摘要
本文提出了一种针对工业电机的无线故障检测系统，该系统通过融合振动、电机电流和温度分析，显著提升了机械故障的检测能力。该设计不仅考虑了故障检测的时效性，还规划了后续应对措施，这对早期发现潜在故障、避免电机不可逆损伤具有重要价值。系统基于IEEE 802.15.4标准的无线传感器网络（WSN）实现远程电机状态监测，采用信标使能模式同步多个传感器节点与协调器节点，并通过保障时隙机制确保数据监测的确定性延迟。图形用户界面支持电机状态远程访问及多参数实时监控。经硬件与软件协同优化后，所开发的无线传感器节点功耗极低，仅需一枚3.3V/2600mAh电池即可维持两年以上的超长续航。实验室与现场测试验证了该无线系统的可行性，其低成本、高可靠性和紧凑型设计展现出显著优势。
关键词
故障检测、IEEE 802.15.4、无线传感器网络、电机电流分析、保障时隙（GTS）、信标使能模式
1、引言
工业电机系统的状态监测因其广泛应用而成为一项重要任务。在发达国家，工业能耗的很大一部分来自电机系统，其中三相感应电机因其结构坚固、维护简便而占据主导地位[1-6]。基于状态的维护（CBM）方法通过实时数据评估设备健康状况，优化维护资源并提升系统可靠性。
振动监测是最传统且广泛使用的方法之一，因其能有效预防故障且便于数据测量与分析。另一种电机故障诊断方法是温度监测[7]——过度摩擦或轴承磨损必然导致电机工作温度异常升高[8]。此外，交流感应电机的高能耗峰值及缺相问题也需重点监测[9,10]，这些异常需立即处理以避免不可逆损坏。实践经验表明，充分预测电机故障需要整合多源信息，因此将振动技术与电气参数测量相结合可显著提升故障检测精度[11]。
本文设计了一种无线系统，可实时监测电机阵列的振动、温度及电流消耗。实时监测要求电机数据的采集与呈现具有周期性，且不受设备其他任务的影响[12]。该系统基于IEEE 802.15.4标准的信标使能模式（beacon-enabled mode）和保障时隙（GTS）机制，实现可调采样周期与固定延迟的数据监测。各电机数据发送至基站进行报警决策，传感器选型严格遵循无线传感器网络（WSN）的特性：低成本、小体积与低功耗。
全文结构如下：第2章介绍IEEE 802.15.4标准及工作模式选择；第3章详述传感节点与协调器节点的硬件设计；第4章解析信标使能模式、GTS机制、固件及图形用户界面；第5章展示测量结果；第6章总结全文。
2、无线传感器网络基础
无线系统因安装简便、维护成本低且灵活性高，逐渐取代传统有线系统，尤其在远程监测领域[13]。无线传感器网络（WSN）由传感节点（mote）与协调器节点（sink）构成：传感节点通过环境参数测量与微控制器数据处理，将数据无线传输至协调器。其射频接口通常采用节能通信技术以延长电池寿命，而协调器节点无功耗限制。
WSN属于无线个域网（WPAN）范畴，其高度集成的电子元件使小型低功耗传感节点得以快速普及，便于部署且续航持久。根据应用需求，可选择802.11、蓝牙、UWB、ZigBee或IEEE 802.15.4等技术。近年来，IEEE 802.15.4标准因其低数据速率与高能效特性，成为WSN产品的标杆协议。
IEEE 802.15.4核心概念
该标准专为低速率无线个域网（LR-WPAN）设计，具有低成本、低功耗与高灵活性，支持多种拓扑结构[14-20]。其物理层采用全球通用的2.4 GHz ISM免许可频段，确保系统全球适用。
长期部署且无需维护的大规模节点网络需高能效支持。IEEE 802.15.4通过节点休眠机制降低功耗，延长网络寿命[21]。尽管工业界曾因可靠性问题对无线系统持保留态度，但该标准通过终端节点与协调器的安全关联机制保障了通信安全。
IEEE 802.15.4支持两种基本模式：
