用于铁轨压力监测的无线监测系统设计

摘要

我国铁路建设近几年取得了重大进展，为保障铁路系统的安全、可靠运行，本文使用无线传感器网络技术实现铁轨压力的远程实时动态监测。但同时由于监测节点是大空间范围分布，利用电缆供电较为困难，故设计了一种基于逆磁致伸缩效应的新型压电换能器为监测节点提供电能。
　　首先，从铁轨的特定工作环境以及磁致伸缩材料性质出发，我们对压电换能器结构进行设计和优化，分别从理论模型分析和ANSYS压磁-压电比拟法仿真分析两个方面研究该方案的可行性，结果显示该换能器能够较好的满足节点的供电需求。
　　其次，根据逆磁致伸缩换能器的自供电大小，设计了一套基于CC2430+GPRS（SIM300C）的铁轨压力无线监测系统。分析了传感器节点和汇聚节点各功能模块的硬件结构电路设计，搭建了一套稳定、低功耗的硬件系统。并详细阐述了系统的软件设计：包括传感器节点的定时采集、定时发送数据流程；汇聚节点CC2430组建最小跳数场路由、接收发送传感器节点数据、与STM32的串口通信以及GPRS发送数据和接收GPRS命令数据等等软件设计流程。
　　最后分别通过对无线传感器网络的测试、GPRS远程通信测试以及系统整体性能测试，结果表明该系统功耗低、稳定性高，数据传输成功率达90％以上，能够很好的完成铁轨压力的远程实时监测任务。

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注释表

第一章 绪 论

1.1 课题背景及意义

1.2 磁致伸缩换能器国内外研究现状

1.3 无线传感网络及列车运行安全监控研究现状

1.4 论文主要研究内容和具体章节安排

第二章 无线监测系统整体框架设计

2.1系统总体设计概述

2.2 磁致伸缩换能器结构设计

2.3系统硬件平台方案设计

2.4系统软件平台方案设计

2.5系统设计要求

2.6本章小结

第三章 基于大功率磁致伸缩材料的压电换能器设计

3.1 磁致伸缩换能器结构设计

3.2 磁致伸缩换能器理论分析

3.3 换能器有限元分析

3.4 功率调理及储能电路

3.5本章小结

第四章 无线监测系统硬件设计

4.1铁轨压力监测传感器节点硬件结构设计

4.2铁轨压力监测汇聚节点硬件结构设计

4.3本章小结

第五章 无线监测系统软件设计

5.1 ZigBee协议栈流程及路由分析

5.2铁轨压力监测传感器节点软件设计

5.3 铁轨压力监测汇聚节点软件设计

5.4 本章小结

第六章 实验测试分析

6.1无线传感器网络测试

6.2 GPRS远程通信测试

6.3系统整体测试

第七章 总结与展望

7.1全文内容总结

7.2后期工作展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文

附录一：ANSYS仿真命令流

附录二：系统软件程序片段