高速铁路基础设施监测无线传感器网络研究.docx

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1、高速铁路基础设施监测无线传感器网络研究 ,劣参未硕士学位论文高速铁路基础设施监测无线传感器网络研究 作者:张浩导师:唐涛北京交通大学年月中图分类号:. 学校代码:密级:公开北京交通大学硕士学位论文高速铁路基础设施监测无线传感器网络研究 ?作者姓名:张浩学 号:导师姓名:唐涛职称:教授学位类别:工学学位级别:硕士学科专业:智能交通工程研究方向:无线传感器网络北京交通大学年月致谢本论文的工作是在我的导师唐涛教授的悉心指导下完成的,唐涛教授严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来唐涛老师对我的关心和指导。蒋海林老师悉心指导我们完成了实验室的科研工作,在学习上和生活上都

2、给予了我很大的关心和帮助,在此向蒋海林老师表示衷心的谢意。朱力老师对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见,在此表示衷心的感谢。在实验室工作及撰写论文期间,孔令宽、石亮、王壮等同学对我论文中的研究工作给予了热情帮助,在此向他们表达我的感激之情。中文摘要摘要: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

3、,对目标信息进行采集和处理,并将其发送给网络所有者。基于和技术,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:构成技术体系的.协议的物理层、层和协议的网络层,在此基础上对研究了的组网性能和功耗;就通信技术的架构和基本原理,分析了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;通过模块和 模块搭建二级通信网络,实现传感数据的汇聚平台

4、下节点的和远程通信。详细描述了网络节点的硬件电路设计和嵌入式程序设计。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。关键词:无线传感器网络;铁路基础设施监测分类号:.:, ,. .? .曲 ,.,. . . ., .?. . .手手 ,.: . , 立交通太堂亟堂僮金塞 旦墨至;:.目录中文摘要?.?绪淦.课题研究背景.无线传感器网络?.技术.国内外研究现状?.研究的

5、目的和意义?.论文的主要内容和层次结构。技术和技术?.?. .物理层. 层?.。.简介?.网络层?.能耗分析. .简介?.应用业务. .本章小结无线传感器网络硬件设计。系统总体架构.节点硬件设计指标?.硬件选型.模块选型.模块选型.节点硬件设计.总体设计.模块设计.模块设计?.电源设计.。串行通信设计?.传感器电路设计.设计?. .本章小结?.嵌入式软件设计?.开发平台?.、.集成开发环境?. 协议栈.基于协议栈的网络.网络组建.网络通信.应用程序设计.传感器采集程序设计?. 通信?.串口通信设计?.时钟和休眠?.本章小结?.系统实验测试及分析.网络性能分析测试?.】.通信距离测试?.网络传输

6、时延测试?.有效传输速率?.加速度传感器测试?.温湿度传感器测试?一.系统整体测试.本章小结?.总结及展望.参考文献?.图索引?.表索引?.作者简历?.独创性声明学位论文数据集?绪论.课题研究背景自本世纪以来,随着经济的快速发展,我国的交通事业发生了前所未有的快速增长,现有铁路客运速度慢,运输能力严重不足的问题日益凸显。而高速铁路具有运载能力大、运行速度快、运输效率高等特点,因此越来越受到重视。年月发布的中长期铁路网规划年调整【中,宣布建立省会城市及大中城市间的快速客运通道,规划“四纵四横”等客运专线以及经济发达和人口稠密地区城际客运系统。 “十一五”期间,我国已建成公里以上的高速铁路,居世界

7、前列:到年,将建成公里的高速铁路,届时我国高速铁路的总里程将位居世界第一。高速铁路列车运行速度较普通列车有很大提高,高速运行的列车对钢轨桥梁等基础设施的性能要求也及普通列车有了本质的区别。高速铁路设计参数限制严格,曲线半径大、坡度小,并需要全封闭行车,因而桥梁建筑物大大多于普通铁路,高架长桥的数量也很多。同时无碴轨道、无缝线路等新技术被广泛应用新建高铁中。为适应高速铁路高速度、高密度、安全、平稳运行的要求,高速铁路基础设施必须时刻保持良好的技术状态。由于高速铁路设施需要长期服务于社会,人们越来越重视铁路基础设施在服役期间的状态和使用寿命之内的安全性。定期监测铁路基础设施在长期运转下的安全性以及

