劉英杰 毛敏

（1.昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院昆明650500）（2.云南省礦物管道輸送工程技術(shù)研究中心昆明650500）

基于WIFI技術(shù)的振動信號監(jiān)測分析系統(tǒng)設(shè)計?

劉英杰1，2毛敏1，2

（1.昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院昆明650500）（2.云南省礦物管道輸送工程技術(shù)研究中心昆明650500）

在當(dāng)前實際生產(chǎn)中，機器運行現(xiàn)場和監(jiān)控室之間往往需要相隔一定的安全距離。傳統(tǒng)的有線傳輸數(shù)據(jù)方式給工程施工帶來了諸多不便，同時耗費了大量人力和物力。因此，為了加強數(shù)據(jù)采集傳輸?shù)倪m用性，論文采用無線傳輸方式，在實驗室已有條件下，通過自己設(shè)計并開發(fā)的一個基于WIFI技術(shù)的振動信號監(jiān)測PCB板，實現(xiàn)對于軸承實時振動信號的采集和無線傳輸，PC機進行數(shù)據(jù)接收，以Visual Studio 2012為開發(fā)工具，內(nèi)嵌Matlab軟件對數(shù)據(jù)進行算法分析。該系統(tǒng)實現(xiàn)了軸承振動信號的實時采集和無線傳輸，在實驗室環(huán)境下進行測試分析，取得了較好的實驗效果。

滾動軸承；WIFI技術(shù)；振動信號；STM32；遠程監(jiān)控

Class NumberTH133.3

1 引言

目前，在機械故障診斷領(lǐng)域內(nèi)，軸承作為旋轉(zhuǎn)機械設(shè)備中最為常見，也是最易損壞的部件之一，一旦運行出現(xiàn)問題將影響整機的正常工作，因此對其進行監(jiān)測和診斷研究有重要意義［1］。對軸承進行實時的振動信號的監(jiān)測和分析已成為目前的研究熱點，并取得了豐碩的研究成果。但仍有一定的不足［2～3］，在振動信號傳輸過程中數(shù)據(jù)接收不穩(wěn)定，無法實現(xiàn)信息實時監(jiān)控的目的，同時成本又比較高等問題。針對上述情況，本文提出基于WIFI技術(shù)的振動信號監(jiān)測分析系統(tǒng)，實現(xiàn)對于軸承實時振動信號的采集和無線傳輸，PC機進行數(shù)據(jù)接收，以Visual Studio 2012為開發(fā)工具，內(nèi)嵌Matlab軟件對數(shù)據(jù)進行算法分析。該系統(tǒng)實現(xiàn)了軸承振動信號的實時采集和穩(wěn)定地?zé)o線傳輸，在實驗室環(huán)境下進行測試分析，取得了較好的實驗效果。

2 振動信號監(jiān)測分析系統(tǒng)的總體方案

基于WIFI技術(shù)的振動信號監(jiān)測分析系統(tǒng)主要用于采集軸承運行時產(chǎn)生的振動信號，通過時頻分析方法對信號數(shù)據(jù)進行處理，實現(xiàn)對軸承運行狀態(tài)的實時診斷。系統(tǒng)硬件主要實現(xiàn)了對于軸承振動信號的采集，以及通過WIFI模塊的無線傳輸。主要包括傳感器采集模塊、STM32主控制模塊、WIFI無線傳輸模塊等，在主控制器STM32的控制下，由振動傳感器去采集軸承的振動信號，并由振動傳感器模塊自帶的A/D轉(zhuǎn)換模塊將采集到的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，通過I2C接口傳數(shù)據(jù)到STM32中，再通過串口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絎IFI無線模塊上，以路由器作為無線數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)，將數(shù)據(jù)發(fā)到In?ternet上，通過遠端路由器接收這些數(shù)據(jù)，然后無線傳輸?shù)絇C機，最后在PC機上對采集到的數(shù)據(jù)進行算法分析。系統(tǒng)整體設(shè)計思路如圖1所示。

圖1系統(tǒng)整體設(shè)計框圖

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計方案

系統(tǒng)硬件主要實現(xiàn)對軸承振動信號的采集和無線傳輸，包括采集模塊、主控制模塊、傳輸模塊等部分。首先傳感器去采集軸承振動信號，對獲取的信號進行A/D轉(zhuǎn)換等處理，通過I2C接口傳數(shù)據(jù)到STM32主控制器，后者再將數(shù)據(jù)通過串口傳輸數(shù)據(jù)到WIFI模塊，再由WIFI通過無線數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)的路由器將數(shù)據(jù)發(fā)到Internet上，遠端路由器來接收這些數(shù)據(jù)，最后無線傳輸?shù)絇C機。圖2為系統(tǒng)硬件設(shè)計實物圖。

