（检测技术与自动化装置专业论文）青藏铁路冻土路基安全监测的无线传感器网络节点研究.pdf

摘要 摘要 人类在多年冻土区修筑铁路已有1 0 0 多年的历史，但由于冻土这种土体介质 对温度的敏感性，冻胀、融沉等病害始终影响着冻土区铁路的正常运行。因此， 对冻土区铁路工程进行长期、全面、系统的观测，及时发现隐患，显得尤为重要。 目前，已经有许多种基于不同原理的传统的和新型的监测方法。但是，现有的监 测方法往往还存在不少问题。 无线传感器网络综合了传感技术、m e m s 技术、无线通信技术和分布式信息 处理技术等，具有自组织性、容错性、快速展开性等特性，以数据采集和数据管 理为中心，在军事国防、工农业控制、城市管理、环境监测等领域具有十分广阔 的应用前景。 为了给冻土区铁路安全监测提供一个新的解决方法，本文将无线传感器网络 应用于青藏铁路冻土路基安全监测中。在对青藏铁路冻土路基安全监测的实际需 求做了系统分析后，结合项目实际，选取了路基地温为主要监测内容，设计制作 了信息节点s n o w se l fs 、通信节点s n o w se l fc 和测试节点s n o w se 1 f j 等s n o w s e l 繇列三种节点，详细描述了处理器& 通信模块、传感器模块、能量供应模块、 人机交互模块等四大模块的软硬件设计过程，并提供了各模块的原理图、p c b 图、 实物图和软件流程图。 最后，设计并完成了节点的环境适应性实验和模拟现场测温实验，初步验证 了s n o w se 1 f - g 列节点在青藏铁路冻土路基安全监测中的实用性。 本文的研究得到了安徽省自然科学基金项目的资助，项目编号0 7 0 4 1 2 0 3 7 。 关键词：冻土区铁路路基安全监测。路基地温场无线传感器网络传感器网 络节点 a b s t r a c t a b s tr a c t i th a sb e e no v e r10 0y e a r ss i n c ep e o p l eb e g a nt oc o n s t r u c tr a i l r o a d su p o n p e r m a f r o s tr e g i o n sa l lo v e rt h ew o r l d b e c a u s eo ft h es e n s i t i v i t yo ft h ef r o z e ns o i lt o t e m p e r a t u r e ，d i s e a s e s ，s u c ha sf r o s t - h e a v i n ga n dt h a w i n g s e t t l e m e n t ，a r ea l w a y s a f f e c t i n gt h ed a i l yo p e r a t i o no ft h er a i l w a y si np e r m a f r o s ta r e a s t h u si th a sg r e a t i m p o r t a n c et oc a r r yo u tl o n g - t e r m ，s y s t e m a t i ca n do v e r a l ls a f e t ym o n i t o r i n go ft h e s u b g r a d et of i n da n dr e s o l v et h eh i d d e nt r o u b l e st i m e l y t h e r ee x i s tm a n ym o n i t o r i n g m e t h o d sa n ds y s t e m s ，t r a d i t i o n a lo rm o d e m , b a s e do nd i f f e r e n tt h e o r i e s h o w e v e r , i n m o s tc a s e s ，s a t i s f a c t o r yr e s u l t sa r en o te a s yt og e t ，b e c a u s eo ft h ei n h e r e n td e f i c i e n c i e s o ft h ee x i s t i n gm o n i t o r i n gs y s t e m s b e c a u s eo ft h e i rc h a r a c t e r i s t i c so fs e l