基于WIFI技术的振动信号监测分析系统设计∗

刘英杰 毛敏

（1.昆明理工大学信息工程与自动化学院昆明650500）（2.云南省矿物管道输送工程技术研究中心昆明650500）

基于WIFI技术的振动信号监测分析系统设计∗

刘英杰1，2毛敏1，2

（1.昆明理工大学信息工程与自动化学院昆明650500）（2.云南省矿物管道输送工程技术研究中心昆明650500）

在当前实际生产中，机器运行现场和监控室之间往往需要相隔一定的安全距离。传统的有线传输数据方式给工程施工带来了诸多不便，同时耗费了大量人力和物力。因此，为了加强数据采集传输的适用性，论文采用无线传输方式，在实验室已有条件下，通过自己设计并开发的一个基于WIFI技术的振动信号监测PCB板，实现对于轴承实时振动信号的采集和无线传输，PC机进行数据接收，以Visual Studio 2012为开发工具，内嵌Matlab软件对数据进行算法分析。该系统实现了轴承振动信号的实时采集和无线传输，在实验室环境下进行测试分析，取得了较好的实验效果。

滚动轴承；WIFI技术；振动信号；STM32；远程监控

Class NumberTH133.3

1 引言

目前，在机械故障诊断领域内，轴承作为旋转机械设备中最为常见，也是最易损坏的部件之一，一旦运行出现问题将影响整机的正常工作，因此对其进行监测和诊断研究有重要意义［1］。对轴承进行实时的振动信号的监测和分析已成为目前的研究热点，并取得了丰硕的研究成果。但仍有一定的不足［2～3］，在振动信号传输过程中数据接收不稳定，无法实现信息实时监控的目的，同时成本又比较高等问题。针对上述情况，本文提出基于WIFI技术的振动信号监测分析系统，实现对于轴承实时振动信号的采集和无线传输，PC机进行数据接收，以Visual Studio 2012为开发工具，内嵌Matlab软件对数据进行算法分析。该系统实现了轴承振动信号的实时采集和稳定地无线传输，在实验室环境下进行测试分析，取得了较好的实验效果。

2 振动信号监测分析系统的总体方案

基于WIFI技术的振动信号监测分析系统主要用于采集轴承运行时产生的振动信号，通过时频分析方法对信号数据进行处理，实现对轴承运行状态的实时诊断。系统硬件主要实现了对于轴承振动信号的采集，以及通过WIFI模块的无线传输。主要包括传感器采集模块、STM32主控制模块、WIFI无线传输模块等，在主控制器STM32的控制下，由振动传感器去采集轴承的振动信号，并由振动传感器模块自带的A/D转换模块将采集到的模拟电压信号转换成数字信号，通过I2C接口传数据到STM32中，再通过串口将数据传输到WIFI无线模块上，以路由器作为无线数据中转，将数据发到In⁃ternet上，通过远端路由器接收这些数据，然后无线传输到PC机，最后在PC机上对采集到的数据进行算法分析。系统整体设计思路如图1所示。

图1系统整体设计框图

3 系统硬件设计方案

系统硬件主要实现对轴承振动信号的采集和无线传输，包括采集模块、主控制模块、传输模块等部分。首先传感器去采集轴承振动信号，对获取的信号进行A/D转换等处理，通过I2C接口传数据到STM32主控制器，后者再将数据通过串口传输数据到WIFI模块，再由WIFI通过无线数据中转的路由器将数据发到Internet上，远端路由器来接收这些数据，最后无线传输到PC机。图2为系统硬件设计实物图。

图3系统硬件设计实物图

3.1 采集振动信号传感器选取

振动传感器用于从轴承处直接采集振动信号的参数，这些振动参数可以是位移、速度或者是加速度，传感器的分类是根据所采集的振动信号来划分的。因此传感器的分类有以上三种，其中加速度传感器在振动监测中应用最为广泛。为了采集滚动轴承所发出的振动信号，本文采用了MPU-6050传感器，该传感器芯片内置了16bit的AD转换器，16位数据输出，所得电压信号就不需要再外加其他电路进行信号调理。MPU-6050的陀螺仪感测范围为±250、±500、±1000与±2000°/s（dps），加速器的感测范围为±2g、±4g、±8g与±16g，可精确感应快慢急缓的动作［4～5］。该传感器采用高达400kHZ快速标准的I2C通信协议，提高了数据传输的效率。具体实物图如图3所示。

