面向铁路危险品运输在途监测的无线传感网节能组网技术研究

【摘要】：在铁路信息化技术日益进步的今天,无线传感网在铁路危险品状态在途监测及货物安全运输方面正日益凸显其重要意义。通常,铁路无线传感监测设备由无线传感器节点和网关组成。传感器节点采集货物状态信息并通过ZigBee等短距离无线网络形式发送给网关,网关接收和处理数据并通过GPRS等形式上传至地面监控中心。考虑到铁质车厢对无线信号有强烈的阻隔作用,并且存在列车的拆分、编组操作,一般在每个车厢中部署一套无线传感监测设备,网关仅负责本车厢的车地数据通信。由于货车车厢常常不具备供电条件,传感器节点和网关多采用电池供电。如何在保证采集精度、采集频率的前提下尽量降低系统能耗、延长系统工作时间,是铁路危险品运输在途监测无线传感网系统研究中所面临的主要问题。 本文从传感器节点采集和发送数据的策略、节点之间转发数据的策略、节点与网关通信的策略、网关之间转发数据的策略、以及网关上传数据的策略等方面对铁路无线传感网的综合节能技术进行探讨。针对货物处于正常状态、预警状态和告警状态时采集频率要求的不同,提出基于货物状态区间的采集频率动态调整策略；针对不同节点与网关间通信信道质量的区别,对数据应答和重发机制进行讨论,并提出“接收方反馈快降低,发送方功率慢增加”的无线通信功率控制策略；针对货物种类和装运形式的不同,对节点的星形网络、自组织网络的适用情景、相应的节能方法以及两种网络形式的融合进行讨论；针对GPRS形式的通信和待机的能耗远高于ZigBee形式的特点,提出将各个车厢的网关组织为更高层次的直线形无线传感网,网关之间通过ZigBee传递数据,仅由一个网关负责整个网络的GPRS数据收发,大幅降低整个网络的能耗。考虑到负责通信的网关能耗更高,提出基于剩余能量的网关轮换机制,使得整个网络的能量能够均匀地消耗；同时,针对列车拆分、重组等情况,给出直线形铁路无线传感网的新节点发现、网络拆分和重组、网络节点失效等情况的处理方法。 本文的特点是循序渐进地对各个系统层次的节能策略进行讨论,对可能出现的问题给出完善的解决方法,并对节能效果进行对比。同时文中的算法和策略多来自于项目经验。最终给出的铁路无线传感网节能组网技术可以直接用于铁路危险品运输生产活动中。图39幅,表6个,参考文献38篇。 【关键词】：线形无线传感网 节能组网 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】：2013
【分类号】：TP212.9;TN929.5;U294.83
【目录】：

• 致谢5-6
• 中文摘要6-7
• ABSTRACT7-11
• 1 引言11-19
• 1.1 课题的研究背景11-12
• 1.2 国内外研究现状12-17
• 1.2.1 危险品运输监测技术研究现状12-14
• 1.2.2 无线传感网节能组网技术研究现状14-17
• 1.3 课题研究的范围17-18
• 1.4 本文主要的研究内容和结构18-19
• 2 无线传感网技术概述19-24
• 2.1 相关概念19
• 2.2 无线传感器网络硬件结构19-20
• 2.3 CC2430和ZigBee20-22
• 2.4 无线传感网节能分析22-24
• 3 无线传感网节点节能技术24-29
• 3.1 节点的工作-休眠策略24-26
• 3.2 程序逻辑的优化26-27
• 3.3 传感器采集频率的动态调整27-29
• 4 无线传感网簇内节能技术29-38
• 4.1 星形拓扑通信节能技术29-36
• 4.1.1 数据应答和重发机制30-32
• 4.1.2 无线通信功率控制32-36
• 4.2 自组织网络拓扑通信节能技术36-37
• 4.3 星形无线传感网和自组织无线传感网的适用情境及融合37-38
• 5 簇间节能组网技术和外部设备节能技术38-58
• 5.1 铁路簇间组网技术综述38-40
• 5.2 铁路线形无线传感网组网协议40-43
• 5.2.1 CC2430通信距离与车厢间距比较40-41
• 5.2.2 簇首间数据的转发规则41-43
• 5.3 基于剩余能量的网关轮换机制43-46
• 5.4 网络融合与划分机制46-52
• 5.5 总结52-58
• 5.5.1 簇首工作流程52-56
• 5.5.2 节能效果对比56-58
• 6 总结与展望58-60
• 6.1 总结58-59
• 6.2 展望59-60
• 参考文献60-62
• 作者简历62-64
• 学位论文数据集64

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