基于ZigBee通讯协议的高压断路器的机械故障音频信号采集系统及采集方法与流程

本发明一种基于zigbee通讯协议的高压断路器的机械故障音频信号采集系统及采集方法涉及的是利用人工智能技术对电力设备在线监测与故障诊断的方法。

背景技术：

1、断路器是电力系统中的重要设备，用于在电路中断开或接通电流；其工作原理为利用电磁力来实现开关动作。断路器内部包含电磁铁和触点，在正常情况下，电磁铁维持触点闭合状态，电流得以通过；当需要中断电路时，控制电路使得电磁铁失去吸引力，触点因此分离，导致电路断开。

2、故障检测对于断路器至关重要，通过故障检测能够保证电力系统的安全运行。传统的故障检测方法往往依赖于定期的巡检和手动测试，这种方式效率低下且容易忽略潜在的问题。

3、基于声纹检测的方法为断路器故障检测提供了新的可能性；通过监测断路器工作过程中产生的振动和声音信号，并结合先进的信号处理技术和模式识别算法，可以实现对断路器工作状态的实时监测和故障诊断。这种方法不仅可以提高故障检测的准确性和效率，还能够降低维护成本，为电力系统的安全稳定运行提供有力支持。

4、但是传统的音频采集系统通常需要使用有线连接，这种布线方式通常会受到空间和距离的限制，还有可能会引起电磁干扰和损耗问题；系统需要提供稳定的电源供应，因此通常需要较高的功耗。这对于一些移动设备或需要长时间使用的场景来说，可能会限制设备的使用时间或增加功耗损失，所以有必要设计出一种新的方案来满足实际的需求。

技术实现思路

1、断路器在运行过程中可能造成机械故障，机械故障包括：储能电机空转、分闸电磁铁失磁、分闸线圈完全卡死、机械闭锁未解锁、链条断裂及螺母松动，本发明旨在模拟运行过程中可能造成的机械故障，并对机械故障声纹进行采集分析。

2、本发明针对传统的手动巡检和音频采集方式的不足，设计了一种基于zigbee通讯协议的高压断路器的机械故障音频信号采集系统。

3、本发明提出的基于zigbee通讯协议的高压断路器的机械故障音频信号采集系统，包括下位机区和上位机区。

4、其中，上位机区为计算机；下位机区包含数据采集分区和数据传输分区；数据采集分区和数据传输分区数据连接，数据传输分区与上位机区的计算机数据连接。

5、具体地，数据传输分区具有协调器节点、路由器节点和电源模块一；电源模块一分别电性连接协调器节点和路由器节点，用以分别供电。

6、具体地，所述的协调器节点为zigbee协调器装置，所述的路由器节点为zigbee路由器装置；所述的zigbee协调器装置和zigbee路由器装置均为市售产品。

7、具体地，数据采集分区具有电源模块二、终端节点、处理器、串口通信和传感器采集区；其中电源模块二分别电性连接终端节点、处理器、串口通信和传感器采集区；传感器采集区、串口通信、处理器和终端节点依次为单向数据连接，终端节点单向数据连接路由器节点。

8、进一步地，传感器采集区为mems传感器与滤波器组件连接，滤波器组件由rc高通滤波器和放大器组成，其中rc高通滤波器由电阻(r)和电容(c)组成，常用于滤除低频噪声，保留高频信号，放大器可以补偿音频信号在传输过程中的损失并且提升音频信号的信噪比。放大器音频信号rc高通滤波器可以经过进一步滤除噪声，再通过放大器提高音频数据的采集质量。

9、具体地，所述的终端节点为zigbee无线通信装置，zigbee无线通信装置为市售产品。

10、所述的处理器为cc2530单片机。

11、终端节点、路由器节点以及协调器节点采用zigbee簇状型网络结构，各个路由器节点之间可以直通信息，信息的传递更加灵活，并且路由器节点通过zigbee协调器装置与上位机之间进行连接。

