無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在列車(chē)軸溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用

1、河北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在列車(chē)軸溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用姓名：張矢申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別：碩士專(zhuān)業(yè)：電子與通信工程指導(dǎo)教師：楊瑞霞;李銘20071201河北工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在列車(chē)軸溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用摘要列車(chē)軸溫探測(cè)系統(tǒng)是對(duì)運(yùn)行的鐵路列車(chē)車(chē)輛軸溫進(jìn)行監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)車(chē)輛熱軸、防止車(chē)輛 燃軸的安全保障設(shè)施。目前貨運(yùn)列車(chē)廣泛采用的是紅外線軸溫探測(cè)系統(tǒng)。但是這種利用紅 外線技術(shù)的探測(cè)系統(tǒng)不能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)列車(chē)軸溫；并且容易受到列車(chē)運(yùn)行震蕩、溫度等環(huán)境因 素的影響，降低探測(cè)結(jié)果的可靠性。該文設(shè)計(jì)了基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的列車(chē)軸溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，利用無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)對(duì)鐵路貨運(yùn) 列車(chē)軸溫進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)車(chē)輛

2、熱軸、防止車(chē)輛燃軸。作為鐵路運(yùn)輸重要的的安全 保障。該文研究?jī)?nèi)容包括三大部分。第一部分系統(tǒng)整體方案的設(shè)計(jì)。介紹了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)及其特點(diǎn)，描述了基于無(wú)線傳 感器網(wǎng)絡(luò)的列車(chē)軸溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)思路。第二部分硬件電路的設(shè)計(jì)。詳細(xì)地介紹了軸溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件部分，給出了硬件部分的 工作流程和全部的電路原理圖，指出監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的作用及與機(jī)車(chē)控制臺(tái)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)區(qū)別。第三部分軟件的實(shí)現(xiàn)。該部分針對(duì)實(shí)際的軸溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)編寫(xiě)了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的數(shù)據(jù)通信協(xié) 議，降低了數(shù)據(jù)通信量；設(shè)計(jì)了軸溫監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)和機(jī)車(chē)控制臺(tái)節(jié)點(diǎn)的軟件流程。最后進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證，通過(guò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行進(jìn)行分析和驗(yàn)證，完成了整個(gè)系統(tǒng)的設(shè) 計(jì)，并實(shí)現(xiàn)了本設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：軸溫監(jiān)

3、測(cè)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，貨運(yùn)列車(chē)i無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在列車(chē)軸溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用THE APPLICATION OF WIRELESS SENSORNETWORKS IN THE SY STEM OF TRAIN AXLETEMPERATURE MONITORINGABSTRACTThe system of train axle temperature is the security and safeguard in strume nt to mon itor and detect the axle temperature and to find the vehicle hot axle of the

4、running train, prevent the axle from burning. At present, train mostly use infrared ray (IR) detection system. But this system using IR detecti on cannot detect axle of temperature, and easily in flue nee by several environments such as train' s、stemperature , the result ' s reliability are

5、reduced.The detect system of axle temperature based on Wireless Sen sor Networks(WSN), using WSN to monitor and detect the axle temperature in time find the vehicle hot axle of the running train, prevent the axle from burning. In this thesis, the main content of study includes the following three pa

6、rts.The first part is desig ning of the whole project, which in troduced features of WSN and thoughts.The second part is hardware desig，which introduced hardware of the Testing System for the Train Axle Temperature. It includes working-flow, circuit schematics and so on.The third part is software op

7、eratio n. It in cludes related data com muni cati on protocol, software worki ng-flow for test ing & con trolli ng un its. And software desig n meets the target requirements.At last，according to the system requirement of railway concentrative axletree temperature alarm in tegrated test-bed, comp

8、lete the desig n of the system and impleme nt the system.KEY WORDS :axle temperature monitor, wireless sensor networks，trainii原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下，進(jìn)行研究工作所取得的成 果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本學(xué)位論文的研究成果不包含任何他人創(chuàng)作的、已公 開(kāi)發(fā)表或者沒(méi)有公開(kāi)發(fā)表的作品的內(nèi)容。對(duì)本論文所涉及的研究工作做出貢獻(xiàn)的其他個(gè)人 和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明的法律責(zé)任由本人承擔(dān)。學(xué)位論文作者簽名：弓長(zhǎng)矢

9、日期：厶。7"2、仗關(guān)于學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)的說(shuō)明本人完全了解河北工業(yè)大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用學(xué)位論文的規(guī)定。同意如下各項(xiàng)內(nèi) 容：按照學(xué)校要求提交學(xué)位論文的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存學(xué)位論文的印刷本和 電了版，并采用影印、縮印、掃描、數(shù)字化或其它手段保存論文；學(xué)校有權(quán)提供目錄檢索 以及提供本學(xué)位論文全文或者部分的閱覽服務(wù)：學(xué)校有權(quán)按有關(guān)規(guī)定向國(guó)家有關(guān)部門(mén)或者 機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版；在不以贏利為目的的前提下，學(xué)校可以適當(dāng)復(fù)制論文的 部分或全部?jī)?nèi)容用于學(xué)術(shù)活動(dòng)。（俁密的學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)說(shuō)明）學(xué)位論文作者簽名：張?jiān)鷮?dǎo)師簽各屈憶瑕H期：外卜2我FI期：知"7、

10、/2/f河北工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文第一章緒論§ 1-1課題研究的背景及意義隨著鐵路運(yùn)輸高速重載戰(zhàn)略的實(shí)施，機(jī)車(chē)車(chē)輛運(yùn)行速度提高， 載重量增大，對(duì)鐵路運(yùn)輸機(jī)車(chē)車(chē)輛的安全技術(shù)保障提出了更高的要求，其中列車(chē)軸溫監(jiān)測(cè)對(duì)保證列車(chē)運(yùn)行安全具有重要意義。列車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中，機(jī)車(chē)車(chē)輛與鋼軌的沖擊、動(dòng)力效應(yīng)和振動(dòng)，導(dǎo)致車(chē)輛走行部分各軸承的發(fā)熱。 當(dāng)軸承磨損和產(chǎn)生缺陷時(shí)，不正常發(fā)熱增大，輕則熱軸、固死造成機(jī)損，影響車(chē)輛的正常運(yùn)行；重則造 成疲勞破壞和熱切軸，車(chē)毀人亡，嚴(yán)重影響鐵路運(yùn)輸安全，造成巨大的生命和財(cái)產(chǎn)損失。例如1998年6月3日，德國(guó)的一列以速度 200 km /h行駛的高速客車(chē)因車(chē)輪軸內(nèi)部疲勞

11、斷裂突然出軌，致使100多人喪生，80余人受傷1?？梢?jiàn)，開(kāi)發(fā)研制性能可靠、優(yōu)良的高速車(chē)輛軸溫監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)，對(duì)保證行車(chē)安 全具有重要意義。隨著我國(guó)鐵路交通運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展，客車(chē)和貨車(chē)相繼提速，目前客車(chē)最高運(yùn)行速度已達(dá)到200公里/小時(shí)，貨車(chē)最高運(yùn)行速度將達(dá)到120公里/小時(shí)，正在建造或計(jì)劃建造的高速鐵路，列車(chē)最高運(yùn)行速度將達(dá)到300350公里/小時(shí)。這對(duì)運(yùn)輸安全的技術(shù)保障提出了更高的要求，過(guò)去依靠列車(chē)停站后人工手 摸的方法檢測(cè)車(chē)輛軸溫，己不能滿(mǎn)足鐵路運(yùn)輸安全的需要。近年來(lái)，在鐵路沿線每隔 30公里，建有列車(chē)紅外軸溫探測(cè)站，用來(lái)監(jiān)測(cè)貨運(yùn)車(chē)輛的軸溫變化。客 運(yùn)車(chē)普遍安裝了車(chē)載式傳感器的軸溫監(jiān)控裝置，嚴(yán)密的

