無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在機(jī)械振動(dòng)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用*

黃榮久，方 杰，劉 煜

（重慶大學(xué) 通信與測(cè)控中心，重慶 400044）

0 引言

隨著機(jī)械設(shè)備的精密程度、復(fù)雜程度及自動(dòng)化程度越來(lái)越高，機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷技術(shù)越來(lái)越受到重視。而機(jī)械振動(dòng)是機(jī)械設(shè)備運(yùn)行中的一個(gè)重要特征參數(shù)，機(jī)械振動(dòng)監(jiān)測(cè)是機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷的重要手段。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（wireless sensor networks，WSNs）［1，2］技術(shù)的發(fā)展，使得其越來(lái)越多地應(yīng)用在測(cè)試測(cè)量工程領(lǐng)域。

用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)取代傳統(tǒng)有線傳感器裝置，可以減少布線，降低監(jiān)測(cè)系統(tǒng)部署成本，增加監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的靈活性、可維護(hù)性和可擴(kuò)展性。同時(shí)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有較強(qiáng)的容錯(cuò)能力，從而使監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的魯棒性提高。傳感器節(jié)點(diǎn)可以移動(dòng)，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有動(dòng)態(tài)性。鑒于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的種種優(yōu)點(diǎn)，其在機(jī)械振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用研究成為業(yè)界的關(guān)注熱點(diǎn)［3～5］。

針對(duì)機(jī)械振動(dòng)監(jiān)測(cè)的現(xiàn)狀，結(jié)合無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，構(gòu)建機(jī)械振動(dòng)監(jiān)測(cè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型及其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并采用關(guān)系矩陣算法完成對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的融合，以提高監(jiān)測(cè)精度和減少傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，最終完成對(duì)機(jī)械振動(dòng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

1 機(jī)械振動(dòng)監(jiān)測(cè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型

機(jī)械振動(dòng)監(jiān)測(cè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由機(jī)械振動(dòng)信號(hào)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)管理三部分組成，如圖1所示。整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是由多個(gè)相對(duì)獨(dú)立的微型監(jiān)測(cè)子網(wǎng)組成的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。在機(jī)械振動(dòng)信號(hào)的采集部分，以一定數(shù)量的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)分布于監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過(guò)一定的組網(wǎng)方式構(gòu)成無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。每個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)完成振動(dòng)數(shù)據(jù)的采集，采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中起數(shù)據(jù)匯集點(diǎn)的作用，最終傳送到數(shù)據(jù)終端進(jìn)行下一步的數(shù)據(jù)處理，同時(shí)在監(jiān)控端通過(guò)分析接收到的振動(dòng)數(shù)據(jù)，可以監(jiān)測(cè)機(jī)械設(shè)備的振動(dòng)情況和對(duì)機(jī)械設(shè)備出現(xiàn)的故障進(jìn)行診斷。

圖1 機(jī)械振動(dòng)監(jiān)測(cè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型Fig 1 WSNs system model for mechanical vibration monitoring

在機(jī)械振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，及時(shí)而準(zhǔn)確地獲取振動(dòng)信號(hào)是完成監(jiān)測(cè)和診斷的前提條件。為保證較高的振動(dòng)信號(hào)品質(zhì)和采集可靠性，采取以現(xiàn)有的測(cè)振傳感器和信號(hào)預(yù)處理電路與無(wú)線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)結(jié)合的監(jiān)測(cè)模式［6］，將所采集到的機(jī)械部件振動(dòng)信號(hào)在前端電路預(yù)處理后，接入無(wú)線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)端進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，最終通過(guò)無(wú)線通信模塊完成數(shù)據(jù)傳輸。監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)硬件組成如圖2所示。

圖2 監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的硬件組成Fig 2 Hardware composition of monitoring node

2 機(jī)械振動(dòng)監(jiān)測(cè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在機(jī)械振動(dòng)監(jiān)測(cè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)相對(duì)其他的工程應(yīng)用有所不同，機(jī)械振動(dòng)測(cè)試中，被測(cè)對(duì)象要求的測(cè)量點(diǎn)數(shù)通常在幾十個(gè)節(jié)點(diǎn)左右，這與常規(guī)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中以大量節(jié)點(diǎn)為基礎(chǔ)的大規(guī)模組網(wǎng)概念不同，網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍相對(duì)于環(huán)境監(jiān)測(cè)等傳統(tǒng)應(yīng)用要小得多。傳統(tǒng)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)布點(diǎn)、自組網(wǎng)所形成的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在機(jī)械振動(dòng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中并不適用。因此，采取人工布點(diǎn)方式，通過(guò)IEEE 802.15.4協(xié)議組建星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，如圖3所示。