12、所述的cc2530单片机内集成有8051内核，8051内核集成可调节电压调节器，电压转换器。能够根据电源管理单元动态调整电压，通过控制逻辑去调整电压，能够实现动态电压频率调节(dvfs动态电压频率调整)和自适应电压调节(avs自适应电压调整)的功能。

13、从终端所获取的音频数据通过zigbee无线通信装置无线传输上传给zigbee路由器装置，zigbee路由器装置作为一个中继作用，有效地增加了无线网络的覆盖范围和传输距离，将数据传输给zigbee协调器装置，在zigbee协调器装置将数据汇总好后，通过zigbee无线通信装置上传至上位机，以便于工作人员实施实时监测。

14、本发明同时引入动态电压频率调节(dvfs动态电压频率调整)和自适应电压调节(avs自适应电压调整)联合调控的方法通过监测电路负载和环境条件来动态调整电压和频率，在硬件机制下，系统可以预先设置多组电压和频率值，并根据硬件电路自动切换到最适合的组合以实现功耗最小化，从而实现功耗管理；无线传感器芯片采用节能策略，设置睡眠和工作两种模式，当上位机发送采集命令时工作，其余时间都处于睡眠模式。在一个工作周期内，只有短暂的时间用于数据采集和传输，这种策略极大地节省了电量并降低了功耗，从而提高了设备的能效性能。为此，此发明研究了集音频采集、处理、传输等功能为一体的设备单元以及无线音频传感器芯片的微功耗技术。

15、其中，dvfs动态电压频率调整，首先数据预处理模块通过频率寄存器与温度传感器分别读取系统当前的频率信息与温度信息，之后数据预处理模块将这些信息进行编码转换成了地址信息并输入给ram存储模块，该模块中存储着不同范围的频率与温度所对应的合理电压，ram存储模块根据当前系统频率与温度信息输出当前的合理电压信息给电源校对模块，最后电源校对模块控制ldo电源系统进行电压调节使之变成合理电压。

16、avs自适应电压调整，一次调节电压为经dvfs调节成的合理电压，但是该电压对应是一定范围的频率和温度，因此该电压仍不精确。

17、本发明一种基于zigbee通讯协议的高压断路器的机械故障音频信号采集系统及采集方法，其步骤如下：

18、s1,搭建实物硬件平台，模拟断路器在运行过程中可能造成的机械故障，对故障声音进行捕捉和降噪。

19、s2,将降噪后的故障声音传输到处理器中，对模拟信号进行处理转化为数字信号，应用频谱分析及特征提取的算法来识别和判断故障声音的性质和原因。

20、s3,引入电源管理技术、dvfs和avs自适应电压调整联合调控技术，通过监测电路负载和环境条件来动态调整工作电压和频率；设置休眠模式和工作模式，在完成采集处理任务后进入休眠模式从而实现低功耗。

21、s4,进行协调器与路由器终端节点之间的组网；将终端节点处理完的数字信号通过zigbee无线通信装置传输至路由器中，发挥其中继作用再进一步传输至协调器中；协调器接收到终端信号，终端设备停止工作，进入休眠状态，等待上位机再次发出工作指令。

22、s5,协调器将数据汇总好后，通过zigbee无线通信装置上传至上位机，以便于工作人员实施实时监测。

23、所述步骤s1的具体方法为：

24、实物硬件平台为一个音频传感器，一个电阻和一个电容串联结构式的rc高通滤波器以及一个放大器共同工作来实现对声音的捕捉和处理，模拟断路器在运行过程中可能造成机械故障，储能电机空转、分闸电磁铁失磁、分闸线圈完全卡死、机械闭锁未解锁、链条断裂及螺母松动的声音信号进行采集和捕捉。