fo r g a n i z a t i o n ，f a u l tt o l e r a n c e ，r a p i d d e p l o y m e n t ，a u t o m a t i cm o b i l el o c a l i z a t i o n ，e t c w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ( w s n s ) ，a s ar e s u l to ft h et e c h n i c a lc o m b i n a t i o no fs e n s o r s ，m e n s ，w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o na n d d i s t r i b u t e ds i g n a lp r o c e s s i n g , c e n t r a l i z i n gi nd a t aa c q u i s i t i o na n dd a t am a n a g e m e n t ， h a v ef o u n dt h e i rw a yi n t oaw i d ev a r i e t yo fa p p l i c a t i o n sa n ds y s t e m s ，s u c ha sm i l i t a r y d e f e n s e ，i n d u s t r i a la n da g r i c u l t u r a lc o n t r o l ，u r b a nm a n a g e m e n t ，e n v i r o n m e n t a l m o n i t o r i n g ，e t c ，w i t hv a s t l yv a r y i n gr e q u i r e m e n t sa n dc h a r a c t e r i s t i c sr e c e n t l y t op r o v i d ean e wm e t h o df o rt h es u b g r a d es a f e t ym o n i t o r i n go fr a i l r o a d s i n p e r m a f r o s ta r e a s ，w s n s ，i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，a r ea p p l i e dt om o n i t o rt h es a f e t yo ft h e q i n g h a i t i b e tr a i l w a ys b u g r a d e a f t e ra l lo v e r a l ls t u d yo ft h ea c t u a ld e m a n do ft h e q i n g h a i - t i b e tr a i l w a ys b u g r a d es a f e t ym o n i t o r i n g ，t e m p e r a t u r ew a sd e t e r m i n e da s t h em a j o rm o n i t o r i n gp a r a m e t e r as e r i e so fw i r e l e s ss e n s o rn o d e si sd e v e l o p e d ， n a m e da ss n o w se l f , c o n s i s t i n go ft h r e es u b k i n d sn a m e da ss n o w se l ls ，s n o w s e l fca n ds n o w se l ft i ti sd e s c r i b e d ，i nd e t a i l ，t h es o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g no f t h e c o n t r o l l e r & c o m m u n i c a t i o n ，s e n s o r s ，p o w e rs u p p l y , a n dh u m a n c o m p u t e r i n t e r a c t i o ns u b