12、監(jiān)測(cè)運(yùn)行列車(chē)軸溫變化情況。但是，由于紅外探測(cè)設(shè)備易受外界環(huán)境影響、探測(cè)點(diǎn)受車(chē)身擺動(dòng)影響定位困難等原因，使得軸溫過(guò)高告警兌現(xiàn)率低、誤報(bào)率極高。而客運(yùn)列車(chē)車(chē)載式傳感器軸溫檢測(cè)裝置，主機(jī)安裝在各車(chē)廂列車(chē)員的休息室內(nèi)，軸溫信息的 傳輸方式及集中處理也受到列車(chē)特殊環(huán)境的種種限制，尚存在不少問(wèn)題。國(guó)內(nèi)有關(guān)部門(mén)曾研制過(guò)幾種軸溫集中監(jiān)測(cè)裝置，由于未能解決好信息可靠傳輸及傳輸通道的問(wèn)題，因此難以推廣使用2,3。§ 1-2國(guó)內(nèi)外研究的現(xiàn)狀目前國(guó)內(nèi)外采用的軸溫監(jiān)測(cè)裝置分為車(chē)載接觸測(cè)量式與地面紅外探測(cè)式兩大類(lèi)。絕大多數(shù)長(zhǎng)途直、特快旅客列車(chē)都安裝了傳感器直接接觸式軸溫監(jiān)測(cè)報(bào)警器（例如TKZW-ITA型），該報(bào)

13、警器一般安裝在各車(chē)廂列車(chē)員的休息室內(nèi)，直接采用聲光報(bào)警，稱(chēng)為車(chē)載接觸測(cè)量式軸溫監(jiān)測(cè)報(bào)警器。采用該種方式的軸溫測(cè)試技術(shù)主要是測(cè)溫傳感器的選擇，溫度信號(hào)的實(shí)時(shí)檢測(cè)、信號(hào)處理、存儲(chǔ)、 超溫報(bào)警、顯示。盡管多年的實(shí)踐已使其技術(shù)狀態(tài)趨于穩(wěn)定，但軸溫信息的傳輸方式及集中處理由于受到列車(chē)特殊環(huán)境的種種限制，尚存在不少問(wèn)題。國(guó)內(nèi)有關(guān)部門(mén)也在研究軸溫集中監(jiān)測(cè)裝置，希望解決好信息可靠傳輸及信息存儲(chǔ)的問(wèn)題。目前絕大多數(shù)列車(chē)軸溫報(bào)警裝置仍然沿用了單車(chē)分散報(bào)警的模式，這樣有時(shí)難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)，不能夠迅速將故障信息上報(bào)、為有關(guān)人員及時(shí)采取措施提供條件，因此目前要解決的是實(shí)時(shí)檢測(cè)、信息傳輸和集中控制問(wèn)題4,5。在北美、日本、歐

14、洲、澳大利亞等國(guó)都有類(lèi)似產(chǎn)品應(yīng)用。另一種是地面紅外探測(cè)式軸溫探測(cè)設(shè)備。我國(guó)鐵路紅外線軸溫探測(cè)設(shè)備研制工作始于1958年，采用硫化鉛紅外線元件進(jìn)行非接觸式探測(cè)。1970年研制出我國(guó)第一臺(tái)鐵路紅外線軸溫探測(cè)設(shè)備（簡(jiǎn)稱(chēng)一代機(jī)），科技水平接近當(dāng)時(shí)世界先進(jìn)水平。一代機(jī)主要由車(chē)輪傳感器（簡(jiǎn)稱(chēng)磁鑰）、軸溫傳感器（簡(jiǎn)稱(chēng)紅外探頭）、軸溫信息傳輸和描筆記錄儀構(gòu)成。值班人員根據(jù)每個(gè)軸溫脈沖幅值的高低，進(jìn)行滾滑判別和熱軸判別。1985年我國(guó)研制出第二代紅外線軸溫探測(cè)設(shè)備（簡(jiǎn)稱(chēng)二代機(jī)），科技水平達(dá)到世界先進(jìn)水平。二代機(jī)引進(jìn)了計(jì)算機(jī)技術(shù)，克服了一代機(jī) 單點(diǎn)應(yīng)用的缺點(diǎn)，具有網(wǎng)絡(luò)布點(diǎn)、熱軸跟蹤、區(qū)間無(wú)人探測(cè)、人機(jī)對(duì)話(huà)等特點(diǎn)，

15、具有自動(dòng)探測(cè)熱軸、自 動(dòng)測(cè)速、自動(dòng)計(jì)軸計(jì)輛、自動(dòng)識(shí)別客貨車(chē)輛、自動(dòng)識(shí)別滾動(dòng)和滑動(dòng)軸承等功能。HBD- H型紅外線軸溫探測(cè)設(shè)備動(dòng)態(tài)檢測(cè)車(chē)是利用原HBD型檢測(cè)車(chē)的車(chē)體重新研制的，該檢測(cè)裝置解決了原檢測(cè)車(chē)存在測(cè)控溫精度差、功耗大、無(wú)法對(duì)地面探頭探測(cè)方位等問(wèn)題。隨著鐵路提速戰(zhàn)略的實(shí)施，對(duì)車(chē)輛運(yùn)行安全保障技術(shù)提出了更高的要求。HBD- H型檢測(cè)車(chē)車(chē)載檢測(cè)裝置在實(shí)際使用中暴露出一些問(wèn)題，如：模擬軸箱的動(dòng)態(tài)控溫精度不能滿(mǎn)足160km /h時(shí)速要求；對(duì)不同廠家設(shè)備不能滿(mǎn)足探頭掃描方位的動(dòng)態(tài)自動(dòng)檢測(cè)；車(chē)輛在鋼軌上的相對(duì)偏移量測(cè)定受日光照影響。為解決上述問(wèn)題，上海鐵路局車(chē)輛處與航天科技集團(tuán)502所再度合作，在HB

16、D- H型檢測(cè)裝置的基礎(chǔ)上，對(duì)車(chē)載紅外線軸溫探測(cè)設(shè)備動(dòng)態(tài)檢測(cè)裝置進(jìn)行了重新研制。重新研制的HBD-川型紅外線軸溫探測(cè)設(shè)備動(dòng)態(tài)檢測(cè)裝置被安裝在25K新型提速車(chē)上，并于 2002年10月30日通過(guò)了部科技司組織的技術(shù)鑒定。近幾年國(guó)內(nèi)又研制出了 HTK-499型紅外線軸溫探測(cè)系統(tǒng)（THDS），該系統(tǒng)適應(yīng)車(chē)速 3360 km /h,探測(cè)精度土 2C,具有自動(dòng) 計(jì)軸計(jì)輛，自動(dòng)判別客車(chē)、貨車(chē)和機(jī)車(chē)，自動(dòng)判別列車(chē)運(yùn)行方向和速度，自動(dòng)判別車(chē)輛滾動(dòng)、滑動(dòng)軸承，自動(dòng)讀取車(chē)號(hào)信息進(jìn)行列車(chē)熱軸跟蹤和預(yù)報(bào)及遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能。目前國(guó)內(nèi)主要生產(chǎn)廠家及其主要設(shè)備型號(hào)如下：航天部502所，HBDS-II型；哈爾濱鐵路局科研所，H