8、在重大自然灾害发生后立即评估他们的安全状况已经成为铁路运营部门和公众关心的重要事情。随着技术的进步,通过恰当的监测手段可以及时了解铁路基础设施的服役状态,特别是有可能在早期就发现危及安全的隐患,对确保高速铁路的安全运行起到至关重要的作用,同时也为铁路基础设施的维护保养提供必要的依据, 节约维修的费用。无线传感器网络【】【】技术的出现和迅猛发展为铁路基础设施状态的在线监测提供了强有力的技术支持。微电子技术的发展使得无线通信模块可以及具有一定计算能力的微控制器集成在一起,及微传感器组成一个无线传感器节点。众多的无线传感器节点构成一个无线传感器网络,使这一网络具有数据采集范围广、采集点众多、布线容易

9、、便于维护等优点。无线传感器网络具有成本低廉、监测精度高、系统容错性高、可远程监控、便于诊断及维护等众多优点,它的产生使得铁路基础设施在线监测系统的实现成为可能。.无线传感器网络无线传感器网络是由大量无处不在的、具有通信及计算能力的微小传感器节点,以多跳无线通信方式构成的自组织分布式网络系统,其目的是实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种监测对象的信息,并对这些信息进行处理,然后传送给需要信息的用户。典型的传感器网络结构如下图所示。传感器网络系统通常包括传感器节点、汇聚节点 和管理节点。大量传感器节点随机部署在监测区域 为部或附近,能够通过自组织方式构成网络。传感器节点监测的数据沿着其他传感

10、器节点逐跳地进行传输,在传输过程中监测数据可能被多个节点处理,经过多跳后路由到汇聚节点,最后通过互联网或卫星到达管理节点。用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理,发布监测任务以及收集监测数据。 图.无线传感器网络由于无线传感网具有数据采集范围广、采集点众多、布线成本低、便于维护等特性,需要一种合适的通信系统,技术嗣【刀为此提供了一个良好的平台。.技术无线传感器网络是一个面向应用的网络,需要更具实际应用特点和要求设计不同的协议和技术,因此目前并没有一个标准的协议,不过为了满足类似于传感器的小型、低成本设备无线联网的要求,年月.标准正式发布,规范了物理层和链路访问控制层协议标准。标准规定了一种

11、低功耗、低速率、低成本的短距离无线通信技术,十分适合于无线传感器网络中节点的通信,为无线传感器网络通信协议的物理层和媒体接入层的设计提供了参考。目前已经有越来越多的研究人员把.作为无线传感器网络物理层和数据链路层的无线通信标准。在.基础上联盟发布了协议,它设计了网络层协议、安全层、应用层并进行了标准化,实现了更为复杂的网络拓扑结构的搭建和维护,如树状网、网结构,路由的发现和修复,以及安全密钥等,从而形成了完整网络的搭建。的主要特色是低功耗、低成本、支持大容量网络、支持多种网络拓扑,快速、可靠、安全。的技术特性:数据传输速率最大/。功耗低:两节干电池即可提供个月以上的使用时间。成本低:数据传输速

12、率低,协议简单,成本大为降低。网络容量大:单一网络最大支持个节点。提供了数据完整性检查功能,采用.加密算法。有效覆盖范围.,增加发射功率可以达到。使用频段为免执照的.。在网络中的节点有三种类型,协调器、路由器和终端节点。在网络层的协议中具体规定了节点类型和网络所采用的路由方式,定不同类型的节点通过自组织的方式形成各自的网络拓扑结构,以实现网络中信息的传输。这里的节点类型只是通信意义上的范畴,和节点的应用功能并不相关。由以上特性可以看出,协议符合无线传感器网络的应用,目前大部分无线传感网络采用技术实现。.国内外研究现状无线传感器网络的思想起源于年代美国军方使用的战场传感系统。而以低功耗自组网技术