25、进一步具体地步骤s1，在采集过程中，断路器故障所发出的声音通常为高频部分，通过滤波器组件来对模拟电信号进行处理，rc高通滤波器中的电容用于传递高频信号而阻断低频信号，而电阻则限制电流，控制滤波器的增益和频率特性。整个滤波器组件(即上述的rc高通滤波器和放大器)具有简单、廉价且有效的特点，适用于音频信号处理应用。使高频信号通过，对低频信号进行衰减和阻断来实现前端降噪，通过放大器来对高频信号进行增益，需要经过放大才能达到适当的电平。放大器可以增加音频信号的幅度，使其更容易被后续的电路处理和识别，以便于分析故障。高精度的声音识别可以帮助捕捉断路器运行时产生的微弱声音信号，并准确分析这些信号中的异常特征。

26、断路器故障的声音信号可能受到环境噪音的干扰，如交流电流声及机械振动声，这些干扰噪音会掩盖故障信号，使其难以被准确地检测和辨别。为了有效地检测断路器故障，声音降噪起到至关重要的作用。降噪技术可以过滤和抑制环境噪音，突出故障信号的特征，提高信号与噪音的比例。通过降低噪音干扰，可以更准确地分析和判断断路器故障的类型、程度和位置。

27、所述s2的具体方法为：

28、依据s1中降噪后的故障声音，将降噪后的故障声音传入处理器所述的cc2530单片机中，cc2530集成8051内核，负责对整个终端节点进行控制操作，完成对降噪后音频数据的存储处理以及无线通信。

29、本技术对cc2530的外围电路进行设计，考虑到cc2530单片机要正常工作，需要提供稳定且符合规格的电压。选择lm1117电源转换芯片来设计电源转换电路。lm1117是一个线性稳压器，它有三个基本引脚：电压输入引脚：这是lm1117的电源输入端，连接到外部电源；电压输出引脚：这是稳压后的输出端，连接到cc2530单片机的电源引脚；地引脚：这是电路的参考地，连接到电路的共同地线；将输入电源连接到lm1117的输入引脚，将输出电源连接到cc2530单片机的电源引脚。为了确保输出电压的稳定性和滤除电源线上的噪声，在lm1117的输入和输出引脚之间分别添加了一个适当的电解电容。电解电容能够储存能量并平滑电压波动，从而提供更稳定的电源给cc2530单片机。

30、cc2530需要晶振时钟电路来实现信号的收发，通过提供精确的时钟信号，确保电子系统中各个组件按照正确的时间序列进行操作，使系统工作正常并保持稳定。

31、所述s3的具体方法为：

32、引入电源管理技术、dvfs和avs自适应电压调整联合调控技术，通过实时监测电路负载和环境条件，动态调整工作电压和频率使之符合当前的电路负载与环境条件。这种联合调控技术能够在保证系统性能的前提下，有效降低功耗。在系统负载较低时，dvfs会降低处理器的工作频率和电压，以减少能量消耗；而在负载增加时，dvfs会提高电压和频率以满足性能需求。同时，avs技术根据处理器的性能要求动态调整供电电压，以适应处理器的制造变化和老化。通过这种动态调整，可以在不同的工作条件下提供最佳的性能和功耗比。此外，通过设置休眠模式，在完成采集处理任务后，系统进入休眠模式，从而实现低功耗。在休眠模式下，系统会关闭或降低非必要组件的功耗，以实现最低功耗。当需要执行任务时，系统会从休眠模式转换到工作模式，并按需提高电压和频率以完成任务。这种综合的电源管理策略，可以在不牺牲性能的情况下显著降低功耗，对于移动设备和需要长时间运行的系统尤其重要。

33、芯片的功耗主要由静态功耗和动态功耗组成，静态功耗是指芯片处于非工作状态时的功耗，由待机功耗和休眠功耗组成。动态功耗则是在芯片处于工作状态时的功耗，包括发送和接收数据时的功耗以及cpu运行时的功耗。