圖3系統(tǒng)硬件設(shè)計實物圖

3.1 采集振動信號傳感器選取

振動傳感器用于從軸承處直接采集振動信號的參數(shù)，這些振動參數(shù)可以是位移、速度或者是加速度，傳感器的分類是根據(jù)所采集的振動信號來劃分的。因此傳感器的分類有以上三種，其中加速度傳感器在振動監(jiān)測中應(yīng)用最為廣泛。為了采集滾動軸承所發(fā)出的振動信號，本文采用了MPU-6050傳感器，該傳感器芯片內(nèi)置了16bit的AD轉(zhuǎn)換器，16位數(shù)據(jù)輸出，所得電壓信號就不需要再外加其他電路進行信號調(diào)理。MPU-6050的陀螺儀感測范圍為±250、±500、±1000與±2000°/s（dps），加速器的感測范圍為±2g、±4g、±8g與±16g，可精確感應(yīng)快慢急緩的動作［4～5］。該傳感器采用高達400kHZ快速標(biāo)準(zhǔn)的I2C通信協(xié)議，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男省＞唧w實物圖如圖3所示。

圖4MPU-6050傳感器實物圖

3.2 主控制器電路設(shè)計

作為下位機的核心部件，主控制器在整個系統(tǒng)中控制傳感器采集數(shù)據(jù)并實現(xiàn)WIFI無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)确矫娑及l(fā)揮了重要的作用，所以合理正確地設(shè)計該模塊至關(guān)重要。本文主控制器芯片采用的是STM32系列的STM32F105RE微處理器，它是意法半導(dǎo)體公司基于ARM的Cotex-M3內(nèi)核推出的一款32位高性能處理器，具有易開發(fā)、高性能、低功耗、低成本、外設(shè)資源豐富等優(yōu)點，因此被廣泛應(yīng)用［6～7］。主控制器芯片設(shè)計電路圖如圖4所示。

圖5主控制器芯片電路圖

STM32F105RE微處理器一共有64個引腳，采用LQFP64的封裝模式，CPU頻率是72MHZ，工作電壓在2V～3.3V之間［8］。它具有64KB的FLASH和64KB的RAM，能夠滿足在數(shù)據(jù)采集時對于數(shù)據(jù)緩存的需求。微控制器STM32F105RE還擁有5個USART標(biāo)準(zhǔn)通信接口，2個CAN總線的接口，3個SPI接口，2個I2C接口，16個12位的A/D的轉(zhuǎn)換器以及2個12位的D/A轉(zhuǎn)換器，2個12通道的DMA控制器等豐富的外設(shè)資源，可以滿足數(shù)據(jù)與上位機通信的要求［9～10］。

3.3 電源模塊設(shè)計

電源模塊的設(shè)計在整個系統(tǒng)中是非常重要的，通過對數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)進行詳細解析，系統(tǒng)主要需要5V、3.3V等電平。本文選用的電源芯片為REG1117-3.3線性穩(wěn)壓器，可將5V電源直接轉(zhuǎn)換成3.3V電壓，封裝類型是SOT-223［11］，其電路設(shè)計如圖5所示。

圖5電源模塊圖

本文選用的REG1117-3.3電源芯片將5V電壓直接轉(zhuǎn)換成3.3V電平，輸出電流800mA。為了更直觀地顯示電源走向，在設(shè)計電源模塊時添加了電源指示燈。需要注意的是，電源設(shè)計時要考慮各種電源之間的隔離，以防止數(shù)字電路對模擬部分帶來干猶。

3.4 無線WIFI模塊ESP8266

目前，無線傳輸方式主要有藍牙、Zigbee、GPRS、WIFI等，相比其他無線通信技術(shù)，WIFI通信技術(shù)具有簡單易用、價格低廉、傳輸距離遠、傳輸速率高等特點［12］，所以本文單片機與電腦之間數(shù)據(jù)的無線通信采用WIFI傳輸方式。具體無線WIFI模塊采用的是樂鑫科技公司專為移動設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用設(shè)計的串口轉(zhuǎn)WIFI模塊ESP8266。ESP8266是一個完整且自成體系的WIFI無線網(wǎng)絡(luò)的解決方案，專為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用設(shè)計，可為用戶將所需的物理設(shè)備連接到WIFI無線網(wǎng)絡(luò)上，進行互聯(lián)網(wǎng)或局域網(wǎng)通信，實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能。ESP8266模塊相比于其他2.4G頻段的WIFI模塊來說，一個顯著的優(yōu)勢就是價格比較便宜，可以給開發(fā)者提供低成本的硬件無線WIFI解決方案。ESP8266還具有低功耗工作模式，能夠在低功耗與高性能之間任意切換，具有睡眠功能、自適應(yīng)無線電偏置及自適應(yīng)消除藍牙、蜂窩射頻干擾等功能［12］。ESP8266無線WIFI接口電路如圖6所示。

