摘 要： 提出一種基于ZigBee無線通信技術的低功耗軸承溫度檢測系統設計方案。通過數字化溫度傳感器DS18B20檢測軸承溫度，應用Jennic公司JN5139模塊構建ZigBee無線系統，并利用其內部電源監控電路檢測電壓。重點介紹數據采集節點的軟硬件設計和系統低功耗實現方案。經測試與實驗表明，系統工作穩定可靠，持續工作時間可達半年。
關鍵詞： 低功耗； ZigBee； 溫度檢測； JN5139
滾動軸承是傳動部件的精密支撐件，其狀態的好壞直接關系到軋鋼機運行的質量。在軸承運轉過程中由于軸承損傷而產生較大的摩擦、碰撞等,會引起軸承溫度升高,出現“燒軸”現象[1]，甚至會抱死在軋輥上，使軋輥損壞，導致嚴重的經濟損失。因此檢測軸承的運行狀態，在軸承出現故障時及時采取措施已經成為各大鋼鐵廠迫在眉睫的問題。
目前，檢測和診斷軸承運行狀態比較可行的方法有3種:測溫、噪聲和振動參數測試技術。測溫技術由于其簡單易行能綜合反映包括軸承潤滑狀態在內的諸因素,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測，避免或減少故障帶來的損失[2]。
1 ZigBee無線測溫技術
由于軸承屬于頻繁更換的大型器件，軋鋼廠現場環境惡劣，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，影響數據傳輸。采用無線傳輸方式構建的傳感器網絡恰好可以避免這些問題。ZigBee技術[3]作為一種新興技術，是專為低速傳感器和控制網絡設計的無線網絡協議, 非常適合于工業自動控制和遠程控制領域[4]。因此，將無線ZigBee技術和人工智能結合,在降低系統功耗的同時可以大大提高軸承溫度檢測系統的可靠性。
ZigBee標準包括物理層、介質訪問層、網絡層和應用層。有如下特點:
(1)功耗小。由于工作周期很短、收發信息功耗較低，因此在待機模式下, 2節5號干電池可支持1個節點工作6～24個月, 在睡眠模式下,電池壽命可長達數年, 其發射功率約為1 mW。
(2)成本低。模塊價格低廉,且ZigBee 協議是免專利費的。
(3)時延短。ZigBee的響應速度快, 從睡眠中激活和激活后進入網絡均只需15 ms。
(4)容量大。可采用星型、簇狀或網狀拓撲結構。在簇狀和網狀結構中, 一個主節點最多可管理254個子節點,若采用級連,節點數可達到65 000個。
(5)安全。提供了三級安全模式和高級加密標準(AES128)。
2 軸承溫度檢測系統
2.1 系統構成
系統結構框圖如圖1所示。
安裝在軸承座內的溫度傳感器將檢測到的溫度信號，輸入到ZigBee RFD模塊，模塊內置的休眠定時器和節能設備可大大降低系統的功耗，休眠定時器定時喚醒節點，采集溫度與電池電壓數據，ZigBee網絡協調器接收到數據后，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據以有線連接的方式傳送到總控制臺。總控制臺是以ATmega8為核心的控制終端和上位機。它通過ZigBee無線網絡控制底層數據測量系統的運行，接收各參量的測量數據，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，對接收到的數據進行顯示、存儲、記錄，能夠實現異常情況報警并輸出控制信號對系統進行保護。檢測系統中最關鍵的是測量節點的設計，下面對其硬件實現和軟件實現進行介紹。
2.2 測量節點的硬件實現
采用Jennic公司的JN5139-Z01-M00/M01模塊作為ZigBee網絡節點核心，圖2為溫度采集硬件電路與JN5139的接口電路。
圖2中選用DS18B20數字化溫度傳感器，其體積小，測量溫度范圍為-55 ℃～+125 ℃。在-10 ℃～+85 ℃范圍內,精度為±0.5 ℃。
DS18B20采集到的節點溫度量，經過信號調理電路后，輸入到JN5139-Z01-M00模塊。JN5139-Z01-M00是基于無線微控制器JN5139的發射模塊，具有低功率、低成本等特點，集成了32 bit RISC MCU內核、高性能的IEEE802.15.4收發器、192 KB ROM和96 KB RAM，可以在很短的時間內在低成本下設計實現ZigBee無線網絡系統。 其內置的休眠定時器定時喚醒節點，采集各測量數據并通過ZigBee無線網線傳送到總控制臺。該系統節點工作在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)，工作穩定，可靠性高。
JN5139的CTS0、RTS0、TXD0、RXD0四個引腳與MAX232相連，可通過S2(PROM)即編程/運行的狀態選擇鍵來決定當前狀態。當處于運行狀態時，串口用于發送數據，當處于編程狀態時，串口用于下載程序。
2.3 測量節點的軟件實現