s y s t e m so fs n o w se l fn o d e s b e s i d e s ，t h ec i r c u i ts c h e m a t i ca n dp c b d i a g r a m s ，w i t ht h ep r o g r a mf l o wc h a r t so ft h e s es u b s y s t e m sa r ep r o v i d e di nt h i s d i s s e r t a t i o n t h e ns e v e r a le x p e r i m e n t sa r ed e s i g n e da n dc a r r i e do u tt o t e s tt h ee n v i r o n m e n t a l a d a p t a b i l i t ya n dt h ea c t u a lt e m p e r a t u r em o n i t o r i n gc a p a b i l i t y o ft h es n o w se l f w i r e l e s ss e n s o rn o d e s t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h es n o w se l fw i f e l e s s s e n s o rn o d e sh a v eg r e a te n v i r o n m e n t a la d a p t a b i l i t ya n dt h ea c t u a lt e m p e r a t u r e i a b s t r a c t m o n i t o r i n gc a p a b i l i t y t h e r e f o r et h e yc r np l a ya l li m p o r t a n tr o l ei nt h eq i n g h a i t i b e t r a i l w a ys b u g r a d es a f e t ym o n i t o r i n g t h i sd i s s e r t a t i o ni ss u p p o r t e db y b yn s f co f a n h u i ，c h i n a ( n o 0 7 0 4 1 2 0 3 7 ) k e y w o r d s ：p e r m a f r o s tr e g i o nr a i l r o a d s ，s u b g r a d es a f r ym o n i t o r i n g ，s u b g r a d e t e m p e r a t u r ef i e l d ，w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ，w i r e l e s ss e n s o rn o d e s i v 插图目录 插图目录 图2 - 1 青藏铁路冻土路基安全监测系统体系5 图2 - 2 无线传感器网络节点体系结构8 图2 - 3 传统的w s n 应用于青藏铁路温度监测存在的问题9 图2 4 基于w s n 的青藏铁路冻土监测网络拓扑结构示意图9 图2 - 5 信息节点结构框图1 0 图2 - 6 通信节点结构框图1 0 图2 - 7 测试节点结构框图1 1 图3 - 1 处理器通信模块电路原理图1 4 图3 2 处理器通信模块的p c b 图和实物图1 5 图3 3 多个d s l 8 8 2 0 与处理器基本连接电路1 6 图3 4d s l 8 8 2 0 单总线驱动电路1 7 图3 - 5 传感器模块电路原理图。18 图3 - 6 传感器模块的p c b 图。1 9 图3 - 7 传感器安装流程图示意一2 0 图3 8d s l 8 8 2 0 安装实例2 0 图3 - 9 传感器模块实物图2 1 图3 - 1 0 能量供应模块原理图2 3 图3 - 11 能量供应模块p c b 图2 4 图3 1 2 能量供应模块的实物图2 4 图3 - 1 3l c d 全屏显示图形2 5 图3 - 1 4l c d 所用图形2 5 图3 1 5h t l 6 2 1 与主控制器的接口电路2 7 图3 1 6l c d 显示模块原理图2 7 图3 1 7 液晶显示部分的p c b 图2 8 图3 - 1 8 键盘部分原理图二2 8 图3 1 9 人机交互模块实物图2 9 图3 2 0s h t 7 1 典型应用电路- 。