17、TK-391型；成都鐵路局廣漢通信信號(hào)廠，HZT-II 9012型等。但地面紅外探測(cè)式軸溫探測(cè)設(shè)備由于受環(huán)境、車(chē)型以及行駛中車(chē)體晃動(dòng)等因素的影響，造成檢測(cè)兌現(xiàn)率低、誤報(bào)率高、維修量大等等不可靠情 況6。國(guó)外紅外線軸溫探測(cè)設(shè)備，主要由少數(shù)幾個(gè)發(fā)達(dá)國(guó)家研制生產(chǎn)和應(yīng)用。1955年美國(guó)SERVO公司開(kāi)始研制，1956年生產(chǎn)出第一臺(tái)產(chǎn)品。近幾年來(lái)，發(fā)展中國(guó)家也開(kāi)始應(yīng)用紅外線軸溫探側(cè)設(shè)備。目前國(guó) 外主要生產(chǎn)廠家為美國(guó)伺服公司（ SERVO）、美國(guó)哈曼公司（HARMON ）、法國(guó)CSEE公司和德國(guó)TC 公司。§ 1-3論文主要工作及各章內(nèi)容簡(jiǎn)介針對(duì)目前列車(chē)軸溫探測(cè)存在的不足，本文設(shè)計(jì)了由列車(chē)車(chē)輛的

18、每個(gè)軸箱直接攜帶數(shù)字傳感器（DS18B20 ），借助于現(xiàn)代無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)時(shí)地將列車(chē)車(chē)輛每個(gè)車(chē)軸的軸溫情況，傳送到安裝 在機(jī)車(chē)頭的軸溫監(jiān)測(cè)控制臺(tái)，并可轉(zhuǎn)至地面監(jiān)控中心。供機(jī)車(chē)司機(jī)和地面車(chē)輛檢修部門(mén)隨時(shí)監(jiān)測(cè)車(chē)輛運(yùn)行時(shí)軸溫的變化情況。以便在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候采取一定的措施，從而確保列車(chē)運(yùn)行的安全。根據(jù)用戶(hù)要求，要做的主要研究工作是：一、軸溫監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的硬件電路：電源的供給，軸溫信號(hào)的檢測(cè)和提取，溫度數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，軸溫?cái)?shù)據(jù) 的傳輸。二、機(jī)車(chē)控制臺(tái)節(jié)點(diǎn)的硬件電路設(shè)計(jì)：與軸溫監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)基本相同，包括軸溫?cái)?shù)據(jù)的存儲(chǔ)、記錄、軸溫信息的顯示和超溫告警電路。三、軟件：由軸溫監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)和機(jī)車(chē)控制臺(tái)節(jié)點(diǎn)的

19、軟件設(shè)計(jì)兩大部分。監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)包括傳感器的判別、傳感器連接狀態(tài)的判別和軸溫信號(hào)的處理，其中軸溫信號(hào)的處理包括存儲(chǔ)、報(bào)警和與機(jī)車(chē)控制臺(tái)的信息傳輸三部分。軸溫機(jī)車(chē)控制臺(tái)的軟件設(shè)計(jì)包括軸溫?cái)?shù)據(jù)接收、分析和處理。3河北工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文第二章系統(tǒng)方案的整體設(shè)計(jì)§ 2-1無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)及其特點(diǎn)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks，簡(jiǎn)稱(chēng) WSNs）是計(jì)算、通信和傳感器這三項(xiàng)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，目前成為信息科學(xué)領(lǐng)域一個(gè)活躍的研究分支。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由眾多傳感器節(jié)點(diǎn)以Ad Hoc（移動(dòng)自組網(wǎng)、多跳網(wǎng)絡(luò)）方式構(gòu)成的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。其目的是感知、采集和轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地理

20、區(qū)域中感 知對(duì)象的各種信息，并發(fā)送給觀測(cè)者。根據(jù)以上定義，傳感器節(jié)點(diǎn)、感知對(duì)象和觀測(cè)者是無(wú)線傳感器網(wǎng) 絡(luò)的3個(gè)組成部分；無(wú)線網(wǎng)絡(luò)是傳感器之間、傳感器節(jié)點(diǎn)與觀測(cè)者之間的通信基礎(chǔ)，用于在傳感器與觀測(cè)者之間建立通信路徑；協(xié)作地感知、采集、處理、發(fā)送感知信息是傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本功能。一組功能 有限的傳感器節(jié)點(diǎn)協(xié)作地完成大的感知任務(wù)是傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要特點(diǎn)，傳感器網(wǎng)絡(luò)中的部分或全部節(jié)點(diǎn)可以移動(dòng)，傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也會(huì)隨著節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)而不斷地動(dòng)態(tài)變化。節(jié)點(diǎn)間以Ad Hoc方式進(jìn)行通信，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以充當(dāng)路由器的角色，并且每個(gè)節(jié)點(diǎn)都具備動(dòng)態(tài)搜索、定位和恢復(fù)連接的能力。下 面詳細(xì)討論傳感器節(jié)點(diǎn)、感知對(duì)象和觀測(cè)者。

21、傳感器節(jié)點(diǎn)由電源、傳感器元器件、處理器CPU、存儲(chǔ)器、通信部件和軟件這幾部分構(gòu)成。電源為傳感器提供正常工作所必需的能源。傳感器元器件用于感知、獲取外界的信息，并通過(guò)AD轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。處理部件負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)各部分的工作，如對(duì)感知部件獲取的信息進(jìn)行必要的處理、 保存，控制傳感器元器件和電源的工作模式等。通信部件負(fù)責(zé)與其它傳感器或觀測(cè)者的通信。軟件則為傳感器提供必要的軟件支持，如嵌入式操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧等。觀測(cè)者是傳感器網(wǎng)絡(luò)的用戶(hù)，是感知信息的接受和應(yīng)用者。觀測(cè)者可以是人，也可以是計(jì)算機(jī)或其 它設(shè)備。例如，軍隊(duì)指揮官可以是傳感器網(wǎng)絡(luò)的觀測(cè)者；一個(gè)由飛機(jī)攜帶的移動(dòng)計(jì)算機(jī)也可以是傳感器網(wǎng)絡(luò)的

22、觀測(cè)者。一個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)可以有多個(gè)觀測(cè)者。一個(gè)觀測(cè)者也可以是多個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)的用戶(hù)。觀測(cè)者可以主動(dòng)地查詢(xún)或收集傳感器網(wǎng)絡(luò)的感知信息，也可以被動(dòng)地接收傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)布的信息。觀測(cè)者將對(duì)感知信息進(jìn)行觀察、分析、挖掘、制定決策，或?qū)Ω兄獙?duì)象采取相應(yīng)的行動(dòng)。對(duì)象是觀測(cè)者感興趣的 監(jiān)測(cè)目標(biāo)，也是傳感器網(wǎng)絡(luò)的感知對(duì)象，如坦克、軍隊(duì)、動(dòng)物、有害氣體等。感知對(duì)象一般通過(guò)表示物 理現(xiàn)象、化學(xué)現(xiàn)象或其他現(xiàn)象的數(shù)字量來(lái)表征，如溫度、濕度等。一個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)可以感知網(wǎng)絡(luò)分布區(qū) 域內(nèi)的多個(gè)對(duì)象，一個(gè)對(duì)象也可以被多個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)所感知。無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)是任意分布在被檢測(cè)區(qū)域的，一般環(huán)境中采用人工埋置的方法，這樣可以保證節(jié)點(diǎn)的大體均勻