使用Jennic公司的Jennic CodeBlocks開發環境。采用其公司已經編好的MAC層軟件，通過C語言編程完成應用層的開發。
圖3中在所測電池電壓小于2.8 V時報警，提示工作人員及時更換。等待DS18B20采集溫度數據完成后，選用長短時間選擇性休眠的方式。若無網絡接收數據則每5 min發送一次，若有網絡接收則每15 s發送一次數據，而且僅在每次檢測到溫度數據，需要發送時發射模塊開始工作，發送完本組數據，其余時間將整個系統置于休眠狀態。保證了用電量的減小，降低整個系統的功耗。數據接收端軟件流程如圖4所示。
3 低功耗策略及測試分析
3.1 低功耗策略
在系統設計中，根據實際需求，充分利用各種低功耗資源模式，盡量縮短節點工作時間，從而降低功耗。通常使用的電池實際容量與放電電流有關，放電電流較小時，電池放出的總電量明顯大于標稱容量，放電電流越大，電池放出的總電量越小，甚至明顯小于標稱容量。因此采取如下策略來降低系統工作電流，延長節點壽命[5]。
在硬件方面, 選用低功耗、低電壓器件；對于工作電流小的器件如DS18B20、MAX232等采用引腳供電, 對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，不使用的單片機引腳按照數據手冊進行設置，這對減少系統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, 關閉暫時不使用的部件的電源, 如DS18B20等；按照協議工作周期, 由軟件控制JN5139的工作模式，進行周期性檢測和睡眠。此外，選用長短時間選擇性休眠的方式檢測數據，這種方式與單一性的15 s休眠相比，在發送數據無網絡接收時功耗小了20倍。
3.2 測試分析
完成系統設計后, 在電池電壓3.4 V、發射功率為+2.5 dBm、接收靈敏度為-96.5 dBm 的情況下, 結合數據手冊上的數據，對傳感器節點的工作電流進行了實際測試, 忽略喚醒休眠時間等，結果如表1所示。
根據表1的工作模式及工作周期, 計算節點的平均工作電流為:
150 ℃高溫工作環境下采用容量為1 800 mAh的電池，放電深度為50%。即由于系統長時間運行中電池的自放電因素, 電池可用電量為總容量的50%, 由公式(1)的結果以及表1得到:當系統以15 s為周期對軸承溫度進行檢測時, 可維持節點工作半年以上, 達到了設計要求, 其計算公式如式(2)所示。
3.3 電壓檢測
由于采用電池供電，需要對其電壓進行檢測，以防電壓不足時影響測量溫度值的準確度。
如圖5所示，JN5139內部有6個12位模擬數字轉換器(ADC)，采用了逐次逼近設計提高轉換精度，其中4個可用于外部數據轉換，另外2個用于連接內部的溫度傳感器和內部電源監控電路。
利用內部電源監控電路，對芯片24腳即模擬電源引腳VDD進行測量，VDD腳電壓經過芯片內部一個電阻分壓器將電壓降至0.666倍后輸入模擬數字轉換器(ADC)，對其進行檢測，可以實時監控電源供電狀態。
4 試驗結果
目前已完成工業小試樣機的研制，由于該檢測系統工作環境溫度在50 ℃～80 ℃之間，當軸承發生故障時瞬間會達到100 ℃左右的高溫，而且工作環境油污非常多，因此需要對采集模塊的短時耐超高溫工作能力和密封性進行實驗。具體實驗數據如表2所示。
軸承需要經常更換，因此除了對高溫工作環境外，對于常溫下以及冬天低溫環境下的工作能力也需要進行檢測。圖6為不同模塊放置于不同環境中的檢測實驗。圖中數據表明，該系統已在高溫環境中持續工作4個月之久，預計可工作半年。與室溫下情況基本相當。而當置于低溫環境下(0 ℃~5 ℃)時，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。軟件系統中設計電壓從3.6 V降到2.8 V時即產生欠壓報警。此時及時更換電池便可對軸承運行狀態進行持續、準確的監控。
經實驗及現場調試，基于ZigBee技術的低功耗軸承溫度檢測系統，可以準確地檢測軸承運轉過程中的溫度及其變化，監測軸承運行狀態,在軸承故障前期及時采取措施，避免了對軋輥、鋼板的損傷以及油溫升高引起爆炸等重大事故的發生。相信通過努力，一個功能完善、基于ZigBee技術的軸承溫度檢測系統將得到推廣和應用。
參考文獻
[1] 寧練，周孑民. 滾動軸承內部溫度狀態監測技術[J]. 軸承,2007(2).
[2] 周華明，孫寶元.一種軋鋼機軸承溫度傳感器的研制[J]. 傳感器技術,2001(2).
[3] 瞿雷，劉盛德,胡咸斌.ZigBee技術及應用[M]. 北京：北京航空航天大學出版社， 2007.
[4] 陳景運，周祥平. ZigBee 技術在工業控制領域的應用[J].無線電工程,2006,36(6).
[5] 嚴美善, 袁濤. 低功耗無線室溫監測系統的設計與實現[J].電子技術應用,2007,33(12).