高速铁路基础设施监测无线传感器网络研究

摘要

高速铁路列车运行速度有了极大提高，在线路设计时大量运用了高架桥梁、无碴轨道、无缝线路等新技术以保证铁路的平顺性。钢轨桥梁等铁路基础设施的技术状态对高速铁路列车安全运行有着重要的影响，对其服役状态和环境等信息的长期监测在确保高速铁路行车安全中起到关键作用。无线传感器网络是由大量的微小传感器节点，以多跳无线通信方式构成的自组织分布式网络系统，对目标信息进行采集和处理，并将其发送给网络所有者。基于ZigBee和GPRS技术，论文设计了一种用于轨道基础结构长期监测的无线传感器网络，并分析了无线传感器网络的通信性能。
　　首先，介绍了铁路监测无线传感器网络的研究现状。分析了构成无线传感器网络的主要通信技术，包括:构成ZigBee技术体系的IEEE802.15.4协议的物理层、MAC层和ZigBee协议的网络层，在此基础上对研究了ZigBee的组网性能和功耗;就GPRS通信技术的架构和基本原理，分析了GPRS技术的运营特点和在无线传感器网络应用中的适用性。
　　其次，设计了一种用于铁路基础设施监测的无线传感器网络。论文分别使用加速度传感器和温湿度传感器采集钢轨的振动加速度信息和环境温度信息;通过JN5148 ZigBee模块和Q2686 GPRS模块搭建二级通信网络，实现传感数据的汇聚和远程通信。详细描述了网络节点的硬件电路设计和eclipse C\C++平台下节点的嵌入式程序设计。为了降低了设备的平均能耗，网络采用同步休眠工作模式，增加了电池的使用寿命。
　　最后，利用所设计节点设备，实验分析了无线传感器网络的通信距离、丢包、传输时延和有效传输速率，并对无线传感器网络的整体性能进行了测试，结果表明该无线监测网络可以对传感器信息进行准确的采集、汇集和远程通信。

目录

致谢

摘要

1 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 无线传感器网络

1．3 ZigBee技术

1．4 国内外研究现状

1．5 研究的目的和意义

1．6 论文的主要内容和层次结构

2 ZigBee技术和GPRS技术

2．1 IEEE802．15．4

2．1．1 IEEE802．15．4物理层

2．1．2 IEEE802．15．4 MAC层

2．2 ZigBee

2．2．1 ZigBee简介

2．2．2 ZigBee网络层

2．2．3 ZigBee能耗分析

2．3 GPRS

2．3．1 GPRS简介

2．3．2 GPRS应用业务

2．4 本章小结

3 无线传感器网络硬件设计

3．1 系统总体架构

3．2 节点硬件设计指标

3．3 硬件选型

3．3．1 ZigBee模块选型

3．3．2 GPRS模块选型

3．4 节点硬件设计

3．4．1 总体设计

3．4．2 ZigBee模块设计

3．4．3 GPRS模块设计

3．4．4 电源设计

3．4．5 串行通信设计

3．4．6 传感器电路设计

3．4．7 PCB设计

3．5 本章小结

4 嵌入式软件设计

4．1 开发平台

4．1．1 Eclipse集成开发环境

4．1．2 JenNet协议栈

4．2 基于JenNet协议栈的ZigBee网络

4．2．1 Jenie API

4．2．2 ZigBee网络组建

4．2．3 ZigBee网络通信

4．3 应用程序设计

4．3．1 传感器采集程序设计

4．3．2 GPRS通信

4．3．3 串口通信设计

4．3．4 时钟和休眠

4．4 本章小结

5 系统实验测试及分析

5．1 ZigBee网络性能分析测试

5．1．1 通信距离测试

5．1．2 网络传输时延测试

5．1．3 有效传输速率

5．1．4 加速度传感器测试

5．1．5 温湿度传感器测试

5．2 系统整体测试

5．3 本章小结

6 总结与展望

参考文献

图索引

表索引

作者简历

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