基于传感器采集信息的机电一体化设备状态检测研究

2023-03-27王争

电脑迷 2023年24期

王争

【摘要】文章利用CC2420单片单元作为系统核心构建了基于传感器信息的一体化状态检测系统，并重点从软硬件的角度探讨其设计与实现，分析在上位机存在的情况下，通过传输与整合传感器信息的方式实现对机电设备的一体化控制方式。同时，通过仿真对比的方式，对包括文章设计系统的有效性及运行参数进行仿真实验测试，为下一步技术实现与推广奠定坚实基础。

【关键词】传感器；数据传输；状态检测；软硬件

各类传感器能够对机械设备的运行状态进行检测与监控，如温度、电流、噪声等。通过传感器与上位机的通讯能够对多维参数进行实时监控，并在建立中央数据分析的方式形成一体化体系，为自动化控制及可视化操控提供重要基础。在实践中，利用单片机可以实现一体化设备状态检测的体系构建，其中硬件选择与软件设计是系统能否发挥实效的关键。

一、基于传感器采集的机电设备状态检测系统设计

（一）传感器信息采集检测系统硬件总体结构

基于设备综合状态有效管控的目标，机电一体化状态检测系统大致可以分为三个层级：一是数据搜集层，主要为设备自带检测单元及外挂传感器；二是数据传输层，主要利用有线或无线方式实现数据的集中与传输；三是数据处理层，主要利用上位机的中心处理器对回传的状态信息进行综合分析。机电一体化设备状态检测系统的总体结构架构，其中上位机作为数据处理中心，主要功能由内设的软件系统完成。除上位机之外，总体设计中大致可以分为两个部分，即检测单元与传输单元。检测单元根据检测项目的不同配置单独的检测模块。检测单元一般包括了传感器、控制器和电源三个部分，不同传感器和检测功能具有一定的差异，控制模块与电源管理也存在一定的不同。在传输单元中则以双通道无线通信为主要手段，利用CC2420通信芯片作为构建核心，该芯片允许24组差异数据的打包传输，为设备数据维度提供更大支持，而双通道的建设能够有效地降低数据丢包率，并提高数据的传输效能。

（二）传感器信息采集检测系统的检测模块结构设计

除软件之外，数据检测与数据传输是机电一体化设备状态检测系统的核心关键。在数据检测模块的构建中，按照需要数据的类型差异，针对不同传感器类型为核心进行构建。如针对设备电流设备信号的收集可以采用智能电表的方式串联至设备电源总线，针对设备运行温度的信号收集则可以采用设备自身整合的红外线核心点位温度监控传感器来予以完成等。

由于设备运行中涉及的参数相对较多，在进行系统开发过程中，需要涉及一套“通用型”解决方案，即仅需要根据数据类型更换传感器，在数据处理与传输中则采用相同的通道来进行。此种方式能够降低系统开发难度，且传感器设备的通用性明显增加，适宜作为设备的外挂装置使用，检测模块中的传感器单元可以随着检测指标的变动而进行自由选取。传输至下位机的电信号会经过采集板转换为通用型数据信号。该过程由采集板中整合的RISC的微核心处理器承担数据解析工作，能够将电流信号转变为数字信号，并支持包括USB接口在内的传输协议，应用性与互通性更强。

（三）传感器信息采集检测系统的无线通信模块设计

完成數据采集与转换后，需要通过传输协议将设备状态数据传输至上位机进行集中分析。数据传输包括了有线传输与无线传输两种方式，前者布线困难且需要多台信号中继器予以分层上传，与上位机沟通效率相对较低。基于此，采用无线传输方式作为数据传输方式较为适用。在无线传输单元中以CC2420为核心芯片，配合天线实现高质量点对点通信架构，具体结构如图1所示。

图1中，RESETn引脚为异步重置；VREG_EN引脚为电压调节器；FIFOP和FIFO引脚为字节阈值限制器；RF和TXRX引脚为信号输出单元；其余引脚均为功能引脚，经由数据采集板与传感器链接。该芯片信号传输稳定，能耗较低在外接电源与电池电源的条件下均可有效运行，增加了设备布置的灵活性。同时，通过天线布局还可以实现360度的无差别信号传输，增加与上位机通信的可靠性。

二、基于传感器信息采集检测系统的软件设计

在硬件设计的基础上，需要软件的配合才能够实现对数据的有效分析，并保障数据传输的准确性。在软件实现的过程中，信号滤波问题、设备状态评价问题较为关键，是功能实现与质量保障的根本。

（一）通信信号的滤波处理算法的实现

设备的运行环境较为复杂，产生的电磁波之间会存在一定的相互干扰，其中既存在设备运行中产生的电磁噪声污染，也需要考虑不同频段无线传输信号之间的相互干扰。基于此，在信号传输的过程中利用滤波算法对信号进行加工与修订十分必要。实践中，多采用脉冲滑动滤波方程计算其均值，并对信号进行修订，该方程如下所示：