3 0 图4 - 1d s l 8 8 2 0 初始化时序3 1 图4 - 2 主机向d s l 8 8 2 0 “写0 和“写1 时序图3 2 i x 插图目录 图4 - 3 主机从d s l 8 8 2 0 “读0 ”和“读1 时序图3 3 图4 - 4d s l 8 8 2 0 初始化函数程序流程图3 5 图4 - 5 向d s l 8 8 2 0 写入1 字节数据子函数流程图3 6 图4 6 从d s l 8 8 2 0 读取l 字节数据流程图3 7 图4 7 访问s h t 7 1 的“启动传输 序列3 8 图4 8s h t 7 1 测量时序简图3 9 图4 9s h t 7 1 测量相对湿度时序图3 9 图4 - 1 0 访问s h t 7 1 的时钟产生函数和“启动传输函数流程图4 1 图4 - 1 1 主机向s h t 7 1 写入l 字节数据程序流程图4 2 图4 1 2 从s h t 7 1 读取1 字节数据函数流程图4 3 图4 一1 3 向h t l 6 2 1 不连续写命令模式时序图4 5 图4 - 1 4 向h t l 6 2 1 不连续地址写数据时序图4 5 图4 1 5h t l 6 2 1 写时钟函数流程图。4 6 图4 一1 6 写l c d 函数流程图4 7 图4 1 7l c d 部分真值图4 8 图4 1 8 七段数码管字符显示示意4 9 图4 1 9d s l 8 8 2 0 温度原始数据格式5 0 图5 1 上拉电阻阻值的确定实验结果5 3 图5 2 单总线驱动电路效果。5 4 图5 3s n o w se l f 节点在一1 0 模拟测温各点温度分布图6 3 图5 - 4s n o w se l f 节点在0 模拟测温各点温度分布图6 6 图5 - 5s n o w se l f 节点在+ i o 。c 模拟测温各点温度分布图6 6 x 表格目录 表格目录 表2 - 1 三种节点的模块构成分析1 1 表3 - 1h t l 6 2 1 管脚功能描述2 6 表4 - 1 访问d s l 8 8 2 0 的r o m 命令详情3 4 表4 - 2d s l 8 8 2 0 功能指令详情3 4 表4 - 3s h t 7 1 的主要命令列表3 9 表4 - 4h t l 6 2 1 四种操作类型码4 4 表4 - 5i - i t l 6 2 1 部分指令列表4 5 表4 - 6l c d 真值表4 8 表4 - 7 七段数码管显示编码。5 0 表5 - 1 4 0 情况下s i - i t 7 1 所测温湿度5 6 表5 - 2 - - 4 0 情况下d s l 8 8 2 0 所测温度5 6 表5 - 3 ( 6 0 & 9 8 r h ) 情况下s h t 7 1 所测温湿度5 7 表5 - 4 ( 6 0 & 9 8 r h ) 情况下d s l 8 8 2 0 所测温度5 8 表5 - 5s n o w se l f 系列节点在一1 0 ( 2 模拟测温数据6 l 表5 - 6s n o w se l f 系列节点在o c 模拟测温数据6 3 表5 - 7s n o w se l f 系列节点在+ i o c 模拟测温数据6 4 x i 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的 成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或 撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作 了明确的说明。 作者签名：签字日期： 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学 拥有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构 送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有 关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 ， 劝公开口保密( 年) 作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 第1 章绪论 1 1 研究背景 1 1 1 课题来源 第1 章绪论 本课题来源于安徽省自然科学基金项目青藏铁路冻土区监测的无线传感器 网络节点研究，项目编号0 7 0 4 1 2 0 3 7 。 