23、分布；在危險(xiǎn)區(qū)域或者不方便人工埋置的情況下，可以采用飛機(jī)投放，炮彈彈射等方法。當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)部署完成后，所有傳感器節(jié)點(diǎn)以自組織形式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，在每個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)建路由信息， 以使每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以與網(wǎng)絡(luò)中的其它節(jié)點(diǎn)通訊。在這些節(jié)點(diǎn)中，有少數(shù)幾個(gè)節(jié)點(diǎn)被稱(chēng)為基站 （Base Statio n）或者Sink節(jié)點(diǎn)，Sink節(jié)點(diǎn)起網(wǎng)關(guān)的作用，它將傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送來(lái)的采集數(shù)據(jù)發(fā)送給觀測(cè)者，發(fā)送的方式 可以采用In ternet、衛(wèi)星通信等；同時(shí)將觀測(cè)者的控制命令發(fā)送給各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)。Sink節(jié)點(diǎn)必須在傳感7-10器網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍之內(nèi)，用戶(hù)的控制終端可以在任何地域范圍內(nèi)根據(jù)不同的應(yīng)用，無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的組成不盡相同，但一般都

24、由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)發(fā)送和電源這4部分組成。數(shù)據(jù)采集單元包括各種傳感器，根據(jù)實(shí)際需要采集物理量的形式，采用不同類(lèi)型的傳感器；傳感器的選擇標(biāo)準(zhǔn)基于精度與功耗的折中。根據(jù)不同的應(yīng)用，有些傳感器是暫時(shí)不用的，為了 達(dá)到節(jié)能的目的，系統(tǒng)硬件采用多路數(shù)字開(kāi)關(guān)陣列控制各個(gè)傳感器的電源，這樣在應(yīng)用軟件中可以靈活控制不同傳感器的開(kāi)關(guān)。處理器可以采用通用嵌入式CPU，比如ARM公司的ARM7等，但是隨著單片機(jī)運(yùn)算速度的提高以及功能的擴(kuò)充，以及出于降低功耗和節(jié)約成本的考慮，現(xiàn)有節(jié)點(diǎn)的硬件一般都采用一些高性能的單片機(jī)，比如 Atmel公司的AVR單片機(jī)。數(shù)據(jù)傳輸單元主要由低功耗、短距離的無(wú)線通信 模塊組成，比

25、如Chipcon公司的CC1000等11。在實(shí)際應(yīng)用中，傳感器的體積越小越好，功能越強(qiáng)大越好，然而這兩者是互相制約的。很明顯，為了實(shí)現(xiàn)一定的功能而縮小體積是硬件設(shè)計(jì)的最大挑戰(zhàn)?！爸悄軌m?！钡淖罱K目標(biāo)是將傳感器集成到與塵埃大小相同的體積上， 甚至可以利用傳感器所處環(huán)境提供能量。然而在目前階段，處于原型開(kāi)發(fā)與試驗(yàn)階段的傳感器體積都還有火柴盒的大小。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本特點(diǎn)包括以下幾個(gè)方面：1. 節(jié)點(diǎn)數(shù)量眾多，隨機(jī)撒布，稠密布置。2. 節(jié)點(diǎn)能源受限。一般節(jié)點(diǎn)采用電池供電，能源非常有限，必須采用節(jié)能計(jì)算和節(jié)能通信。3. 節(jié)點(diǎn)通信能力和計(jì)算能力有限，存儲(chǔ)器容量有限。節(jié)點(diǎn)的計(jì)算能力非常有限，所以不可能實(shí)現(xiàn)

26、復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議；節(jié)點(diǎn)之間的帶寬也是非常珍貴的資源。4. 節(jié)點(diǎn)狀態(tài)不穩(wěn)定，要求網(wǎng)絡(luò)有很強(qiáng)的容錯(cuò)和恢復(fù)能力。5. 節(jié)點(diǎn)間通信主要采用廣播方式，節(jié)點(diǎn)具備初步的數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)融合能力。6. 節(jié)點(diǎn)不存在全局的節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種全新的網(wǎng)絡(luò)，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)完全不同于現(xiàn)有In ternet網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是以大范圍多種信息采集為目的，以節(jié)能為研究核心的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。從網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的算法，到硬件元器件的選擇，直到操作系統(tǒng)軟件的算法，都體現(xiàn)了節(jié)能的思想。作為極具潛力的一種技術(shù)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在未來(lái)幾年必將得到廣泛的應(yīng)用，而由于節(jié)能在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中所處的核心地位，節(jié)能技術(shù)水平將伴隨著無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)

27、的發(fā)展而不斷提高。未來(lái)，節(jié)能技術(shù)的研究將進(jìn)一步與無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特定應(yīng)用聯(lián)系起來(lái)，針對(duì)不同應(yīng)用進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的優(yōu)化。同時(shí)， 軟硬件整合設(shè)計(jì)、跨層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計(jì)等一體化節(jié)能設(shè)計(jì)思路將得到廣泛應(yīng)用。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)由許許多多個(gè)功能相同或不同的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)組成。每一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)由數(shù)據(jù)采集模塊（傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器）、數(shù)據(jù)處理和控制模塊（微處理器、存儲(chǔ)器）、通信模塊（無(wú)線收發(fā)器）和供電模塊（電池、DC/DC能量轉(zhuǎn)換器）等組成。節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中可以充當(dāng)數(shù)據(jù)采集者、數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站或類(lèi)頭節(jié)點(diǎn)（cluster -head node）的角色。作為數(shù)據(jù)采集者，數(shù)據(jù)采集模塊收集周?chē)h(huán)境的數(shù)據(jù)（如溫度、 濕度），通過(guò)通信路由協(xié)議直接

28、或間接將數(shù)據(jù)傳輸給遠(yuǎn)方基站（base station）或網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)（sink node）；作為數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站，節(jié)點(diǎn)除了完成采集任務(wù)外，還要接收鄰居節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)發(fā)給距離基站更近的鄰居節(jié)點(diǎn)或者直接轉(zhuǎn)發(fā)到基站或網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)；作為類(lèi)頭節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)收集該類(lèi)內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)，經(jīng) 數(shù)據(jù)融合后，發(fā)送到基站或匯節(jié)點(diǎn) 12。相對(duì)于傳統(tǒng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有一些明顯的持征：第一，網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量眾多、密度高，單位面積所擁有的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。第二，傳感器節(jié)點(diǎn)由電池供電，節(jié)點(diǎn)能量有限。由于節(jié)點(diǎn)數(shù)量多，而且無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)往往應(yīng)用于 人煙荒蕪的地方或人們難以直接操作的地方，因此更換傳感器節(jié)點(diǎn)電

29、池是不現(xiàn)實(shí)的。這決定了傳感器節(jié)點(diǎn)生命和網(wǎng)絡(luò)壽命的有限性。第三，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間采用自組織的通信方式。傳感器節(jié)點(diǎn)是自主的、自治的，節(jié)點(diǎn)之間以Ad Hoc。方式通信，不同于傳統(tǒng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的中心控制通信模式。第四，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟鬃兓Ｓ捎诠?jié)點(diǎn)能量有限，節(jié)點(diǎn)易出故障，導(dǎo)致無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔⒆兓?速。第五，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具備容錯(cuò)能力。傳感器節(jié)點(diǎn)所處的環(huán)境通常是惡劣的（如噪音多、風(fēng)吹雨淋等），導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)易受干擾，易出錯(cuò)。這要求無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具有容錯(cuò)能力才會(huì)有應(yīng)用前景。此外，節(jié)點(diǎn)體積限制、能量有限決定了節(jié)點(diǎn)只能具備有限的計(jì)算存儲(chǔ)能力和短距離通信能力13,14。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)以其自組織性、微型性、低成本、靈活性等優(yōu)點(diǎn)，在軍

