面向轨道交通的低功耗无线传感器网络研究与实现

发布时间：2020-06-27 18:58

【摘要】：利用无线传感器网络对列车健康状况进行监测是保证其安全运行的重要措施。然而,多数车厢难以提供稳定的电源,部分传感器节点完全依赖电池供电,导致电池更换成本高、电量有限等问题。利用能量收集技术设计传感器节点是一种有效的应对方法。但由于能量收集速率缓慢,节点在实现组网和传输的过程中仍需降低功耗。此外,车厢中传感器节点间需通过多跳路由的方式传输数据,可能造成部分节点负载过重的问题,进而引发网络瘫痪,严重影响网络的传输效率和稳定性。针对上述问题,结合轨道交通应用场景,本文开展了低功耗无线传感器网络的设计与实现工作,具体包括以下三个方面:首先,设计了低功耗无线传感器网络。分析了应用场景对低功耗无线传感器网络提出的需求,提出了相应的解决思路。针对低功耗无线传感器节点,设计了振动能量收集器、稳压电路、双电源方案和自动切换电路,对微处理器、加速度计和射频模块进行了选型;针对低功耗无线传感器组网方案,分析了组网场景,设计了相应的网络拓扑、网络报文、中继节点选择方案和节点组网运行流程,根据节点任务对超帧时隙进行了分配。其次,实现了低功耗无线传感器网络。针对低功耗无线传感器节点特点,分配了微处理器的管脚,实现了微处理器与外部模块间的通信,介绍了软件执行流程、任务调度系统、硬件驱动和低功耗功能的主要函数;针对低功耗无线传感器组网方案,采用了可控性更高、实时性更好的时分多址通信技术,定义了网络报文,实现了超帧时隙任务、超帧时隙同步、网络报文解析流程、单时隙无线收发流程、节点组网运行流程和中继节点选择方案。最后,对低功耗无线传感器网络进行了测试,包括节点和组网方案的测试。给出了节点的能量收集速率、不同工作状态下电量消耗速率以及组网方案中涉及到的功能流程。对于节点测试,结果表明振动能量收集器在保证节点工作的同时具有较快的能量收集速率。对于组网方案测试,验证了节点授时、中继节点选择、中继节点更换以及数据传输的功能,有效解决了节点能量受限的问题,在可靠传输数据的前提下保证了节点间的能耗均衡。低功耗无线传感器网络还未部署在实际的列车环境中,后续将完成部署并采集大量振动数据,利用机器学习算法模型进行分析,实现故障的实时诊断。
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP212.9;TN929.5;U279
【图文】：

图２－２无线传感器节点结构逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋２－２邋Ｗｉｒｅｌｅｓｓ邋ｓｅｎｓｏｒ邋ｎｏｄｅ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ逡逑

面向轨道交通的低功耗无线传感器网络研究与实现

图２－３无线传感器网络协议栈逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋２－３邋Ｐｒｏｔｏｃｏｌ邋ｓｔａｃｋ邋ｏｆ邋ｗｉｒｅｌｅｓｓ邋ｓｅｎｓｏｒ邋ｎｅｔｗｏｒｋ逡逑

【参考文献】