1 1 2 冻土区铁路工程及运行状况 世界上在多年冻土区修筑铁路已有百年以上的历史。从俄罗斯1 8 9 5 年开始修 建第一条西伯利亚大铁路开始( 该线全长94 4 6 公里，穿越多年冻土区22 0 0 公里) ， 先后有美国于1 9 1 9 年修建阿拉斯加铁路，加拿大在多年冻土区建有5 条铁路，最 早的哈德逊湾铁路建于1 9 1 0 年，全长8 2 0 公里，穿越多年冻土6 u 公里。在中国， 多年冻土区兴建的道路工程有大、小兴安岭地区的两条主要干线：牙林线和嫩林 线。尽管世界上在多年冻土区修筑铁路已有百年以上的历史，但回顾这些铁路的 运营情况，却并不令人乐观。据1 9 9 4 年对俄罗斯贝阿铁路的统计，线路病害率为 2 7 7 ；1 9 9 6 年对后贝加尔铁路的调查表明，线路病害率达4 0 5 ：我国牙林线 和嫩林线病害率也在4 0 左右。 2 0 0 6 年7 月1 号建成通车的青藏铁路格尔木至拉萨段，举世瞩目，它穿越素有 “世界屋脊 之称的青藏高原，与加拿大、俄罗斯等国冻土相比，青藏高原冻土 纬度低、日照强烈、加上地质构造运动频繁，其复杂性和独特性举世无双。青藏 铁路通过连续多年冻土层5 5 0 公里以上，主要安全问题是冻土这一特殊地质及其 可能引起的工程灾害。例如，俄罗斯西伯利亚的冻土铁路建成几十年，冻土灾害 仍然不断威胁着铁路安全。近年来，青藏高原冻土层正表现出冻结持续天数缩短、 最大冻土深度减小等现象，青藏铁路穿越高原上两个面积3 0 多万平方公里的冻土 区域，其冻土几十年来在持续退化，严重影响铁路安全。同时青藏铁路全线有各 种桥梁数十座，由于受复杂的地质构造影响，桥梁可能发生的各种变形，位移， 扭曲等对火车的安全运行产生巨大的影响。青藏铁路全线穿越数十公里的无人 区，对铁路的状况如何及时，可靠的检测并将异常信息快速准确的发到测控中心 和正在高速行使的列车上显得非常重要。 第1 章绪论 1 1 3 冻土区铁路工程安全监测主要监测内容 冻土区路基工程的安全可靠性主要由温度和变形两天类指标所决定。温度是 安全可靠性的根源，变形是安全可靠性的表现。温度状态决定变形的发展，温度 昭示着安全可靠性发展的趋势；变形是温度发展变化过程的结果。因此，温度和 变形是冻土路基安全可靠性监测的主要内容。具体有如下几点： ( 1 ) 环境温度监测建立典型地段冻土气象站，监测气温、风速、风向、气压、 降水量及强度、相对湿度、蒸发量、天然地面温度、太阳辐射等对冻土生存环境 和路基传热过程有直接影响的气象要素。 ( 2 ) 天然条件地温场观测观测路基工程附近天然条件下季节融化层的动态、 天然地面温度、冻土年平均气温、天然条件地温曲线等，用以和路基监测断面进 行类比。 ( 3 ) 路基地温场观测左右路肩表面温度( 表面温度发展过程、年平均地表温 度) ，路肩下最大季节融化深度，季节融化层底面温度变化和年平均温度，路基左 侧坡脚最大季节融化深度，季节融化层底面温度变化；路基下原天然季节融化层 温度，路基下冻土年变化深度和年平均地温，路基结构变化面温度变化和年平均 温度( 如块石层项面和底面) ，人为上限形成过程及其变化动态，路基下地温曲线， 与区域天然条件地温场类比分析。 ( 4 ) 路基变形监测监测冻融季节冻胀量和融沉量，确定冻胀和融沉的发展趋 势，测定路基基底冻土蠕变变形以及发展趋势。 1 1 4 现有的冻土区铁路工程安全监测方法 冻土路基安全监测的方法主要包括以下几种： ( 1 ) 人工方法这是传统的冻土路基安全监测方法。其监测内容主要是温度和 变形；测试频率总的原则是暖季频率较高，寒季频率较低，但是当地基土发生冻 一融状态相变时测试频率需要加密，此时一般每天进行1 次地温测试，每5 7 天进 行1 次变形测试。这种方法的监测系统建设成本较低，但主要靠人工读数，易受 恶劣天气影响，且在广大的冻土无人区，对人员安全没有保障。 ( 2 ) 基于有线传输的监测系统这种方法的典型代表是基于光纤传输的冻土 路基安全监测系统。其主要监测量是温度，采用的温度传感器主要是热敏电阻， 传输介质主要是光纤。这种监测方案，采用热敏电阻作为测温传感器，每个热敏 电阻都需要独立的连线和处理电路，而每个监测孔内要布置多个温度传感器，这 就使整个数据采集部分非常的庞大。另外，采用光纤作为传输介质，通讯比较可 靠，数据传输率也高，但铺设光纤所需人力物力都很大，而且系统维护也比较困 第1 章绪论 难。 ( 3 ) 基于无线传输介质的监测系统这种方法目前还处于起步阶段。