分析低功耗軸承溫度無線檢測系統(tǒng)的設計與應用

摘 要：隨著科學技術(shù)的發(fā)展，ZigBee無線通信技術(shù)越來越多在各個領域的應用。本文提出一種基于ZigBee無線通信技術(shù)的低功耗軸承溫度檢測系統(tǒng)設計方案。重點介紹數(shù)據(jù)采集節(jié)點的軟硬件設計和系統(tǒng)低功耗實現(xiàn)方案。經(jīng)測試與實驗表明，系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，持續(xù)工作時間可達半年。

　　滾動軸承一般由內(nèi)圈、外圈、滾動體和保持架四部分組組成內(nèi)圈的作用是與軸相配合并與軸一起旋轉(zhuǎn)；外圈作用是與軸承座相配合，起支撐作用；滾動體是借助于保持架均勻的將滾動體分布在內(nèi)圈和外圈之間，其形狀大小和數(shù)量直接影響著滾動軸承的使用性能和壽命；保持架能使?jié)L動體均勻分布，防止?jié)L動體脫落，引導滾動體旋轉(zhuǎn)起潤滑作用。滾動軸承使用維護方便，工作可靠，起動性能好，在中等速度下承載能力較高。與滑動軸承比較，滾動軸承的徑向尺寸較大，減振能力較差，高速時壽命低，聲響較大。

　　目前，檢測和診斷軸承運行狀態(tài)比較可行的方法有3種：測溫、噪聲和振動參數(shù)測試技術(shù)。測溫技術(shù)由于其簡單易行能綜合反映包括軸承潤滑狀態(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，因此采用測溫法，便可對軸承的運行進行有效的監(jiān)測，避免或減少故障帶來的損失.

　　1 ZigBee無線測溫技術(shù)

　　ZigBee無線測溫技術(shù)是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)。這一名稱來源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂（bee）是靠飛翔和嗡嗡（zig）地抖動翅膀的舞蹈來與同伴傳遞花粉所在方位信息，也就是說蜜蜂依靠這樣的方式構(gòu)成了群體中的通信網(wǎng)絡。其特點是近距離、低復雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本。主要適合用于自動控制和遠程控制領域，可以嵌入各種設備。

　　由于軸承屬于頻繁更換的大型器件，軋鋼廠現(xiàn)場環(huán)境惡劣，空氣中油污多，若采用有線方式檢測溫度，不僅更換不方便，而且頻繁插撥會使接頭處受油污污染，影響數(shù)據(jù)傳輸。ZigBee技術(shù)作為一種新興技術(shù)，是專為低速傳感器和控制網(wǎng)絡設計的無線網(wǎng)絡協(xié)議， 非常適合于工業(yè)自動控制和遠程控制領域。

　　ZigBee標準包括物理層、介質(zhì)訪問層、網(wǎng)絡層和應用層。有如下特點：

　?。?）功耗小。由于工作周期很短、收發(fā)信息功耗較低，因此在待機模式下， 2節(jié)5號干電池可支持1個節(jié)點工作6~24個月， 在睡眠模式下，電池壽命可長達數(shù)年， 其發(fā)射功率約為1 mW.

　　（2）成本低。模塊價格低廉，且ZigBee 協(xié)議是免專利費的。

　?。?）時延短。ZigBee的響應速度快， 從睡眠中激活和激活后進入網(wǎng)絡均只需15 ms.

　?。?）容量大。在簇狀和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中， 一個主節(jié)點最多可管理254個子節(jié)點，若采用級連，節(jié)點數(shù)可達到65 000個。

　?。?）安全。提供了三級安全模式和高級加密標準。

　　2 軸承溫度檢測系統(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到的溫度信號，輸入到ZigBee RFD模塊，模塊內(nèi)置的休眠定時器和節(jié)能設備可大大降低系統(tǒng)的功耗，采集溫度與電池電壓數(shù)據(jù)，ZigBee網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器接收到數(shù)據(jù)后，一方面返回給相應的ZigBee RFD模塊確認信息，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。采用LED實時顯示各傳感器檢測到的當前溫度值，配有報警器、報警燈等，并且提供友好的人機界面，對接收到的數(shù)據(jù)進行顯示、存儲、記錄，能夠?qū)崿F(xiàn)異常情況報警并輸出控制信號對系統(tǒng)進行保護。檢測系統(tǒng)中最關(guān)鍵的是測量節(jié)點的設計，下面對其硬件實現(xiàn)和軟件實現(xiàn)進行介紹。