基于STM32F103和物联网平台的滚动轴承在线监测系统

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andy1949 发布时间：2017-9-22 12:40

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摘要：设计了一种基于云平台的滚动轴承在线监测系统，信号采集模块将振动传感器输出的振动信号进行变换，再通过
有源滤波模块处理后交给控制器，控制器内部进行Ａ／Ｄ采样，随后处理器对Ａ／Ｄ采样后的信号进行参数的运算，最后
将参数通过云平台传输协议模块，在利用ＷｉＦｉ转发给远程机智云平台服务器。该系统为滚动轴承的监测提供了一个平
台，在这个平台上工程人员可以通过远程的云服务器和ＡＰＰ终端对滚动轴承的状态进行了解，很大程度上减少了工程
人员的工作量，提高了对滚动轴承监测的效率。
关键词：机智云平台；滚动轴承；在线监测；ＳＴＭ３２Ｆ１０３
引　言
滚动轴承作为机械设备中重要的旋转零件，也是机械设备的重要故障源之一。统计表明，在使用滚动轴承的旋转机械中，大约有３０％的机械故障是滚动轴承引起的［１］，而每一次故障都会带来十分巨大的财产损失甚至是人身伤亡事故，因此对滚动轴承运行状态的监控是十分重要的。工业系统中滚动轴承所在的位置环境恶劣且分布十分分散，难以进行人工的检测与维护。机智云是一个主要为开发者提供物联网设备的自主开发工具、后台技术支持服务、远程设备管理、数据存储分析等服务的云平台［２］。本文设计了一种将现场滚动轴承状态数据通过ＷｉＦｉ模组与远程云服务器进行通信并且能在ＡＰＰ终端进行实时显示的滚动轴承在线监测系统。该监测系统设计的关键问题主要有以下几点：
① 对振动信号的采集；
② 对采集来的振动信号进行分析与运算； ③ 实现数据对云平台的远程传输与远程控制。
１　滚动轴承在线监测系统简介
滚动轴承在线监测系统主要由振动传感器模块、信号采集模块、云平台传输协议模块、控制器与处理器模块构成。由于滚动轴承工作环境的恶劣，且发生故障的不确定性，传统的监测系统摆脱不了工程人员长时间在现场值班的情形。本文提出了一种基于机制云平台的实现远程服务器，并且通过ＡＰＰ监控的滚动轴承监测系统的设计。该系统可通过对传感器采集的信号进行分析，运算出反应系统运行状态的参数，从而为工程人员提供可靠的参考并且实现滚动轴承运行状态的远程在线监测以及报警提醒，从而凭借较少的人力达到很好的效果。对于滚动轴承在线监控系统，首先应该考虑的应该就是设计必须要符合现场的情况： ① 工业现场供电多为２２０ＡＣ； ② 现场多为大功率设备，该种设备的启停对电网的影响较大，使得供电电源的质量较差； ③ 现场电磁干扰信号的信噪比较低，对信号采集电路要求较高。综合上述因素，提出如图１所示的滚动轴承在线监测系统总体示意图。

２　滚动轴承在线监测系统的硬件设计
２．１　处理器模块
主控模块以ＳＴＭ３２Ｆ１０３Ｃ８作为控制核心，ＳＴＭ３２Ｆ１０３Ｃ８是ＳＴ公司的微控制器，采用ＳＴＭ３２Ｆ增强型系列中的高性能ＡＲＭ　Ｃｏｒｔｅｘ－Ｍ３　３２位的ＲＩＳＣ内核，工作频率为７２ＭＨｚ，工作电压３．３Ｖ，内置高速存储器、高达１　２　８ＫＢ闪存和２０ＫＢ的ＳＲＡＭ，以及丰富的增强Ｉ／Ｏ端口和并联到两条ＡＰＢ总线的外设，包括有两个１２位的ＡＤＣ、３个通用１６位定时器和２个ＵＡＲＴ接口［３］。在该系统中，该控制核心主要控制采集信号的Ａ／Ｄ转换、数据的处理、数据与云平台进行的传输等工作。ＳＴＭ３２Ｆ１０３Ｃ８ **电路简单，主要包括外接去耦电阻电容、晶振、复位电路、＋３．３Ｖ供电电路等，为了软件的调试方便，将ＪＴＡＧ／ＳＷＤ接口电路也设计在其中。晶振分为两种：２５ＭＨｚ晶振为高速时钟（ＨＳＩ）工作晶振，在内部由于
（ＰＬＬ）锁相环的倍频作用，使得ＣＰＵ得到的晶振可达到７５ＭＨｚ；３２．７６８ｋＨｚ的晶振为低速外部晶振（ＬＳＥ），为实时控
制时钟和备份控制器提供时钟信号［４］。ＳＴＭ３２Ｆ１０３Ｃ８外部接口电路如图２所示。

２．２　信号采集模块
由于轴承工作环境的恶劣，使得振动传感器以及其他传感器微小信号的信噪比较低，监测数据有较大的偏差，因此在信号的传输通路上设计了有源带通滤波器。选用ＭＡＸＩＭ公司的ＭＡＸ２７５芯片，该芯片可以构成两个４阶或者一个８阶连续时间的巴特沃兹有源带通滤波器，只截
取需要的频率。通过公式计算得到以下参数：Ｆ０（中心频率）＝５ｋＨｚ，Ｑ（品质因数）＝１０，Ｈｏｂｐ（峰值频率增益）＝２。该芯片的原理图如图３所示。