文献【2 8 l 中，针对青藏铁路沿线所处的特殊高原环境，提出了能采集地温和沉降数据并自 动上传的远程地温及沉降监测系统。文中只说明了温度作为监测量，采用热敏电 阻作为温度传感器，通过基于g p r s 的g s m r 网络远程上报给监控中心。这种方 案同样存在传感器布线和采集电路复杂的问题，尽管采用g s m r 无线方式进行 通讯能避免使用光纤等有线方式所带来的人力物力消耗，但需要支付高额的使用 费用。 1 2 研究目的与意义 为了克服现有冻土路基安全监测方法的不足，本研究提出了一种基于无线传 感器网络的冻土路基安全监测方法。把大量的传感器节点布设在冻土路基监测现 场，采集冻土路基的相关数据，通过多传感器数据融合方法在本地获得监测信息， 并通过自组织无线通信网络，以多跳中继方式将所感知信息传送到监控中心和正 在行驶的列车上。该方法可以对冻土区铁路工程进行长期、全面、系统的观测和 预测，确保铁路安全运营，并对铁路长期运营、维修和养护提供科学依据。 研制出适用于青藏铁路冻土区监测的无线传感器网络节点，实现青藏铁路冻 土区的温度参数的实时监测，对确保青藏铁路工程长期安全运行有着非常重要的 意义。 1 3 本论文主要研究内容 本论文讨论了在青藏铁路特殊条件下应用的无线传感器网络节点的关键问 题及解决办法，详细介绍了用于青藏铁路冻土路基安全监测的无线传感器网络节 点s n o w se 1 f 的研制过程及各大模块的软硬件设计及调试过程，并对实验测试情 况做了详细介绍和分析。全文主要由六章组成，具体内容如下： 第一章绪论，概述了本文的选题背景、研究意义、冻土路基安全监测的方 法及监测内容等。 第二章总体方案设计，在简单说明了青藏铁路冻土路基安全监测系统的体 系结构和主要监测内容后，结合项目实际，确定了把冻土路基温度作为主要监测 内容；分析了在青藏铁路特殊应用条件下，无线传感器网络要解决的关键问题； 在此基础上设计了总体方案。 第三章硬件系统设计，系统地介绍了处理器& 通信模块、传感器模块、能 4 第1 章绪论 量供应模块和人机交互模块的硬件设计过程，并附有电路原理图、p c b 图和实物 图；最后还讨论了节点状态监测问题。 第四章软件系统设计，详细介绍了各模块核心芯片的软件设计过程，并附 有详细的程序流程图； 第五章实验与分析，详细说明了电路调试实验、s n o w se 1 繇列节点环境 适应性实验和模拟测温实验的实验方法，对实验结果作了详细的分析。 第六章总结与展望，对全文工作做出总结，并对以后的工作进行了展望。 第2 章总体方案设计 第2 章总体方案设计 2 1 监测内容的确定 2 1 1 青藏铁路冻土路基安全监测系统的体系结构 前已述及，冻土区路基工程的安全可靠性主要由温度和变形两大类指标所决 定，同时温度和变形也是冻土区路基安全可靠性监测的主要内容。根据文献【z l j 的描述，青藏铁路冻土路基安全监测的主要内容包括自动气象观测、路基地温观 测、桥梁地温观测、涵洞地温观测、桥梁变形观测、涵洞变形观测和路基变形观 测等七个方面。整个监测系统的体系结构如图2 1 所示。详细情况请参考文献【2 1 1 。 青藏铁路冻土路基安全监测系统 气 图2 - 1 青藏铁路冻土路基安全监测系统体系 2 1 2 本文所确定的监测内容 由于本项目的经费有限及本文的侧重点，本文把监测内容确定在路基地温观 测，具体包括路基地温场和天然条件地温场观测两个方面。具体的监测方法【2 1 1 为： 每个地温观测断面共布设测温孔4 个，总计6 8 m 。左路肩孔2 0 o m ，右路肩孔 2 0 o m ，天然地面孔2 0 o m ，左坡脚孔8 m 。天然地面孔应选在路基坡脚2 0 m 以外， 未经扰动、无人为干扰的天然地面。 第2 章总体方案设计 测点探头间距布置如下： 2 0 m 孑l ：3 6 个点，1 5 米以上间距0 5 m ，以下间距1 o m ，8 米孔：1 7 点，每0 5 m 设1 个点。 每个观测断面布设测温探头点共计1 2 5 个。 2 2 关键问题 2 2 1 青藏铁路冻土路基安全监测的无线传感器网络要解决的关键问题 无线传感器网络作为当今信息领域新的研究热点，有非常多的关键技术，如 网络拓扑控制、网络协议、网络安全、时间同步、定位技术、数据融合、数据管 理等等。但无线线传感器网络是应用相关的网络，不同的应用背景对传感器网络 的要求不同，其硬件平台、软件系统和网络协议必然会有很大差别。所以无线传 感器网络不能像i n t e m e t 样，有统一的通信协议平台。对于不同的传感器网络 应用虽然存在一些共性问题，但在开发传感器网络的应用中，更关心传感器网络 的差异。