機(jī)械工程專業(yè)“無線傳感器網(wǎng)絡(luò)”實(shí)驗(yàn)式引導(dǎo)教學(xué)新方法

高尚 裴榮 江劍 王芳

摘 要 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為機(jī)械工程專業(yè)的交叉學(xué)科教學(xué)課程之一，主要培養(yǎng)該專業(yè)的學(xué)生對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在機(jī)械測試領(lǐng)域的應(yīng)用和理解能力，然而機(jī)械專業(yè)學(xué)生嚴(yán)重缺乏無線傳感器網(wǎng)絡(luò)電子通信領(lǐng)域交叉學(xué)習(xí)和實(shí)踐的機(jī)會(huì)。針對(duì)這一問題，本文探索了“實(shí)驗(yàn)導(dǎo)向，融合驅(qū)動(dòng)”教學(xué)法，以典型軸承故障診斷問題為導(dǎo)向，融合無線傳感器監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)新方法和新技術(shù)，引出軸承故障診斷領(lǐng)域中的知識(shí)點(diǎn)，轉(zhuǎn)化為工程應(yīng)用問題，鞏固理論知識(shí)的同時(shí)，提高了學(xué)生的工程應(yīng)用能力。

關(guān)鍵詞 實(shí)驗(yàn)式引導(dǎo)教學(xué);機(jī)械工程專業(yè);機(jī)械測試

中圖分類號(hào)：G424? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2021.33.019

A New Method of Experimental Guided Teaching of

"Wireless Sensor Network" in Mechanical Engineering

GAO Shang， PEI Rong， JIANG Jian， WANG Fang

（School of Mechanical Engineering， Nanjing University of Science and Technology， Nanjing， Jiangsu 210094）

Abstract As one of the interdisciplinary teaching courses of mechanical engineering major， wireless sensor network （WSN） mainly trains the ability of students to understand and apply WSN in the field of mechanical testing. However， the students in mechanical engineering are lack of the opportunities for learning and practice in WSN area. To address this issue， this paper explores the "experiment-oriented， fusion-driven" teaching method， which is guided by typical bearing fault diagnosis and integrates new methods and technologies of WSN， for extracting the knowledge points in the field and transforming engineering application problems. The teaching method aims at consolidating theoretical knowledge and improving students' engineering application ability.

Keywords experimental guided teaching; mechanical engineering major; mechanical testing

機(jī)械工程專業(yè)培養(yǎng)具備機(jī)械設(shè)計(jì)、制造、機(jī)電工程及自動(dòng)化基礎(chǔ)知識(shí)與應(yīng)用能力，能在科研院所、企業(yè)、高級(jí)技術(shù)公司從事各種機(jī)械、機(jī)電產(chǎn)品及系統(tǒng)、設(shè)備、裝置的研究、設(shè)計(jì)、制造、控制、編程，數(shù)控設(shè)備的開發(fā)、應(yīng)用研究以及從事技術(shù)管理的高級(jí)工程技術(shù)人才。[1-3]然而，隨著物聯(lián)網(wǎng)在機(jī)械工程領(lǐng)域逐步廣泛應(yīng)用，新型物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已成為該專業(yè)培養(yǎng)中不可或缺的交叉課程。“無線傳感器網(wǎng)絡(luò)”[4]作為機(jī)械工程專業(yè)中核心選修課程之一，在未來的機(jī)械工程專業(yè)中機(jī)械結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測密切相關(guān)，主要培養(yǎng)學(xué)生對(duì)機(jī)械故障和缺陷檢測和監(jiān)測的理解能力，為后續(xù)學(xué)生的專業(yè)課學(xué)習(xí)和就業(yè)拓展奠定基礎(chǔ)。

