船舶机电设备无线振动监测实验研究

张陈宝，崔汉国，明廷锋，陆 杰

(海军工程大学 动力工程学院，湖北 武汉 430033)

机电设备是船舶最为重要的一部分，它的稳定工作为船舶安全行驶、船员正常生活工作提供重要保障，因此对船舶机电设备进行实时监测意义重大。目前，对于船舶机电设备的监测大多采用的是CAN现场总线的方式[1]，然而舱室中的电机、风机、水泵和油泵等机电设备遍布各个舱室，电缆的铺设量大、保养维护难、设备成本高、且易影响人员正常工作。而对船舶机电设备进行巡检，不能及时发现机电设备可能存在的问题，且该监测实施方案耗时长，工作量大。针对以上现象，将无线传感器网络引入到机电设备的振动监测来构建无线、分布式实时振动监测系统成为一种可解决的思路。

无线传感器网络[2]自20世纪70年代发展以来，因其全新的信息获取和处理方式，克服了有线监测设备的不足，布置灵活、安装维护方便、成本较低，可以在无人监管的状态下安全稳定工作，目前在工业生产、国防军事、环境监测、卫生医疗和交通管理等领域都有所应用[3-5]。但是当前无线传感器网络自身发展还有待提高，现有的传感器网络节点大多是监测温度、湿度、压力和光强度等缓慢信号量，针对振动监测设计的节点较少，且主要是针对高楼、桥梁[6]等一些大型建筑物的低频振动监测。市场上现有的无线振动传感器网络节点，专业性不强，且体积偏大，不宜用于船舶上实际布置安装。

本文针对船舶机舱的特殊环境和设备，对现有无线传感器网络监测节点进行改进，设计一套高性能无线振动采集节点，目的在于解决现有无线传感器节点存在的不足，探索将无线传感器网络用于船舶机电设备实时振动监测，以船舶现有机电设备振动监测系统的有线传感器节点为比较对象，验证无线传感器网络振动监测节点在船舶机电设备振动监测应用的可行性。

1 无线传感器网络振动监测系统

无线传感器网络监测模式是在嵌入式操作系统、数字电路、无线通信、传感器、分布式信息处理等技术基础上发展起来的一种新颖的获取监测数据的方法，它兼具低成本、低功耗、多功能的特点，通过大量分布式的传感器自组网和多跳方式，以无线传输的方式将采集信息量发送给上位机实现对感知对象的实时监测。其中无线振动监测对节点的数据高频采集、高效处理、可靠传输提出了更高的要求。

1.1 系统构架

无线传感器网络监测系统由若干无线传感器网络振动监测节点、网关节点及上位机监控中心构成[7]，如图1所示。

图1 无线传感器网络监测系统构架

本文以4个监测节点为例，其中监测节点负责将机电设备的振动信息采集、处理，后通过无线传输的方式将数据包传输到网关节点，网关节点的主要功能是对加入该无线传感网络的节点发送命令、接收节点传输的数据包，并通过串口的方式传输到上位机进行数据处理、显示以及存储等，通过在上位机监控中心发布命令，完成无线监测系统的组网、数据的采集、传输及综合分析处理，显示机电设备振动情况，发布预警信息。

1.2 无线传感器监测节点

传统无线传感器节点大多以单片机为核心硬件，资源不足；存储空间小，采样频率低；功耗过大，且缺乏有效的电源管理。本文设计的无线传感器监测节点实物如图2所示。

图2 无线传感器网络监测节点实物

采用双核心结构设计，由主板上基于ARM Cortex M4内核的STM32F405RGT6微控制器和无线通讯模块中TI CC2430集成的8051微处理器组成。STM32是一款高性能、低功耗、低成本的微处理器，内部集成了高达1 MB的可编程Flash和192 KB的SRAM，足以满足监测节点数据处理的要求，且有丰富的外部设备接口。CC2430是专门针对IEEE 802.15.4应用设计的片上系统，它采用2.4 GHz直接序列扩频(DSSS)的调制格式，具有极高的接收灵敏度和抗干扰性能，数据传输速率理论最高可达250 Kbps。为了满足机电设备的高采样频率，节点采用独立的A/D转换器AD7982，它是一款快速、低功耗、精密18位AD、逐次逼近型模数转换器(ADC)，最高采样率可达1 000 ksps， 搭配8 G的SD存储卡，可以将采集的数据暂时储存，待收到传输命令后将数据量无线传输到上位机。此外，一个比较突出的优势是节点的能量管理方面。除采用低功耗的组件，监测节点采用了2节3.7 V的可充电锂电池串联供电，选择了开关稳压电路和线性稳压器件组合的方式为各个模块供电，保证了节点较高的电源转换效率且兼顾了敏感电路对电源质量的要求。监测节点设置了多个工作模式，在休眠状态下关闭其他模块、保持无线通讯模块低耗连接，从而保证节点长时间稳定工作。

本文设计的无线传感器监测节点采用模块化设计，如图3所示，它包括数据采集模块、微处理器模块、无线通讯模块、能量供应模块。数据采集模块包括传感器和A/D转换器两部分，主要用于感知及获取无线传感器网络监测区域内的振动信息，并将其转换成数字信号；微处理器模块主要由微处理器和存储器两部分组成，其功能一方面是协调各功能模块的有序工作，另一方面则是将采集到的无线传感器网络节点数字信号进行处理、存储；无线通讯模块包括无线收发器，主要负责与网关节点进行通信，完成无线组网，命令收发和数据传输；能量供应模块则主要是为无线传感器网络节点各工作模块提供工作所需要的能量。