针对每一个具体的应用来研究传感器网络技术，这是传感器网络设计不 同于传统网络的显著特征。 对于应用于铁路冻土路基安全监测的无线传感器网络，还有其特别需要考虑 的关键问题，分述如下。 2 2 1 1 青藏铁路沿线冻土区地温场模型问题 青藏铁路在冻土区个别地段出现路基下沉和开裂，对线路基础构成极大威 胁，所以对冻土区的温度场数据进行建模与仿真研究显得非常重要，也是实现无 线传感器网络节点准确布置的前提条件。采用数学建模，计算机仿真和实验结合 的方法可以有效的获取沿途不同位置的温度场分布，根据温度场的分布，确定传 感器的最优布置方案。比如，在温度场梯度大的地方多布置传感器，在温度场梯 度小的地方少布置传感器；由于冻土对正负温的交替最为敏感，所以采集结果在 o 。c 附近一定要精确，这样可以在冻土上限和冻土下限处多布置传感器，在远离 冻土上下限的地方少布置传感器。在满足测量要求的前提下，可以获得最优的传 感器空间配置方案。因此，研究青藏铁路沿线冻土区的地温场模型，从而确定传 感器的优化配置方案，是一大关键问题。 2 2 1 2 无线传感器网络节点环境适应性问题 由于青藏铁路多年冻土区地处青藏高原腹地的生命极限区，所采用的各种传 感器节点受到多雷电、大温差、低温、频繁暴风雪、低气压等恶劣气候条件的影 6 第2 章总体方案设计 响，如何确保所设计的传感器节点在低温、高湿度、大温差等复杂环境下长期稳 定的运行，是另一大关键问题。 2 2 1 。3 传感器信息融合方法问题 现有的监测方法对现场采集的数据都不做处理就直接上报到监控中心，这样 做的好处是数据的完整性好，但由于温度、变形等数据的变化在短时间内并不大， 传送所有的数据在很多时候就不必要，这样也大大增加了通信系统的压力。基于 无线传感器网络的冻土区铁路工程安全监测方法的具体做法是，在监测现场布置 大量的无线传感器网络节点，节点之间可以相互传递数据，这样一种可行的方法 是将所有传感器节点按区域分成若干个簇。每个簇选中一个簇头节点，当完成一 次测量后，簇中的其它节点将监测数据传到簇头节点，由簇头节点采用恰当的数 据融合算法，对监测作出初步评估，当发现明显异常时才上报到监控中心，这样 做的好处是不必要上传所有数据，这一方面使信息获取的效率大大提高，另一方 面也大大减小了通信的压力。但由于舍弃了许多原始监测数据，这就有可能造成 有用信息的丢失，要确保有用信息的完整性和信息提取的高效性，就要靠好的多 传感器作息融合方法来保障。因此，对传感器信息融合方法做研究，研究出恰当 的传感器数据融合算法就成了冻土区铁路工程安全监测的无线传感器网络要解 决的第三个关键问题。 2 2 1 4 节点信息传输机制问题 无线传感器网络节点能够通过各类集成化的微型传感器协作，实时、全方位 监测被测对象的信息，完成多参数信息获取和动态数据融合，并根据分析处理的 结果，及时将融合后的信息通过无线传感器网络传递到铁路监控中心和高速行驶 的列车上。针对青藏铁路的具体情况，节点需要沿铁路线按线状拓扑结构布置。 但是，无线传感器网络的线状布置会遇到路由单一，中间节点损坏，通信可靠性 差等问题，这是需要解决的另一关键问题。 2 2 1 5 能量供应问题 能量供应问题是大多数无线传感器网络节点要解决的首要问题。由于在实际 应用中，传感器节点往往数量庞大、分布区域广、使用环境复杂，且有不少是用 在人员无法到达的地方，所以传感器节点的能源一般是不可补充的，这就使低功 耗设计成为大多数传感器节点设计时要考虑的首要问题。 而对于应用于青藏铁路冻土路基安全监测的传感器节点来说，除了传感器节 点的低功耗设计外，电源的环境适应性是能量供应方面要考虑的首要问题。青藏 铁路冻土区地处青藏高源腹地，绝对最低气温3 4 。c 4 2 。c ，年平均气温- 2 c 7 第2 章总体方案设计 7 。c ，这就要求所用电源能够在样的地温环境下正常工作。因此，电源的问题成 为本研究要解决的又一关键问题。 2 2 2 本论文要解决的关键问题 由于研究经费和本人精力有限，本文主要对在青藏铁路冻土路基特殊应用条 件下无线传感器网络的节点环境适应性问题、节点的信息传递问题和能量供应问 题这三大问题作探讨。 2 3 总体方案设计 2 3 1 无线传感器网络节点结构 无线传感器网络节点通常由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量 供应模块四部分组成，如图2 。2 所示。 