13、为特点的现代无线传感器网络研究始于世纪年代末期,在这一领域的研究我国及发达国家几乎同时起步,从年开始国内有相关研究成果发表。由于无线传感器网络具有十分广阔应用前景,在军事国防、工农业、城市管理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、防恐反恐、危险区域远程控制等许多重要领域都有潜在的实用价值,已经引起了世界许多国家学术界、工业界和军事部门的极高重视。铁路作为无线传感器网络技术的重要应用领域的,得到了众多无线传感器网络研究者的关注。 首先使用无线通信技术代替原有的有线通信实现了铁路基础设施的在线监测图.。文章中使用蓝牙技术组建了一个星型的无线网络,现了短距离内的数据汇集,然后通过通信方式将汇集后的数据发送

14、到远端的数据中心。一 【】图铁路无线监测系统嘲【】. .图卜多层多路径路由网络提出了一套应用于铁路沿线的无线传感器网络图。为了提高通信的可靠性,论文中采用了多路径路由方式,同时将网络划分为三层实现。了无线传感器网络对铁路沿线的覆盖【文献从理论上研究了面向铁路轨道监测的无线传感器网络模型。文献分别设计了基于和技术的铁路异物侵限报警系统、接触网设备监测系统、山体滑坡报警系统、列检手持机、列车运行监控系统,采用通信协议组建星型网络实现数据的汇集。文献卜】着重研究了无线传感器网络的能耗问题,通过改进路由算法,树形路由算法及算法结合的方式达到无线传感网中节点间能量的均衡消耗。文献通过改变网络中节点的工作

15、方式,通过设计改进的路由协议、层协议等让节点尽量进入休眠以达到降低功耗的目的。这些理论研究和实际系统对高速铁路基础设施监测无线传感网络的设计提供了有价值的建议和参考。研究的目的和意义以上对国内外无线传感器网络研究现状进行了简要回顾。但我们也发现,相关文献的重点比较多的放在了对实际系统和传感器的研究,对实际系统中无线传感网络节点的通信性能和能耗分析较少,大量研究采用定性的方法分析减少能耗的措施,很少有文献提出能耗的定量计算方法。通常无线传感网络中的大部分节点采用电池供电,这一特性使得无线传感网络具有布设简单成本低廉等优势,同时也成为制约其发展的重大瓶颈。传感器节点通常布置在野外,不可能频繁为其更

16、换电源,一旦能量耗尽,节点就会出现传感器失效,退出网络,甚至使得网络瘫痪。本文重点从通信的角度分析了无线传感器网络的通信能耗,提出了通信能耗的计算方法。结合实际应用中所采用的模块的具体性能,研究了网络能耗的来源和组成。同时,根据铁路基础设施监测无线传感网的性能要求,有针对性的制定了无线传感器网络的节能策略,极大减少了网络的能耗。本文紧密结合我国高速铁路战略发展要求,作为高速列车安全可靠运行的承载和支撑的基础设施建设、养护及服役状态检测技术体系研究的一部分,本文重点研究了其中无线传感器网络的通信技术。通过和技术成功实现了传感器数据的汇集和远程通信,并对通信性能进行了实际测量。所以本文的选题具有重

17、要的现实意义,对相关系统的研究和设计提供一定的参考作用。.论文的主要内容和层次结构论文的主要研究内容是:根据对高速铁路基础设施状态监测的需求,研究和设计实现了一种高速铁路基础设施监测的无线传感器网络。使用技术和技术沿铁路沿线构建了一个链状的无线传感器网络,实现了监测数据的采集、汇聚和远程通信。同时对于无线传感器网络中,节点的节能问题,本文结合协议的特性,设计了全网休眠的节能策略,延长了传感器节点的生存周期。论文的主要工作围绕着节点的节能策略、无线传感器网络的软硬件架构以及无线传感器网络的通信性能三个方面展开。各章节结构安排如下:第一章为绪论,简要介绍了铁路基础设施的检测,无线传感器网络和技术;

18、阐述了国内外应用于铁路的无线传感器网络的研究现状、论文的目的和意义;对论文的结构和内容进行了说明。第二章介绍了技术的特点:详细介绍了.协议的物理层和层和协议的网络层;结合主流模块的能耗数据,计算了网络节点的能耗;最后介绍了技术的组成和应用。第三章对铁路基础设施监测无线传感网络的整体架构进行了描述,包括无线传感器网络节点的构成,网络的拓扑结构。介绍了网络节点的硬件设计,分析了硬件选型和部分电路的实现方法。第四章描述了平台下无线传感器节点的软件设计,详细阐述了无线组网通信、传感器数据采集、通信、网络节点时钟同步和休眠功能。第五章对系统中网络的通信性能进行了测试。测量了不同通信距离,网络的丢包率和通