圖6ESP8266無線WIFI接口電路

ESP8266是一款帶有WIFI硬件模塊的芯片，片上具有GPIO、SPI、PWM、UART、I2C等接口，只需很少的外圍電路即可實現(xiàn)具有WIFI通信功能的智能設(shè)備設(shè)計［5］。該模塊支持STA/AP/STA+AP三種工作模式，可以通過互聯(lián)網(wǎng)控制，利用終端設(shè)備進行無線控制，ESP8266模塊主要是通過AT指令集將WIFI數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成串口數(shù)據(jù)與主控制器進行數(shù)據(jù)交換，使用起來非常方便。在本文設(shè)計中，為了提高傳輸速率，單片機與ESP8266模塊是通過串口連接，傳輸速率最高達到50Mbps，很好地滿足了對振動數(shù)據(jù)傳輸速率的要求。

4 系統(tǒng)軟件整體設(shè)計分析

總體來說，系統(tǒng)的軟件設(shè)計包括兩部分，一部分是上位機軟件的設(shè)計，一部分是嵌入式下位機的程序設(shè)計。上位機軟件是基于Visual Studio C#與Matlab混合編程實現(xiàn)的，下位機以C語言為編程語言，通過Keil μVision 5編程軟件對系統(tǒng)進行編程。上位機軟件包括如下幾部分，PC機通過ESP8266無線接收數(shù)據(jù)，并實現(xiàn)對數(shù)據(jù)處理及算法分析，對處理后的數(shù)據(jù)進行結(jié)果顯示和存儲。下位機主要是通過振動傳感器監(jiān)測出軸承振動數(shù)據(jù)，通過串口接口將數(shù)據(jù)傳給單片機，后者再通過ESP8266無線模塊完成跟上位機的無線通信。

4.1 軟件整體功能介紹

系統(tǒng)軟件主要包括數(shù)據(jù)采集、無線通信傳輸、算法處理程序等。系統(tǒng)的初始化設(shè)計是單片機正常運行的基礎(chǔ)，首先進行軟件程序的初始化設(shè)置，初始化結(jié)束后，在軟件后臺調(diào)用Matlab引擎對接收到的振動數(shù)據(jù)進行時頻分析，方法采用奇異值分解（Singular Value Decomposition，SVD）特征提取方法。對處理后的數(shù)據(jù)進行能量求解，得到信號特征量，輸入支持向量數(shù)據(jù)域描述（Support Vector Data Description，SVDD）故障模型進行狀態(tài)診斷，顯示診斷結(jié)果。軟件設(shè)計流程圖如圖7所示。

圖7軟件設(shè)計流程圖

本軟件主要實現(xiàn)對采集到的振動信號進行診斷分析，具體采用SVD特征提取和SVDD單分類識別方法。針對運行中的機械設(shè)備，實現(xiàn)了對于滾動軸承實時地進行監(jiān)測診斷，具體實現(xiàn)的功能包括：1）對于下位機采集到的數(shù)據(jù)進行接收和顯示；2）對接收到的數(shù)據(jù)進行算法分析；3）對最終的處理結(jié)果進行顯示和保存。

4.2 軸承的振動信號采集測試

系統(tǒng)的振動信號采集部分主要由下位機來完成，實現(xiàn)了由振動傳感器MCU-6050采集到振動信號經(jīng)過I2C傳輸數(shù)據(jù)到STM32，后者再通過串口接口將數(shù)據(jù)傳輸給無線模塊ESP8266，最后由ESP8266無線傳輸?shù)綗o線網(wǎng)絡(luò)中，PC機連接上無線網(wǎng)絡(luò)，再利用網(wǎng)絡(luò)助手軟件便可以實現(xiàn)對于接收到的數(shù)據(jù)的查看。網(wǎng)絡(luò)助手接收到的數(shù)據(jù)如圖9所示。在系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)前，需要對網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手該軟件進行一些設(shè)置，如圖8所示，協(xié)議類型選擇為TCP Client類型，服務(wù)器的IP地址設(shè)置成192.168.4.1，服務(wù)器端口號填寫為333，點擊連接后，軟件便接入了無線局域網(wǎng)絡(luò)，接收監(jiān)測系統(tǒng)無線發(fā)送的數(shù)據(jù)。

圖8網(wǎng)絡(luò)助手接收到數(shù)據(jù)

4.3 振動信號采集與分析系統(tǒng)

