基于ESP32的复杂工况下工业电机的故障诊断与寿命预测

摘要

本设计是一款基于ESP32的电机监测器（后简称此硬件部分为 VDS）+上位机分析的整体系统，旨在能够将电机的声音、震动及环境温度设计采集并且使用无线通信协议将实时数据发送给上位机进行绘图分析。

VDS主要由ESP32模组主控、硅麦克风、高精度加速度传感器、电源、按钮、开关、无线发射天线等部分组成，能够实现实时的高采样率采集声音和震动数据，将数据打包进等长数据帧后将数据无线发送给上位机，用于进行后续分析及绘图，以便更好地判断电机状态。

主要研究了多传感器数据融合技术、传感器连续采集处理、近距离无线通信及低功耗设计策略，为数字工业分析提供了易部署、非接入性的新解决方案。

第1章绪论

研究背景与意义

在现代工业生产中，电机作为核心驱动设备，其性能和稳定性直接影响生产线的效率与安全。电机故障可能导致停机、生产损失和高昂的维修成本，因此对电机健康状况的日常评估和预测至关重要。

随着物联网（IoT）、大数据和人工智能（AI）技术的发展，电机维护逐渐向智能化和数据驱动转变。实时监测电机运行状态和分析历史数据可以提前识别潜在故障，优化维护策略，延长电机使用寿命，降低运营成本。

转子偏心和轴不对中是电机系统的主要旋转不平衡故障，工业界迫切需要此类故障的在线诊断技术的产品化，但现有方法在准确区分故障方面存在困难。本设计能够提供全面的电机故障诊断解决方案，研究电机轴承的结构和故障形式，阐述时域、频域和时频域的诊断方法。通过麦克风阵列获取电机振动数据，利用有效的希尔伯特-黄变换（HHT）方法进行故障诊断，并构建基于最小二乘支持向量机（LSSVM）的在线监测模型，结合人工智能算法优化参数，快速识别潜在故障，提前提出维护建议，降低意外停机风险。

研究内容与文本结构

本研究以ESP32为核心，设计电机监测与分析吸引。主要内容包括：通过硅麦克风、加速度计等传感器实现电机震动行程数据的实时采集与预处理；构建上下位机通信架构，通过无线WiFi协议实现下位机将数据实时无线传输至上位机；基于人工智能计算与相关震动分析算法进行电机的故障判断与预测。

系统创新点在于采用了非接入式设计，只需将VDS固定在电机外壳表面，即可进行数据采集与分析。本文后续章节将依次阐述系统总体设计、硬件电路与软件架构、实验验证及结果分析，最后总结研究成果并提出展望。

第2章总体方案设计与技术选择论证

系统总体架构设计

设计目标与功能需求

本设计旨在实现电机状态的声音、震动数据、环境温度的实时采集和和分析，核心功能包括：

声音采集：高采样率采集声音数据，用于分析正常运转声音和异响；
震动采集：高采样率采集加速度数据，用于分析正常运转震动和卡顿震动；
温度采集：精准采集环境温度数据，与其他数据结合计算对于电机的影响；
无线传输：将采集到的数据进行无线发送，省去了有线情况的繁琐；
算法测算：上位机程序使用合适算法对数据进行分析预测，及时检测电机问题；
可视化展示：上位机将数据进行绘图展示，用于分析员的高效分析。

系统架构设计

系统采用上下位机通信架构，电机监测器 VDS 上包括了主控ESP32、硅麦克风、加速度传感器、电源模块、按钮、电源开关、天线，复制数据的采集、预处理及发送。

硬件系统架构图

关键技术选择与论证

主控芯片选型

根据本设计的需求：需要一款小巧便携，且能够能够同时驱动麦克风、加速度传感器、温度传感器、RTC时钟、SD存储卡等多个外部硬件设备，最好能够自带WiFi传输功能的单片机，综合筛选下，选择了ESP32 WROOM32模组作为主控进行开发。