然而，通過近幾年在機(jī)械工程專業(yè)的授課經(jīng)歷和課程效果來看，學(xué)生很少能夠在課程設(shè)計(jì)或畢業(yè)設(shè)計(jì)等實(shí)踐環(huán)節(jié)中使用或能夠靈活運(yùn)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的知識(shí)。為了更好地適應(yīng)應(yīng)用型研究生教育的發(fā)展需要，儀器系教研室探索了“實(shí)驗(yàn)導(dǎo)向，融合驅(qū)動(dòng)”教學(xué)法[5-7]在“無線傳感器網(wǎng)絡(luò)”的課程改革過程中，將機(jī)械振動(dòng)故障診斷等課題引入日常的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，以課題中的實(shí)際問題引出知識(shí)點(diǎn)，轉(zhuǎn)化為工程應(yīng)用問題，通過解決問題為目的的實(shí)驗(yàn)引導(dǎo)式教學(xué)，融合式教學(xué)加強(qiáng)教師和學(xué)生的上下交流互動(dòng)，增加對(duì)學(xué)生工程應(yīng)用能力的訓(xùn)練，符合企業(yè)對(duì)機(jī)械工程技術(shù)人才的需求。

1 實(shí)驗(yàn)式教學(xué)設(shè)計(jì)相關(guān)背景

機(jī)械故障診斷[8-9]是一種了解和掌握機(jī)器在運(yùn)行過程的狀態(tài)，確定其整體或局部正常或異常，早期發(fā)現(xiàn)故障及其原因，并能預(yù)報(bào)故障發(fā)展趨勢的技術(shù)。油液監(jiān)測、振動(dòng)監(jiān)測、噪聲監(jiān)測、性能趨勢分析和無損探傷等為其主要的診斷技術(shù)方式。其中滾動(dòng)軸承作為機(jī)械領(lǐng)域常用典型元件，其故障診斷尤為重要。[10-12]滾動(dòng)軸承的結(jié)構(gòu)由滾動(dòng)球，保持架，內(nèi)圈和外圈組成。其四個(gè)常見故障是保持架斷裂、滾動(dòng)球剝落、內(nèi)圈剝落、外圈剝落。振動(dòng)時(shí)域特征的參數(shù)主要包括量綱參數(shù)（平均值，峰值，均方根值，平方根振幅）和無量綱參數(shù)（峰指數(shù)，峰度指數(shù)，波形指數(shù)，脈沖指數(shù)和公差指數(shù)）。[13-15]

課程實(shí)踐將江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目中基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的機(jī)械故障診斷問題為導(dǎo)向。如圖1（a）所示，圖中為電機(jī)DDS故障模擬系統(tǒng)，在電機(jī)軸承的保持架、滾動(dòng)體剝落、內(nèi)圈剝落、外圈剝落位置上布置了振動(dòng)傳感器節(jié)點(diǎn)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)課題需求， 可以歸納如下與軸承故障診斷相關(guān)的問題：（1）如何如何通過振動(dòng)傳感器提取軸承故障信息？（2）如何在無線傳感器節(jié)點(diǎn)上實(shí)現(xiàn)振動(dòng)時(shí)域參數(shù)提??？（3）結(jié)合機(jī)械振動(dòng)原理、傳感器、無線通信的專業(yè)知識(shí)，設(shè)計(jì)出無線振動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)數(shù)據(jù)采集和通信流程，確保獲取較好的診斷精度。通過電機(jī)故障問題式導(dǎo)向，將故障診斷問題與機(jī)械振動(dòng)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等知識(shí)點(diǎn)聯(lián)系起來，運(yùn)用這些知識(shí)點(diǎn)解決現(xiàn)有問題，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中掌握機(jī)械工程課程中的基本概念與標(biāo)準(zhǔn)等重要理論知識(shí)，強(qiáng)化課程內(nèi)容與機(jī)械工程專業(yè)的相關(guān)性，并提高學(xué)生的交叉運(yùn)用知識(shí)點(diǎn)的創(chuàng)新能力和動(dòng)手能力。

2 教學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

學(xué)習(xí)并掌握無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本概念及原理;掌握無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)架構(gòu)、節(jié)點(diǎn)在線處理方法、無線數(shù)據(jù)幀打包方法。