19、信距离,网络的跳数对通信的时延、丢包、和最大传输速率的影响。测试了系统的传感器采集、通信、通信功能。第六章总结了本文的工作内容,并对为未来研究重点做出展望。技术和技术是一种的低成本、低功耗、低速率、自组网的短距离无线通信技术,是一种基于系统的无线分组交换技术,提供端到端的、广域的无线口连接。融合和的无线传感器网络已经得到越来越广泛的应用,本章将详细介绍这两种技术。. .】【协议专门为“低速率无线个人区域网,”所设立。.是一种结构简单、低成本的无线通信网络,允许应用设备在有限功率和宽松吞吐量条件下实现无线连接。.的主要目标是采用一个简单可靠的通信协议实现容易安装、短距离可靠数据通信、极低功耗并可

20、采用电池供电的无线网络。.规定了的物理层和层协议,而联盟直接采用.协议作为其结构体系的物理层和层标准。下文中.将简称为。.协议拥有以下特性:?星型网络或点对点通信;采用全球唯一的位拓展地址或位段地址通信;?可以采用采用保护时隙分配方式通信;?采用载波侦听冲突避免算法/或实现信道接入:?支持确认机制以保证可靠通信;?低功耗,拥有能量检测、链路品质信息测量功能;定义了不同频带下的多种物理层规范;,.,还规定了网络中的两种设备,全功能设备触.和简化功能设备. ,。可以及和通信,而只能及通信。设备通常被用无线个域网的主协调器或协调器,执行组建网络、转发数据的任务,而只能被用作终端设备,主要用于简单的控

21、制应用,只需要较少的硬件资源,低成本、低功耗、易实现。.图? .协议架构到目前为止,.一共有和两个完全版本。版是最初始版本,规定了.在不同频段的两种物理层通信方式,和简单的高效的层。年的修订版添加了两种物理层方式,添加了新的安全特性和新的层功能,包括用于时钟同步的时间戳机制,信标帧调度,广播消息同步。年新的修订版添加了两种物理层,其中一种支持精确测距,相应层也进行了修改,添加测距功能。年修订版添加了新的频段,用于中国和日本地区的应用。.是最新的正式版本,内容是对协议和个修正版协议的整合。目前市场上设备所应用的协议都是协议,所以下文的介绍将以版为准。.物理层如上文所述,.协议规定了许多种物理层规

22、范,这些规范工作在不同的频段拥,使用不同的调制方式、传输速率,有些还拥有独特的功能。其中物理层规范由于其推出较早,且.频段是无须申请的全球统一频段,有助于设备的推广和降低生产成本,目前已成为应用最为广泛的物理层规范。一卜 :图 物理层信道划分物理层规范将.频段划分为个信道,信道编号为,中心频率从信道的.开始每隔一个频段,直到信道的.。规范采用相位准正交调制技术,首先数据以每一组组成码元,然后通过采用直接扩频技术将一组的码元映射成为位码片,最后通过.调制方式将码片序列调制到载波上。码片的发送速率为/,相应载波的带宽为,码元速率.,数据通信速率。所有物理层协议都拥有个公共的功能:接收机能量检测测量

23、不同信道的接收信号强度,用于向网络层提供信道选择依据;链路品质信息是在接受到数据包后,通过接收信号强度或信噪比计算出数据链路品质,用于为网络层和应用层提供参考;清除信道评估测量当前信道的使用情况,用于向层.算法提供判断依据。物理层通过物理层数据服务接入点.和物理层管理实体服务接入点.向层提供服务,两种服务接入点分别采用物理层数据服务原语和管理服务原语实现。. .层层协议规定了无线信道的接入方式,网络的建立,信标同步,关联及断开,数据通信,保护时隙分配和层加密。根据信道接入方式的不同,通常将网络划分为信标网络和非信标网络。在信标网络中,信道接入可以采用超帧结构。超帧结构由主协调器所规定,以信标帧