34、p＝pstatic+pdynamic

35、其中，在典型应用中，动态功耗pdynamic占总功耗p的80％，静态功耗pstatic占总功耗的20％。

36、其中，动态功耗又分为开关功耗和短路功耗：

37、(1)开关功耗，又称信号翻转功耗pswitch，即在信号进行翻转时所产生的功耗，公式如下

38、

39、其中α为cmos电路开关的活动因子，c为负载电容，vdd为电源电压值，f为电路的工作频率。

40、(2)短路功耗pshort，短路功耗只占信号翻转功耗pswitch的10％不到。

41、静态功耗pstatic，在cmos电路中，即使没有进行翻转操作，由于电路的上拉网络或下拉网络没有完全断开，晶体管仍然会存在亚阈值电流，从而产生静态功耗。主要是由泄漏电流所引起的功耗。公式如下：

42、

43、其中，μ为载流子迁移率,cox为栅电容，w为沟道宽度，l为沟道长度，vds为漏极和源极之间的电压，vgs则为栅极和源极之间的电压，vth表示热电压，而vt表示门槛电压，n则是取决于材料和结构的指数项。

44、从整体来看，在特定电压范围内，动态功耗仍然是芯片功耗的主要来源，通过适当降低工作电压和频率可以有效减少芯片的功耗。显然电压的平方与整体功耗成正比，因此降低工作电压对总体功耗的效果最为显著。传统dvs动态电压调整(dynamic voltagescaling)技术是通过改变电路系统的供电电压来实现功耗管理的，传统的dvs动态电压调整技术调节时间相对较慢，单一的调节方式低功耗的收益十分有限。相比之下，将dvfs动态电压频率调整(dynamic voltage and frequency scaling)粗调与avs自适应电压调整(adaptive voltage scaling)技术细调相结合则是通过监测电路负载和环境条件来动态调整电压和频率，从而实现功耗管理。但是对于芯片的低功耗设计而言，必须对芯片电压分区才能使不同的模块在不同的电压下工作，而外设供电可能需要使用电源管理技术来实现低功耗。dvfs动态电压频率调整能快速实现电压的调整，avs自适应电压调整技术常应用于抑制和补偿工艺、电压、温度对电路的影响，常采用监控时序的方法间接得到当前工作环境状况，并释放不必要的时序裕量。

45、首先，电源模块一给cc2530单片机持续供电，但是通过对cc2530单片机不同工作区域进行电压分区，有些器件的工作电压明显不同，则存储器根据芯片在不同工作状态下向控制器发出电压升高或降低的信号，之后信号则通过数模转换器将模拟信号传输至比较器中，比较器的正极则为模数转换器所传来的信号，比较器的负极则为当前cc2530单片机工作状态下的电压信号，二者通过比较器输出信号0或1，则对应电压下方的mos管进行关断或打开，从而调至cc2530单片机在当前工作状态下的最佳电压挡位。同时，avs自适应电压调整通过avs自适应电压调整控制状态机控制dc-dc模块对已经调至到相应挡位的电压进行调节，调节过程是监控关键路径的时序状况，对由于工艺、电压、温度造成的时序偏差而进行调整，自动调整供电电压。使用监控单元的监控方法通过构建一条由逻辑门组成的路径来模拟电路中的关键路径时序，并在不同pvt条件下添加修正结构以减小与实际关键路径的误差。与复制关键路径技术相比，通用监控单元的方法无需完全复制所有关键路径，只需设计几条带有修正结构的逻辑门路径即可代表整个芯片的时序，这样做的成本更低。此外，由于采用逻辑门构建，该方法具有较好的通用性和便于移植的特点。

46、dvfs动态电压频率调整和avs自适应电压调整联合调控的方法相对于传统的dvs动态电压调整和avs自适应电压调整在能量效率、性能平衡、热量产生和电池寿命等方面具有明显的优势。它可以根据实际需求动态地调整电压，提高系统的能效和性能，并减少热量产生，延长电池寿命。本发明选用该技术来降低音频优化中芯片的功耗。