掌握振動(dòng)傳感器的工作原理和振動(dòng)時(shí)域信號(hào)測量原理。

結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和振動(dòng)變監(jiān)測，了解如何實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)同步采集原理。

加強(qiáng)學(xué)生多學(xué)科知識(shí)交叉學(xué)習(xí)和運(yùn)用的能力，提高學(xué)生的理論聯(lián)系實(shí)踐、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)技巧以及獨(dú)立解決問題的能力。

發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，以學(xué)生為主題展開本實(shí)驗(yàn)，教師逐步引導(dǎo)學(xué)生而不指導(dǎo)，解答問題而不解決問題，培養(yǎng)其在實(shí)驗(yàn)過程中能夠?qū)嶋H解決問題的能力。

2.2 實(shí)驗(yàn)儀器與設(shè)備

實(shí)驗(yàn)所需儀器：電機(jī)DDS故障診斷系統(tǒng)，電機(jī)軸承直徑為65.5mm，滾球直徑15mm，滾球數(shù)量8個(gè)，接觸角0度，軸承轉(zhuǎn)速1310r/min。如圖1所示。

基站節(jié)點(diǎn)：接收來自無線傳感節(jié)點(diǎn)的振動(dòng)數(shù)據(jù)，并將所有數(shù)據(jù)通過USB接口上傳到上位機(jī)。啟動(dòng)、暫?；蛘咄Ｖ贡O(jiān)測任務(wù)、定時(shí)向傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送同步包調(diào)整所有信道內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)的晶振漂移。

4個(gè)無線振動(dòng)傳感器節(jié)點(diǎn)：采集演示結(jié)構(gòu)件的應(yīng)變數(shù)據(jù)并發(fā)送給多信道基站、周期性接收來自管理節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的同步包進(jìn)行同步。如圖1 （b）所示。

2.3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

（1）將4個(gè)振動(dòng)傳感器分別粘貼在軸承保持架、滾動(dòng)體、內(nèi)圈、外圈上，并將傳感器輸出引線與4個(gè)無線振動(dòng)傳感器節(jié)點(diǎn)相連。

（2）設(shè)置故障系統(tǒng)類型，模擬電機(jī)軸承保持架、滾動(dòng)體、內(nèi)圈、外圈的相應(yīng)故障。開啟電機(jī)故障DDS系統(tǒng)產(chǎn)生機(jī)體振動(dòng)。

（3）啟動(dòng)監(jiān)測組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，通過基站節(jié)點(diǎn)檢查組網(wǎng)線路連接，啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)連接無線傳感器節(jié)點(diǎn)和多信道基站節(jié)點(diǎn)之間的通信，啟動(dòng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。

（4）通過基站下發(fā)指令配置無線振動(dòng)傳感器節(jié)點(diǎn)的采樣頻率、置預(yù)采樣觸發(fā)點(diǎn)和采樣長度。通過基站命令觸發(fā)無線傳感器節(jié)點(diǎn)在有限的采樣長度內(nèi)進(jìn)行振動(dòng)數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)。

（5）采集數(shù)據(jù)完成后，通過基站下發(fā)指令關(guān)閉網(wǎng)絡(luò)通信，停止無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集。

（6）無線傳感器節(jié)點(diǎn)將采樣時(shí)域信號(hào)進(jìn)行在線提取特征參數(shù)，包括（平均值，峰值，均方根值，平方根振幅）和無量綱參數(shù)（峰指數(shù)，峰度指數(shù)，波形指數(shù)，脈沖指數(shù)和公差指數(shù)）。

（7）關(guān)閉電機(jī)故障DDS系統(tǒng)產(chǎn)電源，關(guān)閉所有無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)電源。

