钢轨监测系统WSNs网关研制及电磁兼容性测试

摘要

钢轨安全监测是确保列车行车安全的一个重要监测手段。面向钢轨监测的无线传感网系统能满足当前实时、快速、精确、广域监测的迫切需求。大量分布布设在钢轨上的节点形成无线传感器网络，能实时监测钢轨状态，从而为后续分析提供数据依据。网关作为无线传感网系统的重要设备，实现着异构网络互连通信的功能。本文针对钢轨安全监测的需求，研制了一种基于Zigbee-3G通信的WSNs网关。
　　首先概述了面向钢轨监测的无线传感网系统的体系结构，分析了WSNs网关的功能需求，并在此基础上对网关的接入方式进行了选择，分别以Zigbee和3G通信技术接入无线传感器网络和外部网络。最后根据功能需要给出了网关软硬件总体设计方案。
　　针对WSNs网关硬件需求，对网关通信层及供电层进行了设计，实现了硬件平台的搭建。并针对不同的工况环境，采用220V交流供电和太阳能直流供电两种供电方案。针对异构网络互连的需求，在WinCE平台上开发了网关应用软件，并出于数据完整性考虑，制定了一种数据补包机制，能有效的将数据丢失率降低至0.6％。另外，针对网关文件系统远程管理的需要，制定了一种远程访问机制。
　　考虑到钢轨监测现场复杂的电磁干扰环境，对网关硬件部分进行了电磁兼容性设计。分析了铁路信号系统及网关中可能造成的电磁干扰问题，采用屏蔽、接地、滤波等技术对网关箱体、信号天线、网关供电电路进行了电磁兼容设计，并按照相关国家标准GB/T24338.5-2009对轨旁通信设备的要求，对网关进行了多项电磁兼容性测试，测试结果均达到A级标准。
　　研制的WSNs网关在实验室进行了性能测试，测试结果显示:网关启动时间仅需47s;能在-25℃～75℃温度范围内正常工作;完成一次数据传输的时间约为2min。此外网关还在北京铁道科学试验中心进行了一定规模的试验，在试验路段安装20套网关及40套传感器节点，并在此平台上完成了多项测试。经监测现场及实验室测试表明，该网关具有启动快速、运行稳定、数据传输可靠、抗干扰能力强等特点，能满足钢轨监测的应用需求。

目录

论文说明

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题背景及研究意义

1．2 钢轨监测的研究现状

1．2．1 周期巡检方式

1．2．2 实时监测方式

1．3 WSNs网关的研究现状

1．4 研究内容及论文结构

2 面向钢轨监测的WSNs网关方案设计

2．1 面向钢轨监测的WSNs系统

2．2 网关功能需求分析

2．3 网关接入方式选择

2．3．1 WSNs接入方式选择

2．3．2 外部网络接入方式选择

2．4 网关总体结构设计

2．4．1 网关硬件总体框架

2．4．2 网关软件总体架构

2．5 本章小结

3 WSNs网关硬件及软件实现

3．1 网关硬件通信层设计

3．1．1 WSNs汇聚模块

3．1．2 嵌入式处理器

3．1．3 3G路由器

3．2 网关硬件供电层设计

3．2．1 蓄电池选型

3．2．2 充电源设计

3．2．3 电源充放电控制器

3．2．4 GSM远程短信开关

3．3 WSNs网关软件部分设计

3．3．1 网关应用软件程序设计

3．3．2 数据补包机制

3．3．3 网关远程访问机制

3．4 本章小结

4 WSNs网关电磁兼容性设计及测试

4．1 电磁兼容概念

4．2 铁路系统电磁干扰源分析

4．3 网关电磁兼容性方案设计

4．3．1 箱体屏蔽设计

4．3．2 天线屏蔽及防雷设计

4．3．3 电路滤波及防雷设计

4．4 WSNs网关电磁兼容性测试

4．4．1 WSNs网关电磁兼容性测试平台搭建

4．4．2 静电放电抗扰度试验

4．4．3 射频电磁场辐射抗扰度试验

4．4．4 电快速瞬变脉冲群抗扰度试验

4．4．5 浪涌(冲击)抗扰度试验

4．4．6 射频场感应的传导骚扰抗扰度试验

4．4．7 工频磁场抗扰度、脉冲磁场抗扰度试验

4．4．8 传导骚扰试验

4．4．9 辐射骚扰试验

4．5 本章小结

5 WSNs网关性能测试

5．1 WSNs网关基本性能测试

5．1．1 WSNs网关启动时间测试

5．1．2 WSNs网关工作温度范围测试

5．1．3 WSNs网关通信距离测试

5．2 WSNs网关数据传输耗时测试

5．3 WSNs网关丢包率测试

5．4 现场测试

5．5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