20倍。
3.2 測(cè)試分析
　　完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)后, 在電池電壓3.4 V,、發(fā)射功率為+2.5 dBm,、接收靈敏度為-96.5 dBm 的情況下, 結(jié)合數(shù)據(jù)手冊(cè)上的數(shù)據(jù),，對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)的工作電流進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試, 忽略喚醒休眠時(shí)間等，結(jié)果如表1所示,。

　　根據(jù)表1的工作模式及工作周期, 計(jì)算節(jié)點(diǎn)的平均工作電流為:

　　150 ℃高溫工作環(huán)境下采用容量為1 800 mAh的電池,，放電深度為50%。即由于系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行中電池的自放電因素, 電池可用電量為總?cè)萘康?0%, 由公式(1)的結(jié)果以及表1得到:當(dāng)系統(tǒng)以15 s為周期對(duì)軸承溫度進(jìn)行檢測(cè)時(shí), 可維持節(jié)點(diǎn)工作半年以上, 達(dá)到了設(shè)計(jì)要求, 其計(jì)算公式如式(2)所示,。

　　
3.3 電壓檢測(cè)
　　由于采用電池供電,，需要對(duì)其電壓進(jìn)行檢測(cè)，以防電壓不足時(shí)影響測(cè)量溫度值的準(zhǔn)確度,。
　　如圖5所示,，JN5139內(nèi)部有6個(gè)12位模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)，采用了逐次逼近設(shè)計(jì)提高轉(zhuǎn)換精度,，其中4個(gè)可用于外部數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,，另外2個(gè)用于連接內(nèi)部的溫度傳感器和內(nèi)部電源監(jiān)控電路。

　　利用內(nèi)部電源監(jiān)控電路,，對(duì)芯片24腳即模擬電源引腳VDD進(jìn)行測(cè)量,，VDD腳電壓經(jīng)過芯片內(nèi)部一個(gè)電阻分壓器將電壓降至0.666倍后輸入模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)，對(duì)其進(jìn)行檢測(cè),，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控電源供電狀態(tài),。
4 試驗(yàn)結(jié)果
　　目前已完成工業(yè)小試樣機(jī)的研制，由于該檢測(cè)系統(tǒng)工作環(huán)境溫度在50 ℃～80 ℃之間,，當(dāng)軸承發(fā)生故障時(shí)瞬間會(huì)達(dá)到100 ℃左右的高溫,，而且工作環(huán)境油污非常多，因此需要對(duì)采集模塊的短時(shí)耐超高溫工作能力和密封性進(jìn)行實(shí)驗(yàn),。具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示,。

　　軸承需要經(jīng)常更換，因此除了對(duì)高溫工作環(huán)境外,，對(duì)于常溫下以及冬天低溫環(huán)境下的工作能力也需要進(jìn)行檢測(cè),。圖6為不同模塊放置于不同環(huán)境中的檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。圖中數(shù)據(jù)表明,，該系統(tǒng)已在高溫環(huán)境中持續(xù)工作4個(gè)月之久,，預(yù)計(jì)可工作半年。與室溫下情況基本相當(dāng),。而當(dāng)置于低溫環(huán)境下(0 ℃~5 ℃)時(shí),，電池供電能力明顯下降，電壓下降幅度大,。因此在冬天則要考慮到該模塊受低溫的影響,，要提前更換。軟件系統(tǒng)中設(shè)計(jì)電壓從3.6 V降到2.8 V時(shí)即產(chǎn)生欠壓報(bào)警,。此時(shí)及時(shí)更換電池便可對(duì)軸承運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行持續(xù),、準(zhǔn)確的監(jiān)控,。

　　經(jīng)實(shí)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，基于ZigBee技術(shù)的低功耗軸承溫度檢測(cè)系統(tǒng),，可以準(zhǔn)確地檢測(cè)軸承運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的溫度及其變化,，監(jiān)測(cè)軸承運(yùn)行狀態(tài),在軸承故障前期及時(shí)采取措施，避免了對(duì)軋輥,、鋼板的損傷以及油溫升高引起爆炸等重大事故的發(fā)生,。相信通過努力，一個(gè)功能完善,、基于ZigBee技術(shù)的軸承溫度檢測(cè)系統(tǒng)將得到推廣和應(yīng)用,。
參考文獻(xiàn)
[1]     寧練，周孑民. 滾動(dòng)軸承內(nèi)部溫度狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)[J].  軸承,2007(2).
[2]     周華明,，孫寶元.一種軋鋼機(jī)軸承溫度傳感器的研制[J].  傳感器技術(shù),2001(2).
[3]     瞿雷,，劉盛德,胡咸斌.ZigBee技術(shù)及應(yīng)用[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社， 2007.
[4]     陳景運(yùn),，周祥平. ZigBee 技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用[J].無線電工程,2006,36(6).
[5]     嚴(yán)美善, 袁濤. 低功耗無線室溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2007,33(12).