ESP32是一款由上海的中国公司乐鑫（Espressif Systems）开发的低成本、低功耗、高性能的双核系统级芯片（SoC），被广泛应用于物联网（IoT）和嵌入式系统开发。ESP32具有物理双核处理器，均支持240MHz主频运行且共享RAM；集成了2.4GWiFi、经典蓝牙和低功耗蓝牙，可以选择多种无线方案；带有GPIO、ADC、DAC、I2C、SPI、USART和本设计中最重要的I2S等多种外设；更具有低功耗模式大大延长了独立电源设备的使用时间。

本次使用的ESP32 WROOM32模组集合了ESP32主芯片、外部高速40MHz晶振、外部Flash、板载天线等，便于开发者快速开发使用。

麦克风选型

声音数据使用MEMS进行采集传输，（微机电系统 micro electro mechanical systems）麦克风，其是基于MEMS技术制造的麦克风，由硅结构材料进行物理拾音，又通过“硅电路”处理，所以又称“硅麦克风”。

硅麦相较于传统麦克风，具有电源抑制比高、震动耦合小、高温稳定、耐热性强、占用空间小、制造简单等优点，并且带有宽带RF抑制功能，对于需要数据无线传输的应用场景十分友好。

本设计采用了苏州敏芯微电子技术股份有限公司设计出产的型号为MSM261S4030H0R的硅麦，支持最大140dB SPL的声压等级和最高20KHz的声音频率，并且拥有94Db的灵敏度。在移动设备例如手机、笔记本电脑、蓝牙耳机等场景有着广泛的应用。

加速度传感器选型

加速度传感器使用了亚德诺公司（Analog Device简称AD公司）最新推出的ADXL38X系列，同系列分ADXL380与ADXL382，后者相较于前者最大的区别就是加速度测量范围更大，适合在地震检测领域使用，而本设计则需要精密测量加速度，因此选择使用前者也就是ADXL380。

ADXL380具有超低噪声密度、低功耗、宽带宽、低延迟等特性，并且占用空间小、集成温度传感器、耐机械冲击、工作温度范围广，十分适用在本设计中，进行加速度采集的重要工作。

其数字功能包括16位ADC、支持SPI或I2C协议，支持通过I2S、TDM、PDM音频接口输出数据，并且带有可编程滤波器、320字节内置FIFO等优点，相较于广泛应用的ADXL345所提升的绝不是一星半点。

温度传感器选型

温度传感器采用国内奥松公司生产的AHT20温湿度传感器，具有体积小巧、精度高、低功耗、抗干扰能力强等特点，且使用I2C协议更加保证通信速度与准确性，在此类需要减少体积的应用领域中可以选择使用。

电源芯片选型

电源部分主体采用了一款由意法半导体（STMicroelectronics简称ST公司）推出的高性能、高效率的降压升压DC-DC转换器STBB1。对于输入电源能够自动调节降压或升压，使输出电压能够稳定在固定值，与锂电池这种电量与输出电压有关联的对象十分适配。其具有以下几种特点：

STBB1是一款具有1.5MHz固定频率、高效、降压-升压 DC-DC 转换器，能够提供 1.2V 至 5.5V 的输出电压和 2.0V 至 5.5V 的输入电压的电源芯片。
采用了n沟道和p沟道MOSFET开关，有助于其实现高效率。同时支持广泛的输入和输出电压范围，能够满足不同应用的需求。
在低负载时会自动进入省电模式减少功耗。且关断模式时电流< 1 µA，令其具有十分低功耗的能力。
典型转化效率> 94%，提高能量利用率。
采用固定频率操作，这有助于减小电磁干扰（EMI），并提高系统的稳定性。
集成了多种保护功能，如过压保护、过流保护和短路保护，以确保系统的安全性和可靠性。
采用小尺寸封装，便于集成到各种紧凑型应用中。