30、事、環(huán)境科學(xué)、醫(yī)療健康、 空間探索、商業(yè)應(yīng)用等領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用前景。在軍事領(lǐng)域，傳感器網(wǎng)絡(luò)將會(huì)成為現(xiàn)代化戰(zhàn)場(chǎng)指揮系統(tǒng)不可或缺的一部分。因?yàn)閭鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)是由密集型、低成本、隨機(jī)分布的節(jié)點(diǎn)組成的，自組織性和容錯(cuò)能力使其不會(huì)因?yàn)槟承┕?jié)點(diǎn)在惡意攻擊中的損壞而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的崩潰，這一點(diǎn)是傳統(tǒng)的傳感器技術(shù)所無(wú)法比擬的。也正是這一點(diǎn)，使傳感器網(wǎng)絡(luò)非常適合應(yīng)用于惡劣的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中，包括監(jiān)控我軍兵力、 裝備和物資，監(jiān)視沖突區(qū)，偵察敵方地形和布防，定位攻擊目標(biāo)，評(píng)估損失，偵察和探測(cè)核、生物和化學(xué)攻擊。在戰(zhàn)場(chǎng)上，指揮員往往需要及時(shí)準(zhǔn)確地了 解部隊(duì)、武器裝備和軍用物資供給的情況，鋪設(shè)的傳感器將采集相應(yīng)的信息，并通過(guò)

31、匯聚節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)送至指揮所，再轉(zhuǎn)發(fā)到指揮部，最后融合來(lái)自各戰(zhàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)形成我軍完備的戰(zhàn)區(qū)態(tài)勢(shì)圖。在戰(zhàn)爭(zhēng)中，對(duì)沖 突區(qū)和軍事要地的監(jiān)視也是至關(guān)重要的，通過(guò)鋪設(shè)傳感器網(wǎng)絡(luò)，以更隱蔽的方式近距離地觀察敵方的布防。當(dāng)然，也可以直接將傳感器節(jié)點(diǎn)撒向敵方陣地，在敵方還未來(lái)得及反應(yīng)時(shí)迅速收集利于作戰(zhàn)的信息。傳感器網(wǎng)絡(luò)也可以為火控和制導(dǎo)系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的目標(biāo)定位信息。在環(huán)境科學(xué)方面，傳感器網(wǎng)絡(luò)為野外隨機(jī)性的研究數(shù)據(jù)獲取提供了方便，比如，跟蹤候鳥(niǎo)和昆蟲(chóng)的遷移，研究環(huán)境變化對(duì)農(nóng)作物的影響，監(jiān)測(cè)海洋、大氣和土壤的成分等。例如在ALERT系統(tǒng)中就有數(shù)種傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)降雨量、河水水位和土壤水分，并依此預(yù)測(cè)爆發(fā)山洪的可能性。類(lèi)似地

32、，傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì) 森林火災(zāi)準(zhǔn)確、及時(shí)地預(yù)報(bào)也應(yīng)該是有幫助的。此外，傳感器網(wǎng)絡(luò)也可以應(yīng)用在精細(xì)農(nóng)業(yè)中，以監(jiān)測(cè)農(nóng) 作物中的害蟲(chóng)、土壤的酸堿度和施肥狀況等。在醫(yī)療健康方面，如果在住院病人身上安裝特殊用途的傳感器節(jié)點(diǎn)，如心率和血壓監(jiān)測(cè)設(shè)備，利用傳感器網(wǎng)絡(luò)，醫(yī)生就可以隨時(shí)了解被監(jiān)護(hù)病人的病情，進(jìn)行及時(shí)處理。還可以利用傳感器網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)時(shí)間地收集人的生理數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)在研制新藥品的過(guò)程中是非常有用的，而安裝在被監(jiān)測(cè)對(duì)象身上的微型傳感器也不會(huì)給人的正常生活帶來(lái)太多的不便?？傊瑐鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)為未來(lái)的遠(yuǎn)程醫(yī)療提供了更加方便、快捷的技術(shù)實(shí)現(xiàn)手段。在空間探索方面，探索外部星球一直是人類(lèi)夢(mèng)寐以求的理想，借助于航天器布撒的傳感器

33、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)星球表面長(zhǎng)時(shí)間的監(jiān)測(cè)，應(yīng)該是一種經(jīng)濟(jì)可行的方案。在商業(yè)應(yīng)用方面，自組織、微型化和對(duì)外部世界的感知能力是傳感器網(wǎng)絡(luò)的三大特點(diǎn)，這些特點(diǎn)決定了傳感器網(wǎng)絡(luò)在商業(yè)領(lǐng)域也會(huì)有不少的機(jī)會(huì)。例如，嵌入家具和家電中的傳感器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與In ternet連接在一起將會(huì)為我們提供更加舒適、方便和具有人性化的智能家居環(huán)境；傳感器網(wǎng) 絡(luò)還可以應(yīng)用于城市的車(chē)輛監(jiān)測(cè)和跟蹤系統(tǒng)中。此外，在災(zāi)難拯救、倉(cāng)庫(kù)管理、交互式博物館、交互式 玩具、工廠自動(dòng)化生產(chǎn)線等眾多領(lǐng)域，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)都將會(huì)孕育出全新的設(shè)計(jì)和應(yīng)用模式1518。§ 2-2無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在列車(chē)軸溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用鐵路機(jī)車(chē)車(chē)輛軸溫的

34、監(jiān)測(cè)，對(duì)于客運(yùn)列車(chē)，其每節(jié)車(chē)廂內(nèi)都有電源，車(chē)廂之間也都聯(lián)有通信電纜， 采用有線方式監(jiān)測(cè)軸溫更可靠；而對(duì)于貨運(yùn)列車(chē)，為防止發(fā)生危險(xiǎn)事故，也要對(duì)軸溫進(jìn)行監(jiān)測(cè)，但是貨 車(chē)沒(méi)有電源，車(chē)廂之間也沒(méi)有通信線纜。因此，軸溫的監(jiān)測(cè)要比客車(chē)?yán)щy，故采用基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) 的軸溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)更適合于貨運(yùn)列車(chē)，而且隨著無(wú)線通信可靠性的提高，采用無(wú)線方式進(jìn)行監(jiān)測(cè)也將是未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。2-2-1無(wú)線數(shù)據(jù)通信的實(shí)現(xiàn)當(dāng)前無(wú)線通信技術(shù)主要有802.11b、802.15.4(ZigBee)、Bluetooth、UWB、HomeRF、IrDA 等，下面對(duì)幾種通信技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹：1. 802.11b 技術(shù)IEEE的802.11b是

35、802.11家族中的一種新標(biāo)準(zhǔn)，它利用無(wú)線電發(fā)射頻率將電腦及移動(dòng)設(shè)備同局域網(wǎng)連接起來(lái)。802.11b采用2.4GHz無(wú)線頻段，最大數(shù)據(jù)傳輸速率為11Mb/s，當(dāng)射頻情況變差時(shí)，可將數(shù)據(jù)傳輸速率降低為5.5Mb/s、2Mb/s和1Mb/s。支持的范圍是在室外為300米，在辦公環(huán)境中最長(zhǎng)為100米。但其功耗比較高在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用不多。2. IrDA技術(shù)IrDA(Infrared Data Association)是一種利用紅外線進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的技術(shù)，IrDA無(wú)需專(zhuān)門(mén)申請(qǐng)?zhí)囟l率的使用執(zhí)照、具有移動(dòng)通信設(shè)備所必需的體積小和功率低的特點(diǎn)、點(diǎn)到點(diǎn)的連接下保密性以及速率可以達(dá)到4M且所受干擾小，適合

