分析低功耗軸承溫度無線檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

摘 要：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，ZigBee無線通信技術(shù)越來越多在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)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(shè)計(jì)方案。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。

　　滾動(dòng)軸承一般由內(nèi)圈、外圈、滾動(dòng)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(dòng)體是借助于保持架均勻的將滾動(dòng)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(dòng)軸承的使用性能和壽命；保持架能使?jié)L動(dòng)體均勻分布，防止?jié)L動(dòng)體脫落，引導(dǎo)滾動(dòng)體旋轉(zhuǎn)起潤滑作用。滾動(dòng)軸承使用維護(hù)方便，工作可靠，起動(dòng)性能好，在中等速度下承載能力較高。與滑動(dòng)軸承比較，滾動(dòng)軸承的徑向尺寸較大，減振能力較差，高速時(shí)壽命低，聲響較大。

　　目前，檢測和診斷軸承運(yùn)行狀態(tài)比較可行的方法有3種：測溫、噪聲和振動(dòng)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(duì)軸承的運(yùn)行進(jìn)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(dòng)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(luò)。其特點(diǎn)是近距離、低復(fù)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(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)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(huì)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(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。

　　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)：

　?。?）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，電池壽命可長達(dá)數(shù)年， 其發(fā)射功率約為1 mW.

　?。?）成本低。模塊價(jià)格低廉，且ZigBee 協(xié)議是免專利費(fèi)的。

　?。?）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。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)。

　　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(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，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)。采用LED實(shí)時(shí)顯示各傳感器檢測到的當(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)。檢測系統(tǒng)中最關(guān)鍵的是測量節(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。