Y= X（k）（公式1）

公式1中：Y为想要获取的平均值；N为信号个数；X（k）为序列；k为序列号。状态系统运行后，会获得连续信号曲线，按照微分原则将其分为n个相等的信号波段，对每个信号波段进行标记编码，记作k，其中k的最小值为3，最大值为N。利用公式1对全部（1到N-1）的序列进行求和后获得均值。该均值作为后续波段的基准，并进行逐层修订，实现消除脉冲波动，滤波的功能。

（二）设备状态综合评价算法的实现

在完成滤波后，需要对获得的基础数据进行求解计算，进而得到综合评价参数指标，对设备的运行状态进行评估。在实际操作中，包括了单项评估与综合评估两类。其中单项评估的分析与输出方式较为简单，仅需要将传感器传输的数字信号进行还原并与阈值进行比对便可以获得相应结论。如电流数据可以通过显示面板进行直接展示，当电流超出阈值设置时，数据标红并发出系统警报。对设备运行状态进行综合监控与评估是本系统设计的难点，需要通过特征向量矩阵的方式将多维度指标进行有效的无量纲整合，从而限定范围的固定数值。具体实现中，需要设置传感器特征合计，即H（a）={a1，a2，a3···ad}，该集合与设备类型及评估方向所适应，多个特征集合共同组成了评估矩阵，具体如公式2所示：

若想判断机电一体化设备各个工作状态稳定与否，需要以传感器收集的信息作为评估依据。在传感器系统通信畅通且稳定的情况下，使用特征向量矩阵可以明确反映各个传感器的信息特征。具体矩阵构建以矢量特征表示传感器特征，假设有M个矢量设备样本，而M个样本的状态个数为P，用矩阵表示为

（公式2）

公式2表示该设备涉及M个样本状态，每个样本状态中存在p个特征集合。其中，为状态模板矩阵；a为传感器指标，角标用于区别传感器和指标参数；L为传感器稳定特征值；O为稳定期望；v为传感器稳定性矢量结果；M为全部传感器系统的矢量累加。在构建公式2的向量矩阵后，利用公式3对矩阵进行求解，进而获得设备综合评价的单一得分，再通过经验对比的方式输出评估结果。

三、机电一体化状态检测系统仿真结果分析

研究分别从硬件的设计以及软件的实现等两个方面构建了机电一体化状态检测系统，为进一步认证该系统的有效性。文章采用仿真的方式在multisim平台上进行实现，并对其各项参数进行实验。

（一）实验环境及数据收集

利用multisim平台对机电一体化状态检测系统进行了搭建，并以生产中常见的电机设备作为采集对象。实验环境中构建了9组电机设备，按“田”字进行摆放，分别分为环境干扰组、信号干扰组、实验组等三个组别，每组3台设备。其中環境干扰组不接入检测系统，作为运行电磁的环境噪声而存在；信号干扰组接入检测系统，但不对其数据进行收集，作为无线信号传输干扰而存在；实验组接入检测系统，且对其运行状态进行检测。检测频次为500ms/次，持续时间为1h，累计获取各类传感器数据7200组。

（二）系统有效性分析

为更好地对设备各类运行状态的检测有效性进行评估，仿真实验中采用人工控制的方式分别对暂停、空机、辅助、一般负荷和超载等5种工况进行模拟。检测输出结果与控制工况一致则认定为有效输出，如果不一致或未输出则认定为系统错误。同时，为对比系统的比较性优势，在相同环境下，分别对RFID系统以及机械学习系统进行同等实验，对比其数据，基于传感器信息采集的机电一体化状态检测系统的系统效率相对较高，且错误率较低，适宜于推广应用。

从横向对比来看，传感器检测系统对不同工作状态的检测效率均超过98%，除超负荷状态外检测效率在99%以上。显著高于RFID系统平均74.96%和机械学习系统77.22%的检测效率。在错误率上也表现出类似的规律，一体化状态检测系统的平均错误率在1%左右，与RFID的5.3和机械学习系统的7.0相比，具有明显的比较性优势。

在纵向对比中，机电一体化状态检测系统对不同工况的检出效率与错误率存在一定的差异，其中对暂停状态的检出率最高，达到了99.7%，对超负荷状态的检出效率最低为98.8%。相较而言，针对空机运行状态与辅助运行状态的检测错误率相对较高，且在结果分析中可见二者状态会出现混报情况，需要进行下一步的优化。

四、结语

文章旨在利用传感器采集作为手段，构建机电一体化设备状态检测系统。文章首先对该系统的硬件设计进行分析，在明确总体设计的基础上，重点对检测模块与无线传输模块的设计方式进行说明；其次从软件的角度对数据集中后的滤波算法进行分析，同时特征向量矩阵的方式构建综合状态评价算法，实现分指标与综合状态的结果输出范式；最后利用仿真平台对多工况情况下的实际检测效率进行分析，认证系统有效性，为实际搭建与推广奠定基础。

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