２．３　ＷｉＦｉ无线传输模块
由于需要与机智云平台服务器进行数据通信，在本文中选择汉枫电子科技的ＷｉＦｉ模块进行设计，该模块信号为ＨＦ－ＬＰＢ１００，为嵌入式超低功耗ＷｉＦｉ模组，可以将物理设备连接到ＷｉＦｉ无线网络上，并提供了ＵＡＲＴ串口、ＳＰＩ、ＰＷＭ接口进行数据传输，本文中选择ＵＡＲＴ串口进行数据传输解决方案。该模块硬件上集成了ＭＡＣ、基频芯片、射频收发单元、功率放大器、嵌入式固件，以及支持ＷｉＦｉ协议及配置以及组网的ＴＣＰ／ＩＰ协议栈［５］。图４为该模组的接口原理图。

３　滚动轴承在线监测系统的软件设计
３．１　软件流程的整体概述
系统的软件开发以及调试均通过ＫＥＩＬ　ＭＤＫ集成开发环境完成，ＫＥＩＬ　ＭＤＫ集成开发环境中包括了市面上绝大多数的芯片，其中也包括ＳＴＭ３２Ｆ的全系列芯片，开发语言选用Ｃ语言，大大提高了软件的可读性和可移植性。开发方式选用库函数，库函数选用ＳＴ公司官方提供的３．５．０版本，许多常用的寄存器都已封装成结构体，易于调用；常用功能也已封装成了函数接口，使得开发者在开发过程中只需对调用的功能有清楚的认识，不用太在意寄存器相关的细节，大大缩短了开发周期。系统软件的整体设计主要分为以下几个部分：
①ＡＤＣ对信号进行采集；
② 处理器对采集的信号进行运算；
③ 控制器对处理后的数据进行显示；
④ 通信模组向机智云平台进行数据的传输。
图５为系统软件的整体流程图。

３．２　振动信号的Ａ／Ｄ采样以及性能参数的计算
由于振动信号的频率不属于高频信号，且对精度的需求不太高，ＳＴＭ３２Ｆ１０３Ｃ８内部的Ａ／Ｄ位数为１２位，采样频率高达１ＭＨｚ，可以满足设计的需求。本设计中性能参数的计算以１０２４个采集信号为基础，即Ａ／Ｄ采集１０２４个离散信号后才能进行后边的性能参数的计算。需要计算的性能参数有峰值、有效值、均值、波峰因数、峭度。以上参数都能从某个方面反映轴承的运行状态以及确定轴承正常与否。
３．３　ＷｉＦｉ模组与处理器单元的对接
处理器单元按照固定的协议通过串口向ＷｉＦｉ模组中发送数据。基本通信参数定义如下：
① 通信方式为串口ＵＡＲＴ通信。
② 波特率为９６００。
③ 数据位为８位，奇偶校验为无，停止位为１；数据流控制为无。
基本的命令协议格式如下：
Ｈｅａｄｅｒ（长度２Ｂ）＝０ｘｆｆｆｆ，ｌｅｎ（长度２Ｂ），ｃｍｄ（长度１Ｂ），ｓｎ（长度１Ｂ），
ｆｌａｇｓ（长度２Ｂ），
ｐａｙｌｏａｄ（长度ｘＢ），
ｃｈｅｃｋｓｕｍ（长度１Ｂ，求和校验）。
基本命令格式的说明：
包头（ｈｅａｄｅｒ）固定为０ｘｆｆｆｆ；长度（ｌｅｎ）是指从ｃｍｄ开始到整个数据包结束所占用的字节数；多于一个字节的整形数字以大端字节编码；消息序号（ｓｎ）由发送方给出，接收方响应命令时需要把消息号返回给发送方；如在２００ｍｓ内没有收到接收方响应，发送方重发，最多重发三次。
３．４　云平台服务器与ＡＰＰ终端的设计
滚动轴承在线监测系统将处理好的数据通过串口按照以上的协议将数据传输给ＷｉＦｉ模组，ＷｉＦｉ模组对其进行打包，通过网络传输到机智云平台的远程服务器，ＡＰＰ终端通过与远程服务器的通信获得滚动轴承在线监测的数据，在ＡＰＰ终端应用程序上进行显示。机智云平台服务器端提供了一种十分方便的模块配置方法，省去了复杂的编程过程，只需对新建的工程进行项目的配置，建立数据点，然后绑定使用的ＡＰＰ即可，大大提高了项目开发的周期。ＡＰＰ终端模板可以从机智云官网进行下载。图６和图７为配置完毕的滚动轴承在线监测系统机智云平台服务器的网页显示界面和同一时刻的手机ＡＰＰ显示界面。

结　语
随着机械设备和生产系统日益向较大化、精密化、高速化和自动化方向发展，一方面提高了生产效率、降低了生产成本，另一方面对机械的设计、制造、安装、使用、维修和可靠运行提出了更高、更严格的要求。一个微小的故障，可能会影响到整个系统运行的稳定性和安
全性，甚至造成灾难性后果［６］。
该系统的推广不仅可以使得意外大型故障得到有效的监控，而且还可以大大减少人力的投入。该系统还存在一些不足，比如，该系统只能对故障做出定性判断，但是不能准确判断轴承故障所在的具体位置和原因，未来会通过频域算法的加入来解决以上问题，系统会更加完善。