47、此发明还可以通过软件编程的方式控制处理器的工作模式，当cc2530单片机工作在正常模式下的时候，通过配置其控制寄存器的相应标志位，使cc2530单片机进入休眠状态。当处理器停止工作的时候，不会干扰射频部分。所以根据应用环境的不同可以在射频收发数据信息时，停止处理器的工作，从而降低节点功耗。

48、所述步骤s4的具体方法为：

49、将终端节点处理完的数字信号通过zigbee无线通信装置传输至路由器中，路由器节点需要一系列硬件电路的支持。应用程序通过将数据放入协议栈来将数据发送到任意设备中。协议栈是zigbee网络中的一个应用层，负责管理数据的传输和路由选择。当应用程序发送数据时，协议栈会通过aodv(ad-hoc on-demand distance vector)的路由算法自动发起路径寻找，并选择一条最佳路径进行数据传输。具体而言：当应用程序需要发送数据到一个设备中时，它会广播一个路由请求消息。这个消息包含了应用程序(源节点)的地址、目的地设备(目的节点)地址和一个序列号，用于标识这个请求。中间节点收到消息后，如果它知道如何到达目的节点，或者它就是目的节点，它会回复一个路由响应消息。这个消息会沿着反向路径回到源节点。一旦路由被发现，源节点和目的节点之间的通信就可以开始了。网络中的节点会维护一个路由表，记录了到达其他节点的路由信息。如果某个节点发现路由断开或不可用，它会广播一个路由错误消息，通知其他节点更新它们的路由表。其中，路由表是指网络中的每个节点通常都维护一个路由表，其中包含了到网络中其他节点的路由信息。路由表可以动态更新，以反映网络拓扑的变化。这个路径发现机制会使路由器选择功耗最小的路径，以提高网络效率，同时将路径记录保存在路由器中的路由表中，方便以后的通信。协调器在完成网络启动之后，其功能与硬件电路和路由器基本一致，都需要有稳定的外部电源给路由器和协调器供电。协调器接收到终端节点的信号数据之后，向终端节点cc2530单片机发送指令使其停止工作进入休眠模式。cc2530单片机具有低功耗ram的功能，将需要保存的数据存储在低功耗ram中，在休眠模式期间，ram区域的内容保持不变；当cc2530单片机唤醒后，可以读取低功耗ram中的数据并进行恢复。

50、所述步骤s5的具体方法为：

51、协调器与zigbee无线通信装置建立连接后，采集到的数据会被封装成数据包，并通过无线信道传输给上位机。在上位机上配置网络连接时，需要设置与zigbee通信装置相匹配的通信频率、信道选择、功率水平和速率等参数，以确保通信的正常进行。接收到数据包后，上位机会解析数据包，解析数据包的标识符、校验码和数据字段等内容。

52、解析完成后，上位机会对数据进行处理，实时监测、计算、存储和展示。通过数据分析、生成图表、曲线、数字显示的方式，观察数据的变化和趋势。

53、本发明的有益效果是：

54、(1)音频采集装置设计用于非接触式检测10kv断路器的机械故障，通过采集设备发出的声音进行故障诊断。相比传统拆卸检查的方式，本发明具有实时监测和数据分析的优势。

55、(2)dvfs动态电压频率调整+avs自适应电压调整联合调控实现对于多挡位电压的双重控制，有效地降低处理器的功耗，提高设备的续航时间。其次可以平衡处理器的性能和功耗，在不同的负载情况下选择适当的电压和频率，以达到最佳的能效比。

56、(2)zigbee终端设备的组织灵活性和扩展性强，摆脱了通信电缆的束缚。由于无需布线，zigbee终端设备可以根据监测需求自由布置和移动，节点可以随意加入或退出网络，监测点可以方便地添加或删除。这种灵活性解决了传统有线监测布线灵活性差、扩展困难等问题。zigbee的组织灵活性和扩展性使得其在变电站等场景下具有很大的优势。