图4MPU-6050传感器实物图

3.2 主控制器电路设计

作为下位机的核心部件，主控制器在整个系统中控制传感器采集数据并实现WIFI无线数据传输等方面都发挥了重要的作用，所以合理正确地设计该模块至关重要。本文主控制器芯片采用的是STM32系列的STM32F105RE微处理器，它是意法半导体公司基于ARM的Cotex-M3内核推出的一款32位高性能处理器，具有易开发、高性能、低功耗、低成本、外设资源丰富等优点，因此被广泛应用［6～7］。主控制器芯片设计电路图如图4所示。

图5主控制器芯片电路图

STM32F105RE微处理器一共有64个引脚，采用LQFP64的封装模式，CPU频率是72MHZ，工作电压在2V～3.3V之间［8］。它具有64KB的FLASH和64KB的RAM，能够满足在数据采集时对于数据缓存的需求。微控制器STM32F105RE还拥有5个USART标准通信接口，2个CAN总线的接口，3个SPI接口，2个I2C接口，16个12位的A/D的转换器以及2个12位的D/A转换器，2个12通道的DMA控制器等丰富的外设资源，可以满足数据与上位机通信的要求［9～10］。

3.3 电源模块设计

电源模块的设计在整个系统中是非常重要的，通过对数据采集传输系统进行详细解析，系统主要需要5V、3.3V等电平。本文选用的电源芯片为REG1117-3.3线性稳压器，可将5V电源直接转换成3.3V电压，封装类型是SOT-223［11］，其电路设计如图5所示。

图5电源模块图

本文选用的REG1117-3.3电源芯片将5V电压直接转换成3.3V电平，输出电流800mA。为了更直观地显示电源走向，在设计电源模块时添加了电源指示灯。需要注意的是，电源设计时要考虑各种电源之间的隔离，以防止数字电路对模拟部分带来干犹。

3.4 无线WIFI模块ESP8266

目前，无线传输方式主要有蓝牙、Zigbee、GPRS、WIFI等，相比其他无线通信技术，WIFI通信技术具有简单易用、价格低廉、传输距离远、传输速率高等特点［12］，所以本文单片机与电脑之间数据的无线通信采用WIFI传输方式。具体无线WIFI模块采用的是乐鑫科技公司专为移动设备和物联网应用设计的串口转WIFI模块ESP8266。ESP8266是一个完整且自成体系的WIFI无线网络的解决方案，专为物联网应用设计，可为用户将所需的物理设备连接到WIFI无线网络上，进行互联网或局域网通信，实现联网功能。ESP8266模块相比于其他2.4G频段的WIFI模块来说，一个显著的优势就是价格比较便宜，可以给开发者提供低成本的硬件无线WIFI解决方案。ESP8266还具有低功耗工作模式，能够在低功耗与高性能之间任意切换，具有睡眠功能、自适应无线电偏置及自适应消除蓝牙、蜂窝射频干扰等功能［12］。ESP8266无线WIFI接口电路如图6所示。

图6ESP8266无线WIFI接口电路

ESP8266是一款带有WIFI硬件模块的芯片，片上具有GPIO、SPI、PWM、UART、I2C等接口，只需很少的外围电路即可实现具有WIFI通信功能的智能设备设计［5］。该模块支持STA/AP/STA+AP三种工作模式，可以通过互联网控制，利用终端设备进行无线控制，ESP8266模块主要是通过AT指令集将WIFI数据转换成串口数据与主控制器进行数据交换，使用起来非常方便。在本文设计中，为了提高传输速率，单片机与ESP8266模块是通过串口连接，传输速率最高达到50Mbps，很好地满足了对振动数据传输速率的要求。

4 系统软件整体设计分析

总体来说，系统的软件设计包括两部分，一部分是上位机软件的设计，一部分是嵌入式下位机的程序设计。上位机软件是基于Visual Studio C#与Matlab混合编程实现的，下位机以C语言为编程语言，通过Keil μVision 5编程软件对系统进行编程。上位机软件包括如下几部分，PC机通过ESP8266无线接收数据，并实现对数据处理及算法分析，对处理后的数据进行结果显示和存储。下位机主要是通过振动传感器监测出轴承振动数据，通过串口接口将数据传给单片机，后者再通过ESP8266无线模块完成跟上位机的无线通信。

