利用无线传感器网络对地铁轮轴的运行状态进行实时监测是提高地铁安全运营指数的重要举措,然而,无线传感器节点依赖外部电池供电,能量受限。利用振动能量收集技术将地铁轮轴振动的机械能转换为电能为节点供电可解决能量受限的困境,然而,振动能量收集供电方式具有不稳定性,振动能量收集的供能环节和无线传感器节点的耗能环节存在不匹配的问题。无线传感器网络数据传输需兼顾供电来源的不稳定性和网络拓扑结构的动态变化特性,以实现振动加速度数据的可靠传输。如何设计地铁轮轴故障诊断模型以提取振动加速度数据具有的时间相关性和空间相关性是本文的难点和创新点。针对以上问题,结合地铁轮轴的实际应用场景,本文阐述了基于振动能量收集的无线传感器网络设计与实现工作,具体分为以下三个方面:(1)设计并实现振动能量收集。在地铁轮轴上采集振动加速度数据并分析其振动指标,以此作为振动能量转换元件和加速度计的选型标准;设计无线传感器节点并优化功耗;在还原地铁轮轴振动场景的实验平台下测试振动能量转换元件的能量转换效率;针对压电方式和电磁方式,设计了存储不消耗-存储并消耗的能量管理策略,并设计了相应的能量管理电路。(2)设计并实现无线传感器网络数据传输。路由算法将大跨度长线型的网络拓扑结构分解成簇网络,将无线传感器节点上电加入网络和节点掉电离开网络的随机性限制在簇网络内;MAC协议为确保数据传输的实时性和可靠性,采用集中式调度控制协议TDMA,并且设计了超帧时隙、时间同步、数据收发时序、网络报文;以电磁能量收集作为节点的供电来源,设计节点组网运行流程。(3)设计并实现地铁轮轴故障诊断。采集地铁轮轴的振动加速度数据,以数据增强的方式构建数据集,允许提出的模型能够迁移至实际的应用场景。故障诊断模型Metro Net分为Encoder模块和Decoder模块,Encoder模块可以提取振动加速度数据的时间相关性和空间相关性。本文在实验平台下测试并分析了以上三个方面的可行性。在电磁能量收集系统中,无线传感器节点上电启动工作所需时间较短,并且节点可持续工作;无线传感器网络数据传输系统可有效应对节点上电启动工作的不确定性、振动能量收集方式供电的不稳定性以及晶振误差产节生的时钟漂移;Metro Net模型分类精度高达97.20%,AUC指标高达0.9951,可部署在实际的应用场景。