36、于低成本、跨平臺(tái)、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)高速數(shù)據(jù)連接。優(yōu)點(diǎn)在于數(shù)據(jù)傳輸速率 高，適合于傳輸容量較大的數(shù)據(jù)文件和多媒體數(shù)據(jù)流；紅外線發(fā)射角度較小，有一定的物理傳輸上的安全性。主要缺點(diǎn)是傳輸距離短，受視距影響；要求通信設(shè)備的位置固定：點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳輸，無(wú)法靈活地組成網(wǎng)絡(luò)。3. Bluetooth 技術(shù)藍(lán)牙(Bluetooth)是由Ericsson、IBM、Nokia、In tel和Tosiba等公司在1998年聯(lián)合推出的一種先進(jìn) 的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。藍(lán)牙技術(shù)采用跳頻技術(shù)，抗信號(hào)衰落；采用快跳頻和短分組技術(shù)，減少同頻干擾，保證傳輸?shù)目煽啃?；采用前向糾錯(cuò)(FEC)編碼技術(shù)，減少遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)的隨機(jī)噪聲影響；使用 2.4GHz的

37、ISM頻段，無(wú) 需申請(qǐng)?jiān)S可證；采用 FM調(diào)制方式，降低設(shè)備的復(fù)雜性。該技術(shù)的傳輸速率設(shè)計(jì)為1MHz，以時(shí)分方式進(jìn)行全雙工通信，其基帶協(xié)議是電路交換和分組交換的組合。支持點(diǎn)到點(diǎn)、點(diǎn)到多點(diǎn)的話(huà)音、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù) 的短距離無(wú)線通信技術(shù)， 實(shí)質(zhì)是要建立通用的無(wú)線接口及其控制軟件的開(kāi)發(fā)標(biāo)準(zhǔn)，使得計(jì)算機(jī)等設(shè)備和通信進(jìn)一步結(jié)合，使不同廠家生產(chǎn)的便攜式設(shè)備在沒(méi)有電線或電纜相連的情況下，能在近距離范圍內(nèi)互聯(lián)。藍(lán)牙設(shè)備依靠專(zhuān)用的藍(lán)牙芯片使設(shè)備在短距離范圍內(nèi)發(fā)送無(wú)線電信號(hào)，來(lái)尋找另一個(gè)藍(lán)牙設(shè)備，一旦找到，相互之間建立通信，交換信息。其作用半徑在發(fā)射功率為1毫瓦的時(shí)候?yàn)?0米，增大發(fā)射功率(100mW)可使半徑為100米，

38、通信協(xié)議和堆棧復(fù)雜，需要專(zhuān)門(mén)設(shè)備開(kāi)發(fā)。4. HomeRFHomeRF(家用射頻)技術(shù)是由Proxim、西門(mén)子、摩托羅拉和康柏等公司在1998年組建HomeRF工作組開(kāi)始進(jìn)行 HomeRF無(wú)線聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)發(fā)。HomeRF把共享無(wú)線連接協(xié)議(SWAP)作為未來(lái)家庭內(nèi)聯(lián)網(wǎng)的主要協(xié)議，使用IEEE802. 11無(wú)線以太網(wǎng)作為數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)。HomeRF是專(zhuān)門(mén)為家庭無(wú)線互連提出的，它可以很好的實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)、打印機(jī)以及其它家用電器之間語(yǔ)音和數(shù)據(jù)的通信和互連。2000年8月31日美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)批準(zhǔn)HomeRF組織成員的要求，允許 HomeRF的傳輸速率在原來(lái)的 2Mb/s的基礎(chǔ)上提高4倍，達(dá)到8Mb/s -

39、11Mb/s傳送速率；但工作在 10Mb/s以上將嚴(yán)重影響它的性能，主要理 由是頻率沖突、功耗較大。HomeRF可以實(shí)現(xiàn)最多5個(gè)設(shè)備之間的互聯(lián)。5. UWB技術(shù)UWB(Ultra-Wideba nd Radio)是一種高速、低成本和低功耗新興無(wú)線通信技術(shù)。在很寬的頻段內(nèi)傳 送短脈沖，將信息調(diào)制到脈沖的時(shí)間和頻率上。目前，Intel、Motorola、Sony等知名大公司正在進(jìn)行UWB無(wú)線設(shè)備的開(kāi)發(fā)和推廣。UWB通信也存在不足，主要問(wèn)題是UWB系統(tǒng)占用的帶寬很大，UWB系統(tǒng)可能會(huì)干擾現(xiàn)有其他無(wú)線通信系統(tǒng)，因此UWB系統(tǒng)的頻率許可問(wèn)題一直在爭(zhēng)論之中；另外，還有學(xué)者認(rèn)為，盡管UWB系統(tǒng)發(fā)射的平均功率

40、很低，但是由于它的脈沖持續(xù)時(shí)間很短，它的瞬時(shí)功率峰值 可能會(huì)很大，這甚至?xí)绊懙矫窈降仍S多系統(tǒng)的正常工作。UWB可以發(fā)揮出高達(dá)數(shù)百 Mbps的傳輸性能，但只限在10m的范圍內(nèi)通信。6. ZigBee(802.15.4)技術(shù)IEEE無(wú)線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)(PAN)工作組的IEEE 802.15.4技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是 ZigBee技術(shù)的基礎(chǔ)。802.15.4標(biāo)準(zhǔn) 旨在為低能耗的簡(jiǎn)單設(shè)備提供有效覆蓋范圍在10米左右的低速連接，可廣泛用于交互玩具、庫(kù)存跟蹤監(jiān)測(cè)等消費(fèi)與商業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。傳感器網(wǎng)絡(luò)是其主要市場(chǎng)對(duì)象。IEEE802.15.4定義了兩個(gè)物理層標(biāo)準(zhǔn)，分別是 2.4GHz物理層和868/915MHz物理層。它們都基

41、于 DSSS( Direct Sequenee Spread Spectrum,直接序列擴(kuò)頻)，使用相同的物理層數(shù)據(jù)包格式，區(qū)別在于工 作頻率、調(diào)制技術(shù)、擴(kuò)頻碼片長(zhǎng)度和傳輸速率。2.4GHz波段為全球統(tǒng)一的無(wú)需申請(qǐng)的ISM頻段，有助于ZigBee設(shè)備的推廣和生產(chǎn)成本的降低。2.4GHz的物理層通過(guò)采用高階調(diào)制技術(shù)能夠提供250kb/s的傳輸速率，有助于獲得更高的吞吐量、更小的通信時(shí)延和更短的工作周期，從而更加省電。868MHz是歐洲的ISM頻段，915MHz是美國(guó)的ISM頻段，這兩個(gè)頻段的引入避免了2.4GHz附近各種無(wú)線通信設(shè)備的相互干擾。868MHz的傳輸速率為20kb/s, 916MHz

42、是40kb/s。這兩個(gè)頻段上無(wú)線信號(hào)傳播損耗較 小,因此可以降低對(duì)接收機(jī)靈敏度的要求，獲得較遠(yuǎn)的有效通信距離 ，從而可以用較少的設(shè)備覆蓋給定的區(qū)域。7. RF技術(shù)射頻(Radio Frequency RF)技術(shù)使用幾個(gè)特定頻率中的一個(gè)頻率傳輸數(shù)據(jù)，相鄰的 WLAN使用不同 頻率。其產(chǎn)品既可工作在18-19GHZ的特許頻段，也可以在低功率的情況下工作于 ISM(Industrial/Scientific/Medical) 頻段。在中等衰減的建筑物中， RF信號(hào)一般可穿透一至三堵墻。它可 用于室外、開(kāi)放或封閉的室內(nèi)辦公環(huán)境?，F(xiàn)在有很多射頻芯片可用來(lái)完成無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，開(kāi)發(fā)相對(duì)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。通過(guò)自定

