基于无线传感网的铁路危险品运输在途监测与节能技术的研究

【摘要】：随着中国经济的飞速发展,铁路运输货物的需求量在飞速增长,其中也包括危险物品的运输。倘若在危险品运输途中发生事故,就会对铁路沿线人民的生命、财产和周围环境造成极大的危害。因此危险品在途安全状态实时监测就成了一个急需解决的问题。铁路危险品运输在运输途中需经过解体和重新编组等作业。铁路货运车辆通常不具备供电和联网通信条件,在运输途中,环境往往非常恶劣,而且还有振动、冲击和电磁干扰等的影响。这些因素均给危险货物安全状态在途检测带来很大的挑战。 由于无线传感器网络有具有智能化、成本低、适用性强、操作简单、部署方便、自组网等特点,为铁路危险品运输的在途状态监测的实现提供了一个新的方案。节能技术一向就是无线传感器网络研究的重点。而在本应用系统中,尤其迫切：铁路货运车辆不具备供电条件,传感器节点需要电池供电；铁路运输路途远,时间长,途中节点更换电池极不方便。然而一旦电源耗尽,节点就失效,系统实时监测功能将大打折扣。因此能源的利用率的高低直接影响了系统的有效性和可用性,关系到系统能否应用到实际中去并且大规模推广。本文是在铁路运输危险品的背景下,研究无线传感器网络的节能技术的设计与实现。 本文首先介绍了无线传感器网络,并介绍了本检测系统的基本架构。接着分析了系统的各个部分的能耗。在前人对节能技术研究的基础上,结合本系统的实际情况,从软硬件的两个方面提出了四种节能机制：休眠唤醒机制、变频采集数据机制、动态改变发送功率机制、外围电路控制机制。 无线传感器网络采集到的数据必须通过网关传输到地面的服务器上,运用者也有可能通过应用程序与车载设备进行交互。网关是连接无线传感器网络和应用程序的枢纽,因此车载的网关是本系统的重点之一。货物根据去往的目的地不同,可能在编组站被重组。因此每个车厢都要有单独的网关功能。本文不仅在实现单网关工作模式,而且分析其局限与不足之处后,提出了多网关协调合作的解决方案。既节能又提高系统的可用性。 本文最大的特点就是实际应用的背景下来设计节能方案,应用到基本数据都是实际硬件采集得到的,而非仿真结果。通过实际运用验证本系统初步满足实际应用的需求。对基于无线传感器网络的列车在途安全状态监测系统的进一步深入研究和应用推广具有重要意义。 【关键词】：无线传感器网络 节能 网关 危险品监测 铁路运输
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TN929.5;TP212.9
【目录】：

• 致谢5-6
• 中文摘要6-7
• ABSTRACT7-12
• 1 引言12-18
• 1.1 课题的研究背景12-13
• 1.2 国内外研究现状13-16
• 1.2.1 国外研究现状13-14
• 1.2.2 国内研究现状14-16
• 1.3 课题研究的范围16-17
• 1.4 本文主要的研究内容和结构17-18
• 2 无线传感器网络概述18-24
• 2.1 无线传感器网络概念18
• 2.2 无线传感器网络的体系结构18-20
• 2.2.1 网络节点结构18-19
• 2.2.2 无线传感器网络系统架构19-20
• 2.3 无线传感器网络的关键技术20-22
• 2.4 无线传感器网络的应用及发展前景22
• 2.5 本章小结22-24
• 3 铁路危险品运输安全状态监测系统的总体架构24-36
• 3.1 系统软、硬件平台选择24-33
• 3.1.1 硬件平台选择24-29
• 3.1.1.1 无线传感器节点处理芯片24-26
• 3.1.1.2 GPRS模块26-27
• 3.1.1.3 GPS节点27-28
• 3.1.1.4 调试平台28-29
• 3.1.2 软件平台选择29-33
• 3.1.2.1 TinyOS操作系统29-31
• 3.1.2.2 NesC语言31-33
• 3.2 铁路危险品运输安全状态监测系统(RTHMSMS)整体方案33-35
• 3.2.1 RTHMSMS的无线传感器网络33-34
• 3.2.2 RTHMSMS的定位系统34
• 3.2.3 RTHMSMS的网关(sink点)34
• 3.2.4 RTHMSMS的数据信息服务器34
• 3.2.5 RTHMSMS的远程监控系统34-35
• 3.3 本章小结35-36
• 4 系统中的节能机制36-62
• 4.1 无线传感器网络的节能技术36-38
• 4.1.1 无线传感器网络的能耗分析36-37
• 4.1.2 系统节能的考虑37-38
• 4.2 系统的节能设计与实现38-60
• 4.2.1 休眠唤醒策略38-43
• 4.2.2 动态改变采集频率节能策略43-45
• 4.2.3 自适应发射功率策略45-57
• 4.2.3.1 影响通信链路质量的因素45-47
• 4.2.3.2 通信链路质量的衡量指标47-48
• 4.2.3.3 RSSI和LQI与丢包率的关系48-55
• 4.2.3.4 自适应发射功率的策略设计55-57
• 4.2.4 控制外围电路策略57-60
• 4.2.4.1 低功耗外围电路设计原理57-58
• 4.2.4.2 低功耗外围电路在系统中的应用58-60
• 4.3 本章小结60-62
• 5 网关设计62-86
• 5.1 单网关的基本功能62-73
• 5.1.1 网关的基本模块及功能63
• 5.1.2 数据发送策略63-64
• 5.1.3 单网关软件设计64-71
• 5.1.3.1 网关主控制程序65-66
• 5.1.3.2 射频接收数据模块66-67
• 5.1.3.3 存储模块流程67-68
• 5.1.3.4 GPRS控制模块68-71
• 5.1.4 单网关系统测试71-73
• 5.2 一种多网关协同合作的设计73-85
• 5.2.1 多网关合作硬件设计74
• 5.2.2 多网关合作软件设计74-82
• 5.2.2.1 网关分组算法设计75-79
• 5.2.2.2 实现能量均衡策略79-80
• 5.2.2.3 应对车厢拆分策略80-81
• 5.2.2.4 数据收发策略81-82
• 5.2.3 多网关合作验证实验82-85
• 5.3 本章小结85-86
• 6 总结与展望86-88
• 6.1 总结86-87
• 6.2 展望87-88
• 参考文献88-90
• 作者简历90-94
• 学位论文数据集94

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