摘 要：提出一种基于ZigBee无线通信技术的低功耗轴承温度检测系统设计方案。通过数字化温度传感器DS18B20检测轴承温度，应用Jennic公司JN5139模块构建ZigBee无线系统，并利用其内部电源监控电路检测电压。重点介绍数据采集节点的软硬件设计和系统低功耗实现方案。经测试与实验表明，系统工作稳定可靠，持续工作时间可达半年。
关键词：低功耗； ZigBee； 温度检测； JN5139
滚动轴承是传动部件的精密支撑件，其状态的好坏直接关系到轧钢机运行的质量。在轴承运转过程中由于轴承损伤而产生较大的摩擦、碰撞等,会引起轴承温度升高,出现“烧轴”现象[1]，甚至会抱死在轧辊上，使轧辊损坏，导致严重的经济损失。因此检测轴承的运行状态，在轴承出现故障时及时采取措施已经成为各大钢铁厂迫在眉睫的问题。
目前，检测和诊断轴承运行状态比较可行的方法有3种:测温、噪声和振动参数测试技术。测温技术由于其简单易行能综合反映包括轴承润滑状态在内的诸因素,并且各种轴承失效均反映为轴承的显著温升,因此采用测温法,便可对轴承的运行进行有效的监测，避免或减少故障带来的损失[2]。
1 ZigBee无线测温技术
由于轴承属于频繁更换的大型器件，轧钢厂现场环境恶劣，空气中油污多，若采用有线方式检测温度，不仅更换不方便，而且频繁插拨会使接头处受油污污染，影响数据传输。采用无线传输方式构建的传感器网络恰好可以避免这些问题。ZigBee技术[3]作为一种新兴技术，是专为低速传感器和控制网络设计的无线网络协议, 非常适合于工业自动控制和远程控制领域[4]。因此，将无线ZigBee技术和人工智能结合,在降低系统功耗的同时可以大大提高轴承温度检测系统的可靠性。
ZigBee标准包括物理层、介质访问层、网络层和应用层。有如下特点:
(1)功耗小。由于工作周期很短、收发信息功耗较低，因此在待机模式下, 2节5号干电池可支持1个节点工作6～24个月, 在睡眠模式下,电池寿命可长达数年, 其发射功率约为1 mW。
(2)成本低。模块价格低廉,且ZigBee 协议是免专利费的。
(3)时延短。ZigBee的响应速度快, 从睡眠中激活和激活后进入网络均只需15 ms。
(4)容量大。可采用星型、簇状或网状拓扑结构。在簇状和网状结构中, 一个主节点最多可管理254个子节点,若采用级连,节点数可达到65 000个。
(5)安全。提供了三级安全模式和高级加密标准(AES128)。
2 轴承温度检测系统
2.1 系统构成
系统结构框图如图1所示。
安装在轴承座内的温度传感器将检测到的温度信号，输入到ZigBee RFD模块，模块内置的休眠定时器和节能设备可大大降低系统的功耗，休眠定时器定时唤醒节点，采集温度与电池电压数据，ZigBee网络协调器接收到数据后，一方面返回给相应的ZigBee RFD模块确认信息，另一方面把接收到的数据以有线连接的方式传送到总控制台。总控制台是以ATmega8为核心的控制终端和上位机。它通过ZigBee无线网络控制底层数据测量系统的运行，接收各参量的测量数据，采用LED实时显示各传感器检测到的当前温度值，配有报警器、报警灯等，并且提供友好的人机界面，对接收到的数据进行显示、存储、记录，能够实现异常情况报警并输出控制信号对系统进行保护。检测系统中最关键的是测量节点的设计，下面对其硬件实现和软件实现进行介绍。
2.2 测量节点的硬件实现
采用Jennic公司的JN5139-Z01-M00/M01模块作为ZigBee网络节点核心，图2为温度采集硬件电路与JN5139的接口电路。
图2中选用DS18B20数字化温度传感器，其体积小，测量温度范围为-55 ℃～+125 ℃。在-10 ℃～+85 ℃范围内,精度为±0.5 ℃。
DS18B20采集到的节点温度量，经过信号调理电路后，输入到JN5139-Z01-M00模块。JN5139-Z01-M00是基于无线微控制器JN5139的发射模块，具有低功率、低成本等特点，集成了32 bit RISC MCU内核、高性能的IEEE802.15.4收发器、192 KB ROM和96 KB RAM，可以在很短的时间内在低成本下设计实现ZigBee无线网络系统。 其内置的休眠定时器定时唤醒节点，采集各测量数据并通过ZigBee无线网线传送到总控制台。该系统节点工作在2.4 GHz频段，传输速率为250 kb/s，传输距离大于100 m(可视距离)，工作稳定，可靠性高。
JN5139的CTS0、RTS0、TXD0、RXD0四个引脚与MAX232相连，可通过S2(PROM)即编程/运行的状态选择键来决定当前状态。当处于运行状态时，串口用于发送数据，当处于编程状态时，串口用于下载程序。
2.3 测量节点的软件实现