43、義簡(jiǎn)單的通信協(xié)議可以有效的減少無(wú)線通信的數(shù)據(jù)量，從而降低了系統(tǒng)的功耗；其通信范圍在幾十米到幾百米之間。表2.1典型無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)Table 2.1 Typical wireless sen sor n etworks no des節(jié)點(diǎn)名稱(chēng)所用處理器無(wú)線心片(技術(shù))電池類(lèi)型發(fā)布日期Mica ATmega128LTR1000(RF)AA2001Mica2 ATmecJa128LCC1000(RF)AA2002Mica2Dot ATmejga128LCC1000(RF)Lithium2002Mica3 ATmecJa128LCC1020(RF)AA2003Micaz ATmeca128LCC24

44、20(ZigBee)AA2003Toles MSP430F149CC2420(ZigBee)AA2004Platform1 PIC15LF877Bluetooth&RFAA2004Platform2 TMS320C55xxUWBLithium2005Zabra net MSP，430F1499Xstream(RF) Batteries2004表2.1中列出了近年來(lái)國(guó)內(nèi)外幾種常見(jiàn)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。通過(guò)表2.1可以看出無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中所采用的無(wú)線傳輸技術(shù)主要是802.15.4(ZigBee)和RF技術(shù)。由于采用ZigBee技術(shù)的芯片功耗比較低,但由于其傳輸?shù)木嚯x比較短(一般在1075米之

45、間)，不能滿(mǎn)足實(shí)際中的需求，因此無(wú)線軸溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 中應(yīng)采用傳輸距離較遠(yuǎn)的 RF技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。222監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)是由固定在各車(chē)廂上的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)即監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)、機(jī)車(chē)控制臺(tái)節(jié)點(diǎn)、地面接收站和鐵路列車(chē)軸溫監(jiān)控中心組成。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)將需要的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集后，通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送到機(jī)車(chē)，機(jī)車(chē)將本列車(chē)內(nèi)各車(chē)廂的軸溫檢測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送給地面每隔30公里左右的數(shù)據(jù)接收站，并由地面接收站將其反饋到機(jī)車(chē)控制臺(tái)，以達(dá)到對(duì)軸溫進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的。本文主要對(duì)一列列車(chē)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)部分進(jìn)行研究。列車(chē)軸溫監(jiān)測(cè)車(chē)載系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)主要包括硬件及軟件兩大部分。 硬件部分即相當(dāng)于傳感器網(wǎng)絡(luò)的硬 件節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)

46、的采集及發(fā)送。核心部分包括控制器單元、數(shù)據(jù)采集單元、存儲(chǔ)單元和無(wú)線通信單元。 軟件部分包括通信協(xié)議的實(shí)現(xiàn)，以及用戶(hù)管理界面。硬件部分中控制器負(fù)責(zé)定時(shí)喚醒傳感器采集列車(chē)的軸溫信息，對(duì)信息進(jìn)行處理，存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)；數(shù)據(jù)采集單元主要是溫度傳感器， 對(duì)軸溫信息定時(shí)采集和報(bào)警； 存儲(chǔ)單元實(shí)現(xiàn)一定時(shí)間內(nèi)對(duì)軸溫?cái)?shù)據(jù)的紀(jì)錄， 便于車(chē)頭機(jī)車(chē)控制臺(tái)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行查詢(xún)；無(wú)線通信單元用于發(fā)送采集到的軸溫?cái)?shù)據(jù)，并與車(chē)頭機(jī)車(chē)控制臺(tái)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)通信。9河北工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文第三章硬件電路設(shè)計(jì)§ 3-1監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)硬件電路的整體結(jié)構(gòu)一列列車(chē)通常有 50至60節(jié)車(chē)廂組成，每節(jié)列車(chē)車(chē)廂有兩個(gè)車(chē)軸架，每個(gè)車(chē)軸架上有兩個(gè)車(chē)軸，每個(gè)

47、車(chē)軸兩端又有兩個(gè)軸箱。設(shè)計(jì)中在每個(gè)軸箱上安裝一個(gè)軸溫傳感器，每個(gè)軸架上設(shè)一個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)。監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)硬件部分結(jié)構(gòu)包括：數(shù)據(jù)處理及控制單元、數(shù)據(jù)采集單元、電源單元和通信單元。如圖3.1所示。傳感單元數(shù)據(jù)處理及控 制單元通信單元圖3.1監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)組成Fig. 3.1 Structure of WSN nodes3-1-1數(shù)據(jù)處理及控制單元數(shù)據(jù)處理單元用于數(shù)據(jù)的運(yùn)算、存儲(chǔ)。其核心任務(wù)包括：向數(shù)據(jù)采集單元發(fā)布采集命令，從四個(gè)傳 感器中輪流獲取各軸溫?cái)?shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定、存儲(chǔ)；對(duì)數(shù)據(jù)收發(fā)單元進(jìn)行初始化及其參數(shù)設(shè)置，以及 收發(fā)數(shù)據(jù)流程的控制。3-1-2數(shù)據(jù)采集單元每個(gè)軸箱安裝一只溫度傳感器，當(dāng)用戶(hù)需要得到

48、某個(gè)傳感器數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)用程序通過(guò)操作系統(tǒng)打開(kāi)相應(yīng)傳感器的電源開(kāi)關(guān)，使傳感器處于工作狀態(tài)，將采集的溫度數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理單元。3-1-3.電源單元電源一般采用電池作為系統(tǒng)供電電源，結(jié)合數(shù)字電源開(kāi)關(guān)，在CPU的控制下調(diào)整各傳感器的工作狀態(tài)。3-1-4通信單元以無(wú)線收發(fā)器為核心，受數(shù)據(jù)處理單元的控制。在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，將數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制之 后發(fā)送；在設(shè)定的時(shí)間處于監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)，準(zhǔn)備接收傳入數(shù)據(jù)。該單元由控制器控制定時(shí)喚醒，以降低硬件部分能耗。另外，因?yàn)榇罅康墓?jié)點(diǎn)密集地放置，鄰近節(jié)點(diǎn)間的距離非常近，而整列車(chē)又非常長(zhǎng)，因此要將列車(chē)后部軸溫?cái)?shù)據(jù)傳至車(chē)頭， 可以采用多跳通訊的方式，這樣比采用單跳方式更節(jié)約能

49、源。 傳輸電平 可以保持在較低的電壓等級(jí)上，省去電平轉(zhuǎn)換的麻煩。并可以有效地克服長(zhǎng)距離傳輸中的各種弊端19。§ 3-2各單元的設(shè)計(jì)3-2-1控制單元控制單元是整個(gè)硬件節(jié)點(diǎn)的核心部分，負(fù)責(zé)控制節(jié)點(diǎn)各部分的工作狀態(tài)。設(shè)計(jì)中選用PHILIPS公司的LPC900系列單片機(jī)，該單片機(jī)是一種低功耗的控制器，能夠在低電壓下以低功耗狀態(tài)工作；其控 制器具有強(qiáng)大的處理能力和豐富的片內(nèi)外設(shè)；帶FLASH存儲(chǔ)器的單片機(jī)還可以方便高效地進(jìn)行在線仿真和編程。P89LPC933是一款單片封裝的微控制器，適合于許多要求高集成度、低成本的場(chǎng)合?？梢詽M(mǎn)足多方面的性能要求。P89LPC933采用了高性能的處理器結(jié)構(gòu)，指