● 信标使能模式：适用于本文目标应用，可实现节点同步与周期性唤醒，对电机振动监测系统的同步采集至关重要。
● 非信标模式：适用于低复杂度、低流量网络，支持多层级大规模覆盖，但无法实现通信同步。
3、系统硬件设计
本节阐述硬件架构、传感器选型及系统功能。如图1所示，系统包含三个子系统：传感设备、协调器节点及信息管理系统（基站）。协调器节点通过USB连接监控计算机，完成数据评估与处理。该系统采用星型拓扑无线网络，其替代方案是在传感节点本地处理电机数据并仅传输结果（如故障报警），虽降低网络负载，但会提高终端设备的软硬件要求。
该无线传感器网络系统采用符合要求的设备开发，具备稳健的无线通信技术、低成本和紧凑型设计等特点。同时，系统选用了低功耗的传感器、信号调理接口、微控制器和收发器，以确保高效的能耗管理。此外，该网络具备良好的可扩展性。
3.1、传感器节点
图2展示了传感器节点的硬件结构框图。为平衡成本、功耗与性能，每个节点采用双处理器架构，由两个独立电路组成：一个基于Atmel公司的8位ATmega328微控制器，另一个基于Atmel的8位ATmega128RFA1微控制器。此外，该节点还包含一组三通道模拟输出传感器，用于测量振动、电机电流和温度等必要参数。其中一个微控制器负责采集传感器数据，另一个则控制无线通信协议栈。
这种双处理器设计使得一个微控制器可专门处理IEEE 802.15.4标准的通信协议栈，而另一个则负责传感器采样。若采用单一微控制器方案，由于精确评估振动所需的采样点数会受到更大限制，将难以实现实时振动监测。该传感器节点采用电池供电，同时也可通过micro-USB接口使用外部电源工作。
4、软件设计
本系统采用IEEE 802.15.4标准的信标使能模式（beacon-enabled mode），该模式通过周期性的信标帧（beacon frame）实现协调器节点与传感器节点间的同步通信。如下图所示，信标帧作为超帧（superframe）的起始部分，由协调器节点定期发送至关联的传感节点，这种机制确保了数据传输的可靠性——这对本监测应用至关重要。
这种通信架构使传感器节点能够通过追踪信标帧，实现与协调器节点的传输同步。该机制具有双重优势：在超帧活跃期内允许节点竞争信道访问权限，在非活跃期则强制进入低功耗模式，此时禁止任何数据传输。
超帧活跃期包含两个时段：竞争访问时段(CAP)和无竞争时段(CFP)。在竞争访问时段(CAP)内，所有需向协调器节点传输数据的终端设备必须采用时隙化载波侦听多路访问/冲突避免(CSMA/CA)机制竞争信道使用权。该机制通过可配置参数退避指数(BE)动态确定时隙选择范围，使各节点能够在指定区间内随机选取传输时隙实现媒体接入。BE值越大，节点可选的时隙范围越广，但会导致平均等待时间延长，同时降低信道碰撞概率。显然，若数据传输无法在竞争访问时段(CAP)结束前完成，则自动延至下一超帧的CAP时段处理。因此，无法确保监测数据能在对应的超帧周期内完成传输。为解决这一问题，本系统采用保障时隙(GTS)机制，以实现具有确定延迟的数据监测。协调器节点最多可分配7个GTS时隙，且单个GTS可占用多个时隙周期。每个在GTS内传输的设备必须确保其通信事务在下个GTS起始时刻或无竞争时段(CFP)的结束时刻前完成。
在保障时隙(GTS)内传输的传感器节点无需竞争信道访问权限，因为该时隙已为特定设备专用。然而，协调器节点（负责发送信标帧）与关联传感节点之间仍需建立协商协议。因此，采用保障时隙(GTS)机制可确保所有监测设备在严格对齐的时隙瞬间完成数据传输，并且传输频率由超帧周期严格锁定。
5、实物图片
文章来源：https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC5375755/