4.1 软件整体功能介绍

系统软件主要包括数据采集、无线通信传输、算法处理程序等。系统的初始化设计是单片机正常运行的基础，首先进行软件程序的初始化设置，初始化结束后，在软件后台调用Matlab引擎对接收到的振动数据进行时频分析，方法采用奇异值分解（Singular Value Decomposition，SVD）特征提取方法。对处理后的数据进行能量求解，得到信号特征量，输入支持向量数据域描述（Support Vector Data Description，SVDD）故障模型进行状态诊断，显示诊断结果。软件设计流程图如图7所示。

图7软件设计流程图

本软件主要实现对采集到的振动信号进行诊断分析，具体采用SVD特征提取和SVDD单分类识别方法。针对运行中的机械设备，实现了对于滚动轴承实时地进行监测诊断，具体实现的功能包括：1）对于下位机采集到的数据进行接收和显示；2）对接收到的数据进行算法分析；3）对最终的处理结果进行显示和保存。

4.2 轴承的振动信号采集测试

系统的振动信号采集部分主要由下位机来完成，实现了由振动传感器MCU-6050采集到振动信号经过I2C传输数据到STM32，后者再通过串口接口将数据传输给无线模块ESP8266，最后由ESP8266无线传输到无线网络中，PC机连接上无线网络，再利用网络助手软件便可以实现对于接收到的数据的查看。网络助手接收到的数据如图9所示。在系统接收数据前，需要对网络调试助手该软件进行一些设置，如图8所示，协议类型选择为TCP Client类型，服务器的IP地址设置成192.168.4.1，服务器端口号填写为333，点击连接后，软件便接入了无线局域网络，接收监测系统无线发送的数据。

图8网络助手接收到数据

4.3 振动信号采集与分析系统

下位机采集到振动数据后，就需要上位机对这些数据进行分析，考虑到Matlab具备了非常强大的数字信号处理的能力，以及Visual Studio C#可以快捷实现软件模块化编程，有利于用户与软件间的交互操作。所以系统软件采用了Visual Studio C#与Matlab软件相结合的数据分析方式。其中软件的界面编写是在Visual Studio C#的基础下完成的，而软件的内核计算借助了Matlab软件的矩阵运算功能。在Visual Studio C#界面中选择不同的操作，就可以调用Matlab程序实现计算，并将最终计算结果可视化显示。

4.3.1 人机界面分析与操作

振动信号采集分析系统的显示界面采用Visu⁃al Studio 2012进行设计，界面显示如图9所示。主窗口主要包括采集数据显示、振动数据时域显示及分析、诊断结果等部分，窗口中还设计了系统仿真、开始检测、保存等基本操作。具体操作方式为，当下位机连接好后，打开该软件，启动程序就会采集数据并显示，格式为16进制，同时会出现振动数据的时域波形显示，再点击“系统仿真”按钮，就会对采集到的数据进行SVD与SVDD的故障诊断算法分析，点击“开始检测”按钮，就会将数据经过算法分析后的结果在“诊断结果”对话框中进行显示，同时还可以将最后得诊断结果进行保存。

图9振动信号采集分析系统显示界面

4.3.2 振动信号采集与分析系统测试

单片机接通电源后，WIFI模块上的红色指示灯闪烁，表明WIFI模块已经上电。打开电脑的无线连接界面，就发现可用WIFI列表中出现一个名为“ESP8266”的无线接入点，这个无线网络接入点就是WIFI模块ESP8266提供的。点击“ESP8266”，输入密码“123456789”，成功连接上WIFI模块。下位机实时采集轴承的振动信息，PC机进行无线数据接收与分析显示。界面显示如图10所示。

图10振动信号采集分析系统测试界面

从图10可以发现，当软件进行实时监控时，会将采集到的振动数据在“采样数据”对话框中显示，同时会出现振动数据的时域波形，再经过菜单栏的一系列操作，最终的诊断结果为“正常”，说明该组数据是在轴承正常运行情况下采集得到，无故障发生。

5 结语

本文主要介绍轴承振动信号监测与分析系统的设计与实现，包括系统硬件部分主要电路的介绍、系统软件主要设计分析、系统采集数据和分析数据测试实现。振动传感器采集轴承振动信号，通过无线WIFI模块传输到远端PC机，通过开发的Visual Studio C#调用Matlab程序界面，将论文中的数据处理算法应用其中。经测试，采集信号正常，无线数据传输稳定，分析软件运行结果准确，达到了振动信号实时采集和准确分析的目的。

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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

刘英杰，男，硕士研究生，研究方向：信号处理、模式识别、机械故障诊断。毛敏，男，硕士研究生，研究方向：管道泄漏、故障诊断。