星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是最簡(jiǎn)單的一種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫问?，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)只包含一個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和一系列的終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)。每個(gè)終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)只能和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。在本機(jī)械振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，依據(jù)機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行情況，在需要監(jiān)測(cè)的部位部署若干個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)組成星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)子網(wǎng)，監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)作為終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)對(duì)機(jī)械振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)作為協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)則是整個(gè)星型網(wǎng)絡(luò)的中心，負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)星型監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)的維護(hù)與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，為了防止由于網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)損壞或者能量耗盡導(dǎo)致整個(gè)監(jiān)測(cè)子網(wǎng)失效，采用一個(gè)具有全功能的節(jié)點(diǎn)作備用網(wǎng)關(guān)，在網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)異常情況下作網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)使用，直到原網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)恢復(fù)正常功能。

圖3 機(jī)械振動(dòng)監(jiān)測(cè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig 3 Structure of WSNs topology for mechanical vibration monitoring

3 機(jī)械振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)融合

機(jī)械振動(dòng)監(jiān)測(cè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)有別于傳統(tǒng)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模相對(duì)較小，節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)不是太多。在選定星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)作為監(jiān)測(cè)子網(wǎng)的組網(wǎng)方式的前提下，網(wǎng)絡(luò)路由就相對(duì)簡(jiǎn)單，通過(guò)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)即可，在這里不作詳細(xì)論述。但是，機(jī)械振動(dòng)監(jiān)測(cè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)信息大，要求網(wǎng)絡(luò)時(shí)延小。如果把每個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)都通過(guò)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)送到監(jiān)測(cè)終端，不僅會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁塞產(chǎn)生較大的數(shù)據(jù)延遲，還會(huì)不必要地過(guò)分消耗能量致使網(wǎng)絡(luò)生命周期縮短。因此，數(shù)據(jù)融合是機(jī)械振動(dòng)監(jiān)測(cè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵。

在本系統(tǒng)中機(jī)械振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)融合的基本思想是:若1個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的輸出數(shù)據(jù)被大多數(shù)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)所信任，即這個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的輸出數(shù)據(jù)有效。若1個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的輸出數(shù)據(jù)不被其他監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)所信任，或者只被少數(shù)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)所信任，則這個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的輸出數(shù)據(jù)無(wú)效。采用關(guān)系矩陣法將各監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的輸出數(shù)據(jù)依據(jù)信任程度在網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合。關(guān)系矩陣法廣泛用在數(shù)據(jù)挖掘、人工智能、航空航天等涉及到大量數(shù)據(jù)信息處理的各個(gè)領(lǐng)域［7～9］。

設(shè)監(jiān)測(cè)子網(wǎng)由n個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)組成，第i個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)和第j個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)輸出的數(shù)據(jù)分別是xi，xj，且都服從Gauss分布，密度函數(shù)分別記為pi（x），pj（x），xi，xj是Xi，Xj的一次觀測(cè)值。為反映各監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)之間的偏差大小，引進(jìn)置信距離測(cè)度來(lái)表示［10］

其中

A，B分別為概率密度函數(shù)曲線pi（x|xi），pj（x|xj）在區(qū)間（xi，xj）或（xj，xij）上積分所得交集部分，分別如圖4中的（a），（b）兩部分圖形所示。

圖4 置信距離測(cè)度示意圖Fig 4 Schematic diagram of the confidence distance measurement

dij的值為第i只傳感器與第j只傳感器輸出的置信距離測(cè)度。dij越小，i，j傳感器之間輸出數(shù)據(jù)越接近，通常dij可通過(guò)誤差函數(shù)erf（θ）直接求得，即

根據(jù)關(guān)系矩陣的基本原理，結(jié)合無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際物理意義，引入信任程度rij，rij表示第j個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)對(duì)第i個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的信任程度，所有的信任程度構(gòu)成關(guān)系矩陣

使用橢圓曲線來(lái)確定各監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)之間的信任程度。根據(jù)節(jié)點(diǎn)測(cè)量的范圍，確定3個(gè)閾值ε，ε1，ε2，然后結(jié)合置信距離測(cè)度，用橢圓曲線來(lái)確定rij在閾值附近的模糊性，即

設(shè)βK是第k個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)在整個(gè)監(jiān)測(cè)子網(wǎng)中的綜合信任程度的衡量指標(biāo)，βK值越大，該監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的輸出數(shù)據(jù)重要程度越高，在融合過(guò)程中所占的比重越大。因?yàn)殛P(guān)系矩陣是正矩陣，由Perron-Frobenius定理可知，一定存在最大特征值λmax＞0。記特征方程為

解特征方程得關(guān)系矩陣的各特征值，找出其最大的特征值λmax，λmax對(duì)應(yīng)的特征向量記為P，即有λmaxP=P，其中，P=［θ1，θ2，…，θn］T。展開(kāi)關(guān)系矩陣可以得到

則相對(duì)應(yīng)的綜合信任程度為

因此，監(jiān)測(cè)子網(wǎng)內(nèi)所有監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的輸出數(shù)據(jù)在網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)融合后的輸出為