下位機采集到振動數(shù)據(jù)后，就需要上位機對這些數(shù)據(jù)進行分析，考慮到Matlab具備了非常強大的數(shù)字信號處理的能力，以及Visual Studio C#可以快捷實現(xiàn)軟件模塊化編程，有利于用戶與軟件間的交互操作。所以系統(tǒng)軟件采用了Visual Studio C#與Matlab軟件相結(jié)合的數(shù)據(jù)分析方式。其中軟件的界面編寫是在Visual Studio C#的基礎(chǔ)下完成的，而軟件的內(nèi)核計算借助了Matlab軟件的矩陣運算功能。在Visual Studio C#界面中選擇不同的操作，就可以調(diào)用Matlab程序?qū)崿F(xiàn)計算，并將最終計算結(jié)果可視化顯示。

4.3.1 人機界面分析與操作

振動信號采集分析系統(tǒng)的顯示界面采用Visu?al Studio 2012進行設(shè)計，界面顯示如圖9所示。主窗口主要包括采集數(shù)據(jù)顯示、振動數(shù)據(jù)時域顯示及分析、診斷結(jié)果等部分，窗口中還設(shè)計了系統(tǒng)仿真、開始檢測、保存等基本操作。具體操作方式為，當(dāng)下位機連接好后，打開該軟件，啟動程序就會采集數(shù)據(jù)并顯示，格式為16進制，同時會出現(xiàn)振動數(shù)據(jù)的時域波形顯示，再點擊“系統(tǒng)仿真”按鈕，就會對采集到的數(shù)據(jù)進行SVD與SVDD的故障診斷算法分析，點擊“開始檢測”按鈕，就會將數(shù)據(jù)經(jīng)過算法分析后的結(jié)果在“診斷結(jié)果”對話框中進行顯示，同時還可以將最后得診斷結(jié)果進行保存。

圖9振動信號采集分析系統(tǒng)顯示界面

4.3.2 振動信號采集與分析系統(tǒng)測試

單片機接通電源后，WIFI模塊上的紅色指示燈閃爍，表明WIFI模塊已經(jīng)上電。打開電腦的無線連接界面，就發(fā)現(xiàn)可用WIFI列表中出現(xiàn)一個名為“ESP8266”的無線接入點，這個無線網(wǎng)絡(luò)接入點就是WIFI模塊ESP8266提供的。點擊“ESP8266”，輸入密碼“123456789”，成功連接上WIFI模塊。下位機實時采集軸承的振動信息，PC機進行無線數(shù)據(jù)接收與分析顯示。界面顯示如圖10所示。

圖10振動信號采集分析系統(tǒng)測試界面

從圖10可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)軟件進行實時監(jiān)控時，會將采集到的振動數(shù)據(jù)在“采樣數(shù)據(jù)”對話框中顯示，同時會出現(xiàn)振動數(shù)據(jù)的時域波形，再經(jīng)過菜單欄的一系列操作，最終的診斷結(jié)果為“正常”，說明該組數(shù)據(jù)是在軸承正常運行情況下采集得到，無故障發(fā)生。

5 結(jié)語

本文主要介紹軸承振動信號監(jiān)測與分析系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)，包括系統(tǒng)硬件部分主要電路的介紹、系統(tǒng)軟件主要設(shè)計分析、系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)和分析數(shù)據(jù)測試實現(xiàn)。振動傳感器采集軸承振動信號，通過無線WIFI模塊傳輸?shù)竭h端PC機，通過開發(fā)的Visual Studio C#調(diào)用Matlab程序界面，將論文中的數(shù)據(jù)處理算法應(yīng)用其中。經(jīng)測試，采集信號正常，無線數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，分析軟件運行結(jié)果準(zhǔn)確，達到了振動信號實時采集和準(zhǔn)確分析的目的。

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Design of Vibration Signal Monitoring and Analysis System Based on WIFI Technology

LIU Yingjie1，2MAO Min1，2
（1.Faculty of Information Engineering&Automation，Kunming University of Science and Technology，Kunming650500）（2.Engineering Research Center for Mineral Pipeline Transportation，Kunming650500）

In the current actual production，the machine runs on the spot and the monitoring room often needs to be separated by a certain distance of safety.The traditional way of wired transmission data brings inconvenience to the construction，at the same time，it consumes a lot of manpower and material resources.Therefore，in order to strengthen the applicability of data acquisition and transmission，this paper adopts a wireless transmission mode，has been in the laboratory condition，by means of a designed and developed based on vibration signal monitoring PCB board of WIFI technology，realize the real-time bearing vibration signal acquisi?tion and wireless transmission，PC data

by Visual，Studio 2012 embedded Matlab software development tools，algorithms for data analysis.The system realizes the real-time collection and wireless transmission of bearing vibration signal，in the laboratory environment for testing and analysis，and achieves good results.

rolling bearing，WIFI technology，vibration signal，STM32，remote monitoring

TH133.3

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.07.046

2017年1月9日，

2017年2月26日

劉英杰，男，碩士研究生，研究方向：信號處理、模式識別、機械故障診斷。毛敏，男，碩士研究生，研究方向：管道泄漏、故障診斷。