50、令執(zhí)行時(shí)間只需2到4個(gè)時(shí)鐘周期。6倍于標(biāo)準(zhǔn)80C51器件。P89LPC933集成了許多系統(tǒng)級(jí)的功能，這樣可大大減少元件的數(shù)目和電路板面積 并降低系統(tǒng)的成本。當(dāng)操作頻率為12MHz時(shí)，除乘法和除法指令外，高速80C51CPU指令執(zhí)行時(shí)間為167333ns。同一時(shí)鐘頻率下，其速度為標(biāo)準(zhǔn)80C51器件的6倍。只需要較低的時(shí)鐘頻率即可達(dá)到同樣的性能，這樣無(wú)疑降低了功耗和 EMI ;1. 操作電壓范圍為 2.43.6V。I/O 口可承受5V （可上拉或驅(qū)動(dòng)到 5.5V）。2. 4KB/8KB Flash字節(jié)可擦除程序存儲(chǔ)器，具有1KB扇區(qū)和64字節(jié)頁(yè)規(guī)格。3. 字節(jié)擦除特性允許程序存儲(chǔ)器用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。4

51、. Flash編程操作執(zhí)行時(shí)間小于 2ms。5. 256字節(jié)RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。6. 2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，每一個(gè)定時(shí)器均可設(shè)置為溢出時(shí)觸發(fā)相應(yīng)端口輸出或作為PWM輸出。7. 實(shí)時(shí)時(shí)鐘可作為系統(tǒng)定時(shí)器。8. 2個(gè)模擬比較器?？蛇x擇輸入和參考源。9. 增強(qiáng)型UART。具有波特率發(fā)生器、間隔檢測(cè)、幀錯(cuò)誤檢測(cè)、自動(dòng)地址識(shí)別和通用的中斷功能。10. 400kHz字節(jié)寬度的I2C通信端口。11. SPI通信端口。12. 8個(gè)鍵盤(pán)中斷輸入，另加 2路外部中斷輸入。13. 4個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)?？撮T(mén)狗定時(shí)器具有片內(nèi)獨(dú)立振蕩器，無(wú)需外接元件?？撮T(mén)狗定時(shí)器溢出時(shí)間有8種選擇。低電平復(fù)位，使用片內(nèi)上電復(fù)位時(shí)不需要外接元

52、件。復(fù)位計(jì)數(shù)器和復(fù)位干擾抑制電路可防止虛假和不完全的復(fù)位。另外還提供軟件復(fù)位功能。低電壓復(fù)位（掉電檢測(cè)）可在電源故障時(shí)使系統(tǒng)安全關(guān)閉。該功能也可配置為一個(gè)中斷。振蕩器失效檢測(cè)?？撮T(mén)狗定時(shí)器具有獨(dú)立的片內(nèi)振蕩器，因此它可用于振蕩器的失效檢測(cè)?？膳渲玫钠瑑?nèi)振蕩器及其頻率范圍和 RC振蕩器選項(xiàng)（通過(guò)用戶(hù)可編程 Flash配置位選擇）。選擇 RC振蕩器時(shí)不需要外接振蕩器件。振蕩器選項(xiàng)支持的頻率范圍為20KHz12MHz?？蛇x擇RC振蕩器選項(xiàng)并且其頻率可進(jìn)行很好的調(diào)節(jié)。空閑和兩種不同的掉電節(jié)電模式。提供從掉電模式中喚醒功能（低電平中斷輸入喚醒）。典型的掉電電流為1 A （比較器關(guān)閉時(shí)的完全掉電狀態(tài)）；2

53、8腳TSSOP封裝，并支持在線仿真。設(shè)計(jì)中監(jiān)測(cè)模塊選用 PHILIPS公司的P89LPC933單片機(jī)作為微控制器，其工作電壓為2.43.6V。LPC933單片機(jī)采用了高性能的處理器結(jié)構(gòu)，指令執(zhí)行時(shí)間只需24個(gè)時(shí)鐘周期，6倍于標(biāo)準(zhǔn)80C51器件。其以抗干擾能力強(qiáng)、功耗低等優(yōu)點(diǎn)而被應(yīng)用于多種嵌入式系統(tǒng)中。同時(shí)LPC933集成了許多系統(tǒng)級(jí)的功能，如：1個(gè)8位、4路逐步逼近式模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和1個(gè)DAC模塊；400kHz字節(jié)方式1匕通信端口； SPI接口；鍵盤(pán)中斷；片內(nèi)看門(mén)狗定時(shí)器。這樣可大大減少元件的數(shù)目、電路板面積以及系統(tǒng)的成 本。因此適合于許多要求高集成度、低成本的場(chǎng)合，可以滿(mǎn)足多方面的性能要求。為

54、了降低微控制器的功耗，模塊采用低頻外部32.768KHZ的晶體振蕩器，工作電壓為3V。在采集工作完成后，控制器關(guān)閉空閑模式進(jìn)入低功耗模式。3-2-2數(shù)據(jù)采集單元溫度是人們很熟悉的物理量，其傳感器的種類(lèi)也很多，傳統(tǒng)的測(cè)溫元件有熱電偶和熱電阻等，集成溫度傳感器有 AD590、LM335、MAX6509、DS18B20、LM76等，為了克服傳統(tǒng)的模擬型溫度傳感器 精度低、抗干擾能力差、多點(diǎn)測(cè)量使之不便串行通信等弱點(diǎn)，滿(mǎn)足高速列車(chē)的需要，設(shè)計(jì)中選用DS18B20溫度傳感器，將其安裝于每一個(gè)測(cè)溫點(diǎn).可一次測(cè)出所安裝位置的溫度值，利用傳感器內(nèi)部全球唯一測(cè)溫點(diǎn)的溫度值和安裝位置傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)，通過(guò)控制單元集中

55、分析、處理。它外形與普通三極管相似，功 耗低，單總線接口，輸出為數(shù)字量，與控制器接口簡(jiǎn)單，并且一根總線上可以?huà)旖佣鄠€(gè)同類(lèi)傳感器。1. 溫度傳感器DS18B20DS18B20是美國(guó)Dallas公司生產(chǎn)的一款集成數(shù)字溫度傳感器，它與傳統(tǒng)的熱敏電阻溫度傳感器不同，能夠直接讀出被測(cè)溫度，并且可根據(jù)實(shí)際要求通過(guò)簡(jiǎn)單的編程實(shí)現(xiàn)912位的數(shù)字值讀數(shù)方式，可以分別在93.75ms和750ms內(nèi)將溫度值轉(zhuǎn)化 9位和12位的數(shù)字量。因而使用 DS18B20可使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更 簡(jiǎn)單，可靠性更高。同時(shí)芯片的耗電量很小，從總線上獲取少量電能（空閑時(shí)幾yW,工作時(shí)幾mW）存儲(chǔ)在片內(nèi)的電容中就可正常工作，一般不用另加電源。 最

56、主要的是傳感器輸出的是數(shù)字信號(hào)，可直接與單片機(jī)I/O相連使連接非常方便。由于在單總線上傳送的是數(shù)字信號(hào)，這使得系統(tǒng)的抗干擾性好、可 靠性高、傳輸距離遠(yuǎn)20。DS18B20的封裝有3腳、6腳和8腳三種方式。設(shè)計(jì)中選用3腳封裝，這樣可以節(jié)省空間從而減小 節(jié)點(diǎn)的體積。其中 DQ為數(shù)字信號(hào)輸入/輸出端；GND為電源地；VDD為外接供電電源輸入端（在寄 生電源接線方式時(shí)接地）（工作電壓3V5.5V ）。DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3.2所示。它主要由64位光刻ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報(bào)警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器組成。圖3.2 DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖Fig.3.2 In side structure of DS18B20光刻ROM中的64位序列號(hào)是出廠前被光刻好的，它可以看作是該DS18B20的地址序列碼。64位光刻ROM的排列是：開(kāi)始8位（28H）是