24、的发送开始,在信标帧包含了超帧的结构信息。信标帧之后是一段竞争接入期,这时网络中想要通信的设备需要采用有时隙.机制同其他设备竞争信道。接下来是自由连接期,任何被主协调器允许在保护时隙工作的设备可以在这一阶段自己被分配的时隙内直接占用信道通信。接下来是非活动期,网络中的所有节点可以进入休眠状态以节约能量。信标网络可以很好地在保证网络内设备通信的条件下节约设备能量,但是只用于单跳或跳数较少的网络,在多跳网络中信标帧需要转发才能够被远端的节点接收,转发时延的不确定导致整个网络难以保持在主协调器节点的调度之下。这时必须采用非信标网络,非信标网络也是大部分协议栈所采用的网络工作方式。信标帧竞争接入期 自

25、由连接期超帧周期?“标间隔。 图超帧工作方式在非信标网络中,信道始终采用非时隙/机制竞争接入,信标帧仅被用于标识身份,设备只有在收到信标发送请求后才会发送信标帧。/全 称为载波侦听多路接入冲突避免,在.协议中规定/分为时隙和非时隙两种工作方式。这里主要介绍非时隙工作方式,流程图如所示。非时隙.有两个变量:是退避次数指单次数据发送时的退避次数;为退避指数.及设备在试图信道访问之前等待的退避周期有关。及信标网络相比非信标网络拥有更高的数据传输效率,在多跳网络中也可以完美使用,但缺点是设备必须时刻令无线收发机保持开启状态,不利于节能。/图?非时隙/流程图层数据发送可以选择确认或无确认方式实现。在无确

26、认的数据发送方式中,发送方设备将不会得到目标接收设备的确认,发送设备在数据发送完毕后即认为发送成功。在有确认模式下,接收设备在正确接收到发送方的数据帧后,会回复一个序列号及接收数据帧相同的确认帧,确认帧无需竞争信道,在非信标网络或信标网络的保护时隙内,确认帧将会在数据接收完毕后的帧间隔内完成。发送方没有接收到确认帧即认为发送失败,将启动重传。有确认模式可以保证数据可靠通信。层的数据服务通过公共部分子层服务接入点.进入网络层,子层管理实体服务接入点.则是管理服务的网络层接口。.简介是由联盟提出的一种具有统一技术标准的短距离无线通信技术【】【】【】。联盟于年月发起成立,在年月确定了.标准,这是规范

27、的第一个版本。在年对标准进行了修订,推出.规范。在规范,新增了簇库组播等功能。年月再次修订,推出此以后,联盟不再设立总的规范,而是面向不同的应用制定相应的标准,如用于智能家居的 ,用于电网的 ,远等等。下面的介绍将以规范为准。程控制的的协议层结构简单,图.所示,只分为层。的物理层和层直接采用.标准所规定的物理层和层,在此之上规定了网络层和应用层框架和安全服务。 【图架构.网络层网络层介于层和应用层之间,它的功能是管理多跳无线网络,在提供的两个相邻节点通信的基础上,进一步实现数据从源节点通过若干个中间节点到达最终的目的节点,为应用层提供端到端的数据通信服务。网络层负责以下工作:设定各项网络参数,

28、发起网络,分配网络地址并确定网络拓扑;?加入、离开和重加入网络;?对应用层的数据包做安全性处理;多跳网络数据的发送,路由和接收;?寻找并维护网络节点之间的路由路径:?搜索相邻节点,存储相邻节点的信息;中定义了三种设备类型,分别是协调器、路由器、和终端节点 。这些设备类型属于网络层概念,其中路由器和协调器对应层中的设备,终端节点对应层中的设备。无论采用何种方式,每一个网络都必须且只能有一个协调器节点,协调器节在建立网络时起关键作用,网络建立后还提供路由安全管理等服务。路由器的主要功能是在节点间转发信息,也可以被授权允许子节点加入网络,通常路由器节点不能休眠。终端节点只能接收和发送数据,不能转发信

29、息也不能让其他节点加入网络。终端节点一般采用电池供电,在不收发数据时会进入休眠以节约能量。网络层支持星型、树型和网状网络三种网络拓扑结构。协议栈的参数配置和所采用的路由算法决定了网络的拓扑结构。星型拓扑在网络中只有协调器和终端节点两种节点类型,星型网络的缺点是最大只有两跳的通信距离,而且所有数据的转发都要通过协调器,协调器会成为网络的瓶颈。及星型网络相比,树型网络拓扑通过路由器拓展了网络覆盖范围,使用树路由算法实现多跳路由。但树型网络的缺点是协调器和路由器必需保持高可靠性,一旦某个节点失效,整个树枝上的节点都会脱离网络。网络拓扑采用算法实现多跳通信,通过路由发现功能可以寻找到最佳路由线路,动态