使用Jennic公司的Jennic CodeBlocks开发环境。采用其公司已经编好的MAC层软件，通过C语言编程完成应用层的开发。
图3中在所测电池电压小于2.8 V时报警，提示工作人员及时更换。等待DS18B20采集温度数据完成后，选用长短时间选择性休眠的方式。若无网络接收数据则每5 min发送一次，若有网络接收则每15 s发送一次数据，而且仅在每次检测到温度数据，需要发送时发射模块开始工作，发送完本组数据，其余时间将整个系统置于休眠状态。保证了用电量的减小，降低整个系统的功耗。数据接收端软件流程如图4所示。
3 低功耗策略及测试分析
3.1 低功耗策略
在系统设计中，根据实际需求，充分利用各种低功耗资源模式，尽量缩短节点工作时间，从而降低功耗。通常使用的电池实际容量与放电电流有关，放电电流较小时，电池放出的总电量明显大于标称容量，放电电流越大，电池放出的总电量越小，甚至明显小于标称容量。因此采取如下策略来降低系统工作电流，延长节点寿命[5]。
在硬件方面, 选用低功耗、低电压器件；对于工作电流小的器件如DS18B20、MAX232等采用引脚供电, 对于功耗大而又周期性工作的部件, 使用选通器件管理其电源；此外，不使用的单片机引脚按照数据手册进行设置，这对减少系统休眠模式下的电流效果显著。
在软件方面，利用硬件提供的支持, 关闭暂时不使用的部件的电源, 如DS18B20等；按照协议工作周期, 由软件控制JN5139的工作模式，进行周期性检测和睡眠。此外，选用长短时间选择性休眠的方式检测数据，这种方式与单一性的15 s休眠相比，在发送数据无网络接收时功耗小了20倍。
3.2 测试分析
完成系统设计后, 在电池电压3.4 V、发射功率为+2.5 dBm、接收灵敏度为-96.5 dBm 的情况下, 结合数据手册上的数据，对传感器节点的工作电流进行了实际测试, 忽略唤醒休眠时间等，结果如表1所示。
根据表1的工作模式及工作周期, 计算节点的平均工作电流为:
150 ℃高温工作环境下采用容量为1 800 mAh的电池，放电深度为50%。即由于系统长时间运行中电池的自放电因素, 电池可用电量为总容量的50%, 由公式(1)的结果以及表1得到:当系统以15 s为周期对轴承温度进行检测时, 可维持节点工作半年以上, 达到了设计要求, 其计算公式如式(2)所示。
3.3 电压检测
由于采用电池供电，需要对其电压进行检测，以防电压不足时影响测量温度值的准确度。
如图5所示，JN5139内部有6个12位模拟数字转换器(ADC)，采用了逐次逼近设计提高转换精度，其中4个可用于外部数据转换，另外2个用于连接内部的温度传感器和内部电源监控电路。
利用内部电源监控电路，对芯片24脚即模拟电源引脚VDD进行测量，VDD脚电压经过芯片内部一个电阻分压器将电压降至0.666倍后输入模拟数字转换器(ADC)，对其进行检测，可以实时监控电源供电状态。
4 试验结果
目前已完成工业小试样机的研制，由于该检测系统工作环境温度在50 ℃～80 ℃之间，当轴承发生故障时瞬间会达到100 ℃左右的高温，而且工作环境油污非常多，因此需要对采集模块的短时耐超高温工作能力和密封性进行实验。具体实验数据如表2所示。
轴承需要经常更换，因此除了对高温工作环境外，对于常温下以及冬天低温环境下的工作能力也需要进行检测。图6为不同模块放置于不同环境中的检测实验。图中数据表明，该系统已在高温环境中持续工作4个月之久，预计可工作半年。与室温下情况基本相当。而当置于低温环境下(0 ℃~5 ℃)时，电池供电能力明显下降，电压下降幅度大。因此在冬天则要考虑到该模块受低温的影响，要提前更换。软件系统中设计电压从3.6 V降到2.8 V时即产生欠压报警。此时及时更换电池便可对轴承运行状态进行持续、准确的监控。
经实验及现场调试，基于ZigBee技术的低功耗轴承温度检测系统，可以准确地检测轴承运转过程中的温度及其变化，监测轴承运行状态,在轴承故障前期及时采取措施，避免了对轧辊、钢板的损伤以及油温升高引起爆炸等重大事故的发生。相信通过努力，一个功能完善、基于ZigBee技术的轴承温度检测系统将得到推广和应用。
参考文献
[1] 宁练，周孑民. 滚动轴承内部温度状态监测技术[J]. 轴承,2007(2).
[2] 周华明，孙宝元.一种轧钢机轴承温度传感器的研制[J]. 传感器技术,2001(2).
[3] 瞿雷，刘盛德,胡咸斌.ZigBee技术及应用[M]. 北京：北京航空航天大学出版社， 2007.
[4] 陈景运，周祥平. ZigBee 技术在工业控制领域的应用[J].无线电工程,2006,36(6).
[5] 严美善, 袁涛. 低功耗无线室温监测系统的设计与实现[J].电子技术应用,2007,33(12).