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證本系統(tǒng)在機(jī)械振動(dòng)監(jiān)測(cè)中的可用性，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。選用Lance公司的LC0401型加速度傳感器和信號(hào)調(diào)理箱獲取振動(dòng)信號(hào)，并利用CC2430無(wú)線通信模塊自帶的A/D實(shí)現(xiàn)振動(dòng)信號(hào)的采集，以某摩托車車架為測(cè)試對(duì)象構(gòu)建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖Fig 5 Structure diagram of experimental platform

在測(cè)試車架上，4個(gè)不同的監(jiān)測(cè)部位分別具有不同的振動(dòng)頻率，為提高測(cè)試的準(zhǔn)確性和魯棒性，每個(gè)監(jiān)測(cè)部位由4個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)建1個(gè)監(jiān)測(cè)子網(wǎng)，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以看出:監(jiān)測(cè)子網(wǎng)1和監(jiān)測(cè)子網(wǎng)3內(nèi)的各個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)都處于正常工作狀態(tài)，由于噪聲和系統(tǒng)誤差影響，測(cè)量結(jié)果距實(shí)際振動(dòng)頻率有一定的偏差，但是經(jīng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行融合后，其輸出相比單個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)更為接近實(shí)際真值，監(jiān)測(cè)精度得到了大大的提高。監(jiān)測(cè)子網(wǎng)2內(nèi)的2號(hào)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)由于受到損壞不能正常工作，其他3個(gè)節(jié)點(diǎn)正常，同樣，經(jīng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)融合去除錯(cuò)誤數(shù)據(jù)后，其輸出數(shù)據(jù)正常，證明使用關(guān)系矩陣融合的該監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)具有很好的魯棒性。在監(jiān)測(cè)子網(wǎng)4所監(jiān)測(cè)的部位正常狀態(tài)下其振動(dòng)頻率為50kHz，由監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)測(cè)得實(shí)際振動(dòng)頻率為44.81 kHz，系統(tǒng)工作異常，可以使工作人員及早發(fā)現(xiàn)被監(jiān)測(cè)設(shè)備的故障。每個(gè)監(jiān)測(cè)子網(wǎng)內(nèi)的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)融合之后，由網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)送到監(jiān)測(cè)終端，有效地減少了傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。

5 結(jié)論

依據(jù)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在機(jī)械振動(dòng)監(jiān)測(cè)應(yīng)用中特點(diǎn)，構(gòu)建了基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的機(jī)械振動(dòng)監(jiān)測(cè)模型和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并通過(guò)搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證，表明該機(jī)械振動(dòng)監(jiān)測(cè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以完成機(jī)械振動(dòng)測(cè)試任務(wù)，且具有較高的魯棒性。同時(shí)，基于關(guān)系矩陣的數(shù)據(jù)融合算法可以有效提高監(jiān)測(cè)精度和減少數(shù)據(jù)傳輸量。

表1 監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab 1 Result of monitoring experiment

［1］Hill J，Culler D.A wireless platform for deeply embedded networks［J］.IEEE Micro，2002，22（6）:12 －24.

［2］Pottie G，Kaiser W.Wireless sensor networks［J］.Communications of the ACM，2000，43（5）:551 －558.

［3］Bao Wen，Zhou Rui.Anti-aliasing lifting scheme for mechanical vibration fault feature extraction［J］.Mechanical Systems and Signal Processing，2009，23（5）:1458 －1473.

［4］Huang Weiguo，Wu Shuyou.Research on blind source separation for machine vibrations arora［J］.Wireless Sensor Networks，2009，1:453－457.

［5］Rahim I A.Development of a vibration measuring unit using a micro-electro-mechanical system accelerometer for machine condition monitoring［J］.European Journal of Scientific Research，2009，35（1）:150 －158.

［6］湯寶平，賀 超.基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的機(jī)械振動(dòng)監(jiān)測(cè)模式［J］.中國(guó)機(jī)械工程，2009，20（22）:2737 －2741.

［7］Guo Yu，Chen Wenlong，Chen Shouyu.Intelligent control and automation［C］//The 7th World Congress on Intelligent Control and Automation，WCICA 2008，2008:7108 －7112.

［8］Lin Chijen，Wu Weiwen.A causal analytical method for group decision-making under fuzzy environmen［J］.Expert Systems with Applications，2008，34（1）:205 －213.

［9］陶文華，葉志鋒.關(guān)系矩陣法在發(fā)動(dòng)機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障檢測(cè)中的應(yīng)用［J］.航空動(dòng)力學(xué)報(bào)，2009，24（8）:1872 －1877.

［10］Wang C M，Iyer H K.Fiducial intervals for the magnitude of a complex-valued quantity［J］.Metrologia，2009，46（1）:81 －86.