30、路由的特性极大提高了网络的健壮性。网的缺点是对路由器的性能要求较高且必须工作。星型网络网状网络树型网络口图网络拓扑在设备加入网络时,协调器或路由器会向新入网设备分配一个位的短地址用于网络内节点的通信和标识,减少包的大小。地址分配方式采用树型网络方式,树的形状由三个参数决定:网络的最大深度,路由器或协调器的最大子节点数量,路由器或协调器的最大子路由器数量。网络中父设备能够分配的地址段由规定,其中为当前节点网络深度:?一,。厶舰一.棚也 一以自身地址删和为偏移,父设备会为它的子设备分配一个比他自己大的地址,第个路由器设备的地址:?口?孔一第个终端节点的地址为:口?孔由此可以算出网络中最大的地址数为

31、:?尺一由于短地址只有位,地址被用于协调器,蛋地址被用于广播,网络中的最大地址不能超过也就是,这就要求限制、三个参数的大小。使得网络中节点地址及节点在网络中的位置一一对应,采用地址分配的最大好处是在树型网络中,只需通过计算地址即可完成路由,无需维护复杂的路由表。路由计算方法如下:当一个节点接收到沿树选择路由的数据帧时,首先判断目的地址是否为其子设备。对于一个地址为,深度为的路由器,如式.成立,则具有地址为的目的地址设备为子设备:.如果目的地址不是其子设备,则将数据帧发送到父设备。如果目的设备为子设备,下一个发送地址为窿妄矧协议中地虽然拥有路由的优势,但存在巨大的地址浪费。在址分配推荐采用随机分

32、配方式,以保证网络对地址的充分利用。.能耗分析低功耗是技术的一大特色,采用电池供电的终端节点可以工作半年以上。设备的能耗来源主要是无线收发和,表.列出了模块在供电。条件下的能耗【。以目前的技术而言,无线发送及无线接收需要的功率相差不大。由于无线通信方式的特殊性,当一个节点在发送数据时,位于其覆盖范围内的所有其余节点都要将数据完全接收,数据在层才决定是否丢弃。这导致对于网络,通过改变路由方式和网络结构的方法难以达到节能和能量均衡的目的。实现节能和能量均衡只能通过减少无线收发和休眠来完成【。表工作电流?行为工作电流休眠 .无线开启等待信号无线发送状态.无线接收状态.下面我们将分析一个采用非信标网络

33、终端节点的能耗,器件类型为模块,节点将以分钟为周期采集传感器数据并将其发送出去。以下是工作流程:休眠唤醒和传感器采集节点从休眠到唤醒需要.,在这期间只有工作。采集传感器需要竞争信道在每一帧数据发送前将采用非时隙协议检测信道是否空闲。在这一阶段需要执行两个步骤:退避和清除信道评估;每一个退避周期耗时个码元周期,退避周期的大小在区间,中随机生成,其中默认值为,清除信道评估耗时个码元周期。考虑最坏情况,这一阶段的时间消耗为:退避周期?/。.。清除信道评估/.数据发送发送方在检测到信道空闲后立刻执行数据发送。对于一个物理层大小为字节的数据包,数据发送的时间消耗为:数据发送 /.接收响应在数据帧发送完毕

34、后接收方需要立即返回一个应答帧,发送方等待应答帧的最小时间为个码元周期,最大时间为个码元周期,应答帧的大小为,最坏情况下接收响应的时间消耗为:等待应答/.应答帧/.休眠在数据成功发送完毕后终端设备会进入休眠直到下一个工作周期。设备的能耗可以由表.计算得到表终端节点能耗估算. 行为 节点能耗, 。.工作采集 . .退避. .清除信道评估.数据发送。 .。等待应答应答帧 . .休眠.总计.平均电流计算出的平均工作电流仅为.,普通干电池供电可支持设备工作年以上。这里的计算没有考虑传感器和外围设备的能耗,也没有考虑到电池的自放电。. .简介,通用分组无线业务是在移动通信系统基础上发展起来的一种移动数据