3 實(shí)驗(yàn)分析與討論

3.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康妮S承故障診斷分析

根據(jù)基站獲得的數(shù)據(jù)，將特征參數(shù)中的量綱參數(shù)和無量綱參數(shù)作為輸入，軸承故障狀態(tài)作為輸出，建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)故障診斷模型。將19組特征參數(shù)作為訓(xùn)練樣本，1組特征參數(shù)作為測試樣本，首先分析BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的隱藏層節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)對(duì)軸承滾珠的平均故障精度的影響;其次，選擇最小隱藏層節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)后，比較不同量綱特征參數(shù)或無量綱特征參數(shù)數(shù)目、類型對(duì)軸承滾珠的平均故障分類精度影響，進(jìn)一步分析量綱和無量綱參數(shù)交叉組合對(duì)軸承滾珠的平均故障分類精度影響;分析交叉組合方式下，如何選取量綱和無量綱參數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)軸承滾珠的平均故障分類精度的提高。

3.2 組網(wǎng)同步采集分析

如圖2所示，在實(shí)驗(yàn)中，采用函數(shù)信號(hào)發(fā)生器可以產(chǎn)生正弦信號(hào)，所有監(jiān)測節(jié)點(diǎn)對(duì)這個(gè)輸出的正弦信號(hào)進(jìn)行同步采集，采樣頻率為400Hz，在一個(gè)正弦波形周期內(nèi)有固定采樣點(diǎn)。上位機(jī)根據(jù)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的同一個(gè)序列號(hào)的數(shù)據(jù)包在第一個(gè)周期正弦波形的接近最大斜率點(diǎn)的離散數(shù)值進(jìn)行記錄分析、時(shí)域波形對(duì)比，以評(píng)估監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的同步采集精度。以一個(gè)周期正弦波形為基準(zhǔn)，選擇基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)的某個(gè)數(shù)值點(diǎn)作為參考分析數(shù)值點(diǎn)。比較每個(gè)節(jié)點(diǎn)在該數(shù)值點(diǎn)上的模數(shù)電壓采樣值，并轉(zhuǎn)換為振動(dòng)時(shí)域值誤差。

3.2 思考與討論

（1）機(jī)械故障振動(dòng)信號(hào)量綱參數(shù)與無量綱參數(shù)在無線傳感器節(jié)點(diǎn)上處理功耗、處理時(shí)間、計(jì)算復(fù)雜度的區(qū)別？

（2）應(yīng)該如何交叉選擇量綱參數(shù)和無量綱參數(shù)，使得滿足精度的同時(shí)參數(shù)選擇最少？

（3）BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)隱含層節(jié)點(diǎn)如何選擇？是否對(duì)診斷精度產(chǎn)生影響？

4 結(jié)論

本文采用機(jī)械故障診斷和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)融合的實(shí)驗(yàn)式教學(xué)模式，跨越了機(jī)械故障診斷傳統(tǒng)教學(xué)手段，采用熱點(diǎn)先進(jìn)的傳感器技術(shù)手段對(duì)機(jī)械工程專業(yè)課程進(jìn)行創(chuàng)新性強(qiáng)化升級(jí)。它不僅鞏固了機(jī)械工程專業(yè)中關(guān)于軸承故障原因、軸承故障特征提取等重要的理論知識(shí)，并融合了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)絡(luò)通信、傳感采集、嵌入式開發(fā)、C語言程序設(shè)計(jì)等專業(yè)知識(shí)。通過該綜合教學(xué)實(shí)驗(yàn)，強(qiáng)化機(jī)械工程專業(yè)本科生理論聯(lián)系實(shí)際和獨(dú)立解決問題的能力，通過實(shí)踐激發(fā)學(xué)生對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)健康無線傳感器監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的興趣，開闊了學(xué)生視野，深刻理解了機(jī)械故障原因，加強(qiáng)了學(xué)生對(duì)無線傳感器監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)運(yùn)用與動(dòng)手等實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識(shí)，為學(xué)生將來的深造或就業(yè)做好鋪墊。

該項(xiàng)工作受國家博士后面上基金（2020M671481）資助，中央高?；究蒲谢穑?09181A8804和30919011263）、江蘇省自然科學(xué)基金青年基金（BK20190464）資助，南京理工大學(xué)教改基金（jg13423221）資助

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