城轨列车无线传感器监测网络节能策略研究

【摘要】：近年来,随着城市轨道交通系统不断发展,在城轨列车走形过程中,如何对列车关键设备状态参数进行实时、可靠地监测,以减少事故发生,保证列车安全运行已成为城轨列车安全监测系统的关键问题。 本文主要对基于无线传感器网络技术的城轨列车传感器监测系统的节能策略进行研究和论述。针对城轨列车无线传感器监测网络,通过合理有效的节能策略,在降低单个传感器监测节点能耗的同时,也大大延长了整个网络的生命周期,更好地保证了城轨列车无线传感器监测系统的正常稳定运行,具有很重要的理论研究和实际应用意义。 本文首先介绍了城轨列车无线传感器监测网络的研究背景、应用价值和国内外研究现状,然后针对传感器监测网络体系结构进行能耗分析,并对相关节能策略进行了研究,在此基础上,对传感器监测节点各单元进行对比选型,从硬件节能设计和软件节能设计两个方面对传感器监测网络节能策略进行了进一步研究。作者主要工作如下： (1)分析了城轨列车无线传感器监测网络的能耗分布特点,确定能耗主要来源(数据处理和数据传输),针对能耗主要来源,从网络拓扑结构、数据处理单元、无线通信单元和软件设计四个方面分析制定了相应的节能策略。 (2)基于相应的节点节能策略,在低功耗传感器监测节点设计中,通过对比分析,完成对网络拓扑结构的选取以及对传感器监测节点各单元低功耗器件对比选型。 (3)在硬件节能设计方面,本系统选用C8051F996微处理器作为节点数据处理单元,nRF905射频芯片作为节点无线收发单元,DS18B20数字温度传感器作为节点传感器单元,EVE品牌的EF702338方形锂能电池作为节点直接供电单元。在低功耗传感器监测节点的物理器件运用上,做到进一步降低能耗。 (4)在软件节能设计方面,在完成节点硬件平台搭建的基础上,编写了点对多点的系统通信协议,制定了简洁的系统通信数据帧结构,尽力减少通信开销,以降低节点能耗。完成节点节能策略(工作—睡眠周期性交替转换机制)实现以及节点低功耗工作流程设计。 (5)最后,在完成节点软硬件节能设计的基础上,对平台通信的可靠性和有效性,最重要的是节能特性进行了实验验证,实验结果表明所提出的城轨列车无线传感器监测网络节能策略能够实现预期目标,节省了传感器监测节点电池电量,延长了整个网络生命周期,具有较深远的理论和实际意义。 【关键词】：无线传感器网络 城轨列车监测系统 节能策略 低功耗 C8051F996
【学位授予单位】：大连交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：U270.38;U29-39
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-14
• 1.1 课题的研究背景及意义10-11
• 1.2 城轨列车无线传感器监测网络及节能策略研究现状11-13
• 1.2.1 国外研究现状11-12
• 1.2.2 国内研究现状12-13
• 1.3 论文的研究内容及体系结构13-14
• 第二章 监测网络能耗及节能策略分析14-24
• 2.1 城轨列车无线传感器监测网络能耗分析14-18
• 2.1.1 监测网络体系架构14-16
• 2.1.2 传感器监测节点能耗分布16-18
• 2.2 无线传感器网络节能技术研究18-20
• 2.2.1 数据处理的节能技术18
• 2.2.2 数据传输的节能技术18-20
• 2.3 监测网络节能策略分析20-23
• 2.3.1 监测网络拓扑结构的节能策略20-21
• 2.3.2 数据处理单元的节能策略21
• 2.3.3 无线通信单元的节能策略21-22
• 2.3.4 软件设计方面的节能策略22-23
• 2.4 本章小结23-24
• 第三章 低功耗传感器监测节点节能方案24-31
• 3.1 城轨列车无线传感器监测网络拓扑结构24-26
• 3.2 传感器网络监测节点比较26-27
• 3.3 数据处理及控制单元27-28
• 3.4 无线通信单元28-30
• 3.4.1 无线收发芯片29-30
• 3.4.2 天线30
• 3.5 本章小结30-31
• 第四章 列车关键设备监测节点硬件低功耗设计31-38
• 4.1 传感器监测节点硬件低功耗设计31-37
• 4.1.1 数据处理单元设计31-33
• 4.1.2 无线收发单元设计33-36
• 4.1.3 传感单元设计36
• 4.1.4 供电单元设计36-37
• 4.2 汇聚节点的设计37
• 4.3 本章小结37-38
• 第五章 传感器监测节点软件低功耗设计38-49
• 5.1 传感器监测网络节能拓扑结构的通信实现38-41
• 5.1.1 广播通信机制38-39
• 5.1.2 介质访问控制机制39-40
• 5.1.3 时间同步机制40-41
• 5.2 传感器监测节点通信数据帧构建41-43
• 5.2.1 命令帧41-42
• 5.2.2 数据帧42-43
• 5.3 传感器监测节点节能策略实现43-47
• 5.3.1 传感器监测节点节能机制43-45
• 5.3.2 传感器监测节点理论能耗分析45-47
• 5.4 监测节点低功耗工作流程图47-48
• 5.5 本章小结48-49
• 第六章 系统低功耗性能测试49-54
• 6.1 节点测试环境和测试方案49-51
• 6.2 节点低功耗测试与分析51-53
• 6.3 本章小结53-54
• 结论54-56
• 参考文献56-59
• 附录A 低功耗传感器监测节点整体电路图59-60
• 附录B 模拟轴温测试系统实物图60-61
• 附录C 节点电压测量情况61-65
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文65-66
• 致谢66

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