35、业务。通过在原有数字移动通信网络电路交换的基础上中引入分组交换的功能实体,以完成用分组方式进行的数据传输。系统可以看作是对原有的电路交换系统的基础上进行的业务扩充,以支持移动用户利用分组数据移动终端接入或其它分组数据网络的需求。为了在原有系统基础上植入功能,一种新的网络节点类型“服务支持节点, 被添加到了原有网络中。负责移动设备和外部网络之间的数据通信和路由功能。有以下两种类型:服务支持节点。为提供服务,和配合完成移动性管理功能,包括漫游、登记、切换、鉴权等;对逻辑链路进行管理,包括逻辑链路的建立、维护和释放;对无线资源进行管理:为主叫或被叫提供管理功能,完成分组数据的转发,地址翻译,加密及压

36、缩功能;提供不同接口协议转换。网关支持节点。实际上就是网关或路由器,它提供和公共分组数据网以.或.协议互联,也支持和其它的互联。借鉴及使用了数据通信技术及产品,提供了点到点、多播、短信、多媒体短信、互联网访问、电子邮件等服务,极大提升了的数据服务性能。图网络结构最早在年提出,年出台了第一阶段的协议,在 之后被集成进标准。协议最初由标准化,但是目前已经移交负责协议的维护和更新。.应用业务在中定义了两类承载业务:点对点和点对多点。以承载业务支持的标准网络协议为基础,网络营运者可以支持或提供给用户各种电信业务。非常适合突发数据应用业务,能高效利用信道资源,但对大数据量应用业务网络要加以限制。主要原因

37、有以下两点:无线信道的数据速率较低。采用推荐的.和.信道编码方案时,数据速率仅为和,但.和.能够在保证实现小区的%要求。虽然.和.编码方案数据速和%覆盖时,满足同频道干扰/率较高为 和,但它是通过减少和取消纠错比特换取数据速率的提高,只有在临近基站区域才可以使用。因此目前在使用时主要采用.和.编码方案,.和.编码方案仅在满足较高的/值的特殊地区使用。在实际应用中,当下行个时隙和上行个时隙用于数据传输一个小区仅提供下行最高数据速率小于.编码和上行最高数据速率小于.编码,这里的速率是层速率,折算到层带宽会更低,而且由于上下行带宽不同,上行带宽会小于下行带宽。当业务和业务共享信道,通常会采用动态分配

38、信道方式,电话有较高的优先级,在一个忙碌的电话区域内,无线数据的传输速率极慢。利用任何一个信道的两次通话间隙传送分组数据业务,如果某个信道用于业务,一个分组数据信道可以实现多个 用户共享即多个逻辑信道可以复用到一个物理信道,因此特别适用突发数据的应用,大大地提高了信道利用率。基于以上特性,通常运营商只会提供以下三种应用业务:不连续的非周期性突发的数据传送,突发出现的时间间隔远大于突发数据的平均传输时延;小于字节小数据量事务处理业务,允许每分钟出现几次,可以频繁传送;几千字节大数据量事务处理业务,允许每小时出现几次,可以频繁传送。主要的应用领域可以是:.电子邮件、浏览、业务、电子商务、信息查询、

39、远程监控等等。.本章小结本章主要介绍了技术和技术。对于无线传感器网络来说,网络中的节点必须能够很容易地加入和离开网络,以保证由电池供电的节点的使用寿命。此外节点的移动性和无线通信的特性,使得无线传感器网络的拓扑结构和路由算法远比有线/网络复杂。到目前为止,协议是唯一一份公开并且得到广泛应用的多跳自组网无线通信协议,也是最适合于无线传感器网络应用的无线通信协议。适用于短距离无线通信,而对于长距离通信,网络覆盖广、接入时间短、按流量计费、直接及互联网相连等特点使得技术可以及很好的结合,取长补短,组成适用于远程监控的无线传感器网络。无线传感器网络硬件设计.系统总体架构铁路基础设施安全监测系统的主要目

