用于钢轨监测的无线传感器节点故障诊断

发布时间：2017-05-22 09:08

  本文关键词：用于钢轨监测的无线传感器节点故障诊断，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：无线传感器网络节点集成无线通信技术、嵌入式技术、信号处理技术等先进技术于一身,使得其具有体积小、造价低、功耗低、功能多等诸多优点。但是由于传感器节点资源有限,且工作环境复杂,导致在实际应用中,传感器节点是无线传感网络中最薄弱、最容易出现的故障的一环。由于工作环境温差大、电磁干扰强、振动冲击强,应用于钢轨监测的无线传感器节点故障频出,为此本文展开了相关的故障诊断研究和实验测试,具体从节点线下诊断、节点在线诊断以及节点优化设计三方面进行了详细阐述。针对传感器节点线下故障诊断,研究了一种基于振动信号的故障检测方法。搭建了能提供稳定振动信号的测试系统,该系统由控制单元、激振器、简支梁结构以及监控软件组成。控制单元输出控制信号并通过功率放大器驱动激振器,激振器激振简支梁使之产生形变从而产生振动信号,振动信号通过梁上安装的传感器输出至传感器节点。利用该系统,通过分析采集数据的时频特性,可以有效地发现故障节点。针对传感器节点在线故障诊断,研究了基于感知数据比较的软故障诊断方法以及基于粗糙集和BP神经网络的硬故障诊断方法：软故障方面网关接收节点的感知数据并转发给任务管理端,任务管理端调用节点本次和上一次采集数据,通过计算二者的基值变化量和功率谱相关系数并将计算结果与规定的阈值相比较可判断节点是否工作正常；硬故障方面任务管理端通过节点的故障类型(传感器模块故障、通信模块故障、采集模块故障、供电模块故障)及其相应的故障征兆建立了一张故障决策表,接着利用粗糙集的约简算法对决策表进行约简并利用约简结果对建立好的BP神经网络进行训练。最后将测试样本输入到训练好的网络模型中进行测试,实现了节点的故障定位。此外,为了实现故障的预防和修复,进行了节点改进设计。通过STM32内置的12位AD转换器,实现了节点4路工作电压的采集和监控,以便于分析供电环节存在的问题。利用DS18B20传感器,实现了节点工作温度的监控设计,以便于分析节点温度和工作性能之间的关系。通过对程序的优化,解决了节点组网不成功、代码遭篡改、程序不能自动跳转等问题,并设计了一种升级引导程序的新方法,使得引导程序升级不再局限于JTAG或ISP等烧写方式。
【关键词】：无线传感器节点 故障诊断 测试系统 感知数据 粗糙集 神经网络 改进设计
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP212.9;TN929.5
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 1 绪论10-18
• 1.1 研究背景和意义10-11
• 1.2 无线传感器节点故障诊断研究现状11-15
• 1.2.1 集中式诊断12-13
• 1.2.2 分布式诊断13-15
• 1.3 论文研究思路和研究内容15-18
• 2 基于感知数据的传感器节点线下故障检测18-27
• 2.1 测试系统设计与实现18-21
• 2.1.1 控制单元设计19-21
• 2.1.2 功率放大器和激振器的选择21
• 2.1.3 简支梁结构设计与实现21
• 2.2 系统应用测试21-27
• 2.2.1 动态应变采集节点测试22-24
• 2.2.2 加速度采集节点测试24-27
• 3 基于感知数据比较的传感器节点在线故障诊断27-38
• 3.1 基值比较法28-32
• 3.1.1 基值比较算法定义28-31
• 3.1.2 基值比较算法应用举例31-32
• 3.2 功率谱相关系数法32-36
• 3.2.1 功率谱分析方法介绍32
• 3.2.2 功率谱相关系数算法定义32-34
• 3.2.3 功率谱相关系数算法应用举例34-36
• 3.3 诊断方法综合应用测试36-38
• 4 基于粗糙集和神经网络的传感器节点在线故障诊断38-52
• 4.1 粗糙集基本理论38-40
• 4.2 神经网络基本理论40-42
• 4.2.1 人工神经元模型40-41
• 4.2.2 BP神经网络41-42
• 4.3 基于粗糙集的节点信息约简42-48
• 4.3.1 基于粗糙集区分矩阵的约简算法42-43
• 4.3.2 基于区分矩阵的节点信息约简43-48
• 4.4 建立BP网络模型48-49
• 4.5 故障样本测试49-52
• 5 无线传感器节点改进设计52-64
• 5.1 多路电压监控设计52-56
• 5.1.1 电压采集硬件设计54-55
• 5.1.2 电压采集程序设计55-56
• 5.2 节点温度监控设计56-58
• 5.2.1 温度采集硬件设计56-57
• 5.2.2 温度采集程序设计57-58
• 5.2.3 温度采集功能测试58
• 5.3 Bootloader引导程序改进及其IAP远程升级58-64
• 5.3.1 STM32 IAP升级原理58-60
• 5.3.2 Bootloader优化设计60-62
• 5.3.3 Bootloader IAP远程升级62-64
• 结论与展望64-65
• 参考文献65-69
• 附录A 相邻采样时刻动态应变差值表69-72
• 附录B 神经网络测试样本72-74
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况74-75
• 致谢75-76

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 莫路锋;毛方杰;聂江武;宣子蔚;;基于感知数据的无线传感网被动诊断方法[J];北京邮电大学学报;2013年01期

2 沈敏;张荣标;冯友兵;;基于粗糙集的温室无线传感网络节点故障诊断[J];江苏大学学报(自然科学版);2009年05期

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 杨柳松;基于小波分析与神经网络滚动轴承故障诊断方法的研究[D];东北林业大学;2013年

中国硕士学位论文全文数据库 前1条

1 谢娟英;基于粗糙集理论与智能计算的分类规则挖掘方法研究[D];西安电子科技大学;2004年

  本文关键词：用于钢轨监测的无线传感器节点故障诊断，，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：385240