图3 无线传感器网络监测节点构成

1.3 软件设计

本文无线监测系统软件设计的总体方案主要包括监测节点和上位机监控中心2个方面的设计。节点上主要包括数据采集程序、接口程序、节点主程序、无线通讯程序和数据存储程序，其中使用了稳定、结构简单的，具有嵌入式实时操作系统的μC/OS-II。采用Visual Studio开发工具设计了上位机软件，功能包括节点拓扑管理、系统参数设定、数据实时显示、数据频谱分析和数据储存等。

2 船舶机电设备振动监测实验

本文振动监测实验是在某型船舶动力舱室的机电设备上完成的，包括实验测点的选取、传感器的安装、信号采集、数据处理方面有序开展，从系统组网、采集传输、可靠性方面，对无线与有线振动监测系统进行比较。

2.1 实验搭建

实验选取低噪声三相异步电动机和立式往复舱底泵配套工作的组合设备为测试对象，为了有效采集振动情况，分别在轴承座和电机中线上方布置4个测点。为验证无线传感器网络振动监测系统(以下简称无线振动系统)无线组网、抗干扰性能及数据采集准确性，分别在每个测点位置布置2个传感器，如图4所示，一个接入无线振动系统，一个接入有线振动系统。本文选用的有线振动监测系统设备具有8个输入通道(本文用其中4个通道)。无线振动系统由4个无线监测节点、1个网关节点和上位机监控中心组成。

图4 实验测点布置图

本文实验采用的传感器是EA-YD-185型ICP传感器，内置集成电路的加速度计，灵敏度高，频率响应带宽可达10 kHz，足以满足机电设备的振动数据采集，实验中无线监测系统采样频率设置为10 kHz，采样模式设置为定长采样，有线监测系统采样频率设置为12.8 kHz，安装方式均为螺栓固定。

2.2 实验数据采集测试分析

2.2.1 无线组网测试

将舱室中机电设备打开，在舱室内部形成水回路循环，模拟在水下作业时环境。打开无线振动系统上位机软件，发送组网连接命令，4个监测节点7、8、9、10号依次接入无线监测系统，图5显示4个监测节点显示的图标与网关节点G是实线相连，表示4个节点均连入网络。将舱室内简易门关闭，无线监测节点依然保持连接状态。

2.2.2 无线传输可靠性测试

为了验证无线振动系统无线传输可靠性，先后在舱室中进行了3次4通道无线振动测试，分别是近距离无线测试、远距离(10 m)无线测试、远距离有障碍物(10 m关舱门)无线测试。第2、3次测试的结果如表1所示。实验结果可知在船舶密闭动力舱室中，在空间有限的舱室中，无论是距离远近，还是中间有障碍物，节点采集的数据均可以完全通过无线传输的方式上传到上位机进行后进行综合分析处理。

图5 无线组网上位机连接

表1 数据无线传输测试结果

2.2.3 采集数据结果对比分析

选取转速为2 947 r/min电动机上的一组测点进行分析。为了清晰的看出有线与无线监测系统采集到的波形图时域图变化，两组数据均选取2.56 s的数据进行对比，如图6所示。可以看出2组数据的振动幅值基本相同。我们对2组数据做傅里叶变换，选取10～200 Hz频域做对比分析，如图7所示，可以看出2组数据的频域曲线趋势基本一致，幅值也比较接近，均可以有效测得主要谱线频率1倍频48.44 Hz和2倍频98.44 Hz。

由于对比实验的采样频率不一致，在后期对实验数据处理时，先是通过带通滤波截取2组数据频率在10～1 000 Hz的振动数据，计算得到无线监测系统振动有效值是2.019 1 m/s2,有线监测系统振动有效值是2.084 4 m/s2，两者相差3.13%。该组实验数据表明通过无线监测系统采集到的数据具有参考价值，与有线监测系统采集到的数据有一定相差原因在于传感器安装位置不是完全相同、有固有噪声，无线采集节点存在晶振漂移等。

3 结束语

针对船舶舱室机电设备振动监测不易布置线缆，实时监测不方便，本文在现有无线振动监测节点的基础上，采用双核心设计无线传感器网络振动采集节点，依托Visual Studio开发的上位机软件和串口转USB网关节点构建了密闭舱室无线振动监测系统，经实验验证该系统可以有效采集船舶机电设备振动数据，为船舶机舱振动监测网络的架构提供了一种可行的方案。

从无线网络监测系统在船舶舱室机电设备振动试验的组网、传输和对比实验来看，无线传感器网络监测系统在短距离复杂情况下可以有效对采集数据进行分析。相对于有线监测系统，具有无需铺设电缆、构架简单、成本较低及可拓展性强的优势，在数据采集的可靠性和准确度上与有限监测系统保持高度一致。尽管在实时性、抗干扰、采集数据量方面存在不足，但是随着技术的发展，相信将无线传感器网络应用于船舶舱室机电设备振动监测会有很好的前景。

图6 有线与无线测试原始时域对比图

图7 无线与有线监测10～200 Hz频域对比图