40、的是实时监控高速铁路钢轨、轨道板和桥梁梁体的振动加速度,并将各个测点的采集到的加速度信息发送到机房,供后台计算机进行接受处理。铁路基础设施监测无线传感网络由两层网络组成,分别是无线传感器网络和远程通信网络,系统的总体架构如图.所示。敲斜 热曼了网络.、 ” “一/煅器铲潞 【】“一三/蠢仓一、酊四丽一。/磊色弋磊卜、, 图系统架构无线传感器网络由布设在固定外接电源的协调器节点和布置在铁路沿线的各监测点的路由器节点组成,通过自组网和多跳通信的方式实现小范围内传感器数据的汇集。路由器节点负责周期性的采集和发送传感数据,拥有子节点的路由器同时负责数据的路由;协调器节点负责整个网络的建立、数据的汇集和

41、网络维护等功能,同时协调器节点也是网络和网络之间的网关,负责两个网络之间的数据通信。远程通信网络主要负责无线传感器网络及监控计算机之间的传感器数据和控制指令的通信。在这里采用了中国移动通信有限公司的网络,采用模块作为网络的终端,实现了网络协调器节点及监控计算机的通信。.节点硬件设计指标节点的硬件是整个无线传感器网络的基础,直接决定了传感器网络的性能。无线传感器网络具有低功耗、低成本、分布式和自组织特点,电池电量、计算能力和存储能力都有限制,因此硬件设计的首先需要了解各个方面的设计指标,综合起来权衡利弊提出一个最合适的解决方案。、通信性能。无线通信能力是无线传感器网络节点的重要指标,一般意义上的

42、通信性能指标主要是通信的有效性和可靠性,即通信的速率和通信质量,在这里我们主要关注通信覆盖范围。提高的发射功率可以有效增加通信覆盖范围,效降低节点的部署密度,简化网络结构,减少通信跳数,提高通信的可靠性。但相应也带来了通信能耗的增加,而无线通信是传感器节点最主要的能耗来源。这就需要设置合适的发射功率,既能使得网络节点的通信性能既符合要求,同时又降低网络功耗,提高网络寿命。、工作条件。所有电子元器件都有分级,以区别元器件的耐温、耐振、稳定性抗干扰性能等,而各种元器件的分级都遵循国标、行标或企业内部的分级表尊。不同元器件之间的分级方法没有对照性,不过通常人们将元器件分为军用级、工业级和商业级三个级

43、别,可靠性依次下降。铁路沿线的环境通常十分恶劣,而传感器节点需要沿铁路布设,为了使节点能够在复杂环境下正常工作,节点中所使用的元件全部要达到工业级以上标准。、处理器性能。无线传感器网络在应用时,节点上运行的传感器数据采集和处理程序对节点的计算能力提出了一定要求。在本项目中,钢轨加速度传感器的采样频率需要达到,这对处理器的主频提出较高要求。此外处理器还需要运行无线通信的协议栈,其中包含的一些算法需要占用大量内存。因此在硬件设计时必须选用符合性能要求的低功耗处理器。、低功耗。为了方便无线传感器网络节点的布置,减少维护费用,网络中的大部分节点通常采用电池供电。为了减少电池更换频率,节点的低功耗是硬件

44、设计的重中之重。这需要在器件选型时尽量选用低功耗器件,电路设计时尽量减少不必要的元件以减少能耗。无线传感器节点通常采用周期性的休眠和唤醒的方式减少能耗,硬件设计要注重降低节点的休眠能耗。、低成本。由于无线传感器节点需要大规模布设,低成本是硬件设计的基本要求,也是无线传感器网络的主要特点之一。这就要求硬件设计在满足以上要求的同时选用低价优质的方案。在明确传感器节点硬件设计的指标后,我们需要根据无线传感器网络和铁路基础设施监测的实际需要,选择合适的器件完成硬件电路的设计。.硬件选型.模块选型由于所设计的系统采用技术实现无线传感器网络的数据通信,因此选择合适的模块是硬件设计的核心。协议自年推出经历多年发展,产品也由最初的仅提供无线收发功能的芯片,发展到将和无线射频控制器和存储器外围电路等集成到模块中的阶段,这在大大缩小产品体积的同时,也方便了应用开发。目前国内市场上的解决方案众多,既有只提供基本的符合协议标准的无线收发器解决方案,也有提供完善的功能,仅使用指令就可以完成组网和通信的模块【。