嶝器h 心脱h 倒m 州竺兰l i ii f 二_ 二二二二司 r 一一一一一一i i jl ! = ：= 型l l 能量供j ；逯梗块 图2 - 2 无线传感器网络节点体系结构 传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换；处理器模块负责控制整 个无线传感器网络节点的操作，储和下理本身采集的数据以及其他节点发来的数 据；无线通信模块负责与其他无线传感器节点进行无线通信，交换控制消信和收 发采集数据；能量供应模块为无线传感器网络节点提供运行所需的能量，通常采 用微型电池供电。 2 3 2 三种无线传感器网络节点 前已述及，针对铁路的具体情况，节点需要沿铁路线路方向按狭长的线状拓 扑结构布置。如果仍然按照传统的方法设计w s n 网络就会使这种线状布置的拓 扑结构遇到路由单一，通信可靠性差等问题。当某些节点损坏，致使某些节点在 通信距离内无法找到邻居节点来转发信息时，w s n 的路由会受到严重影响。如 第2 章总体方案设计 图2 3 ，由于图中有4 个节点损坏，节点a 和节点b 在通信范围内无法找到路由来 传递信息【3 l 】。 9 第2 章总体方案设计 同时，为了便于现场调试，以设计制作了测试节点。我们将这三种节点合称 为s n o w se l f ( 雪域精灵) 系列节点，分别命名为s n o w se 1 f - s ( 信息节点) 、s n o w s e l f - c ( 通信节点) 和s n o w se 1 f j ( 测试节点) 。下面分别介绍这三种节点的构 成。 2 3 2 1 信息节点 信息节点s n o w se l f s 就是常规的无线传感器网络节点，兼顾传统网络节点 的终端和路由器双重功能，除了进行本地信息收集和数据处理外，还要对其他节 点转发来的数据进行存储、管理和融合等处理，同时与其他节点协作完成一些特 定任务。其构成如图2 5 所示。 图2 - 5 信息节点结构框图 2 3 2 2 通信节点s n o w seif _ c 通信节点s n o w se 1 邸是为提高线状拓扑结构无线感器网络的通信可靠性而 设计的，只具有信号中继、路由功能，而不具有传感信号采集功能。其构成如图 2 - 6 所示。 图2 - - 6 通信节点结构框图 2 3 2 3 测试节点s n o w seif - t 测试节点s n o w se 1 f _ t 与信息节点s n o w se 1 f _ s 相比，不具有传感器模块， 而具有人机交互模块( 键盘和显示部分) ，在节点布设时可以随时调试信息节点、 通信节点，对它们的工作状态做出评估；同时，也可以将测试节点的传感器模块 直接连接到测试节点上，通过人机界面直接或取被测点的信息。测试节点的构成 如图2 7 所示。 1 0 第2 章总体方案设计 图2 - 7 测试节点结构框图 2 3 3 五大模块 分析2 3 2 节三种节点的功能并结合图2 5 、图2 - 6 、图2 7 不难得出表2 1 。 表2 - 1 三种节点的模块构成分析 淤 传感器模块处理器模块无线通信模块能量供理模块人机交互模块 节点种类 信息节点 ， 通信节点 澳9 试节点 ， 由表2 1 不难看出，信息节点、通信节点及测试节点这三种节点，总共包含 五大模块：传感器模块、处理器模块、无线通信模块、能量供应模块及人机交互 模块。因此，采用模块化设计的方法，只要设计出这五大模块，即可根据需要组 合出这三类节点。当然，各模块所用芯片性能随节点的类型不同会有所差别。 第3 章硬件系统设计 第3 章硬件系统设计 3 1 处理器& 通信模块设计 3 1 1 概述 处理器模块是无线传感器网络节点的计算核心，所有的设备控制、任务调度、 能量计算和功能协调、通信协议、数据整合和数据转储程序都将在处理器模块的 支持下完成，所以处理器的选择在无线传感器网络节点设计中至关重要。 尽管目前处理器市场十分活跃，各种处理器层出不穷，但真正能够满足无线 传感器网络节点设计要求的处理器并不多。无线传感器网络节点对处理器的要求 为： 1 ) 外形尽量小。因为处理器的尺寸往往决定了整个节点的尺寸。 2 ) 集成度尽量高。通常选择将程序存储器、静态存储器、a d 转换器、定 时器等多种功能集成于一身的处理器，这样能使整个处理器外围电路简 单整洁，基本上不需扩展任何额外器件。 3 ) 功耗低而且支持睡眠模式。由于目前无线传感器网络节点主要使用电池 供电，而电池所携带的能量非常有限，这不仅要求处理器功耗低，而且 要求处理器必须支持超低功耗的睡眠状态。 4 ) 运行速度要尽量快。这样系统能够在最短的时间内完成必须完成的工 作，从而快速进入睡眠状态，节省系统能源。 5 ) 要有足够的外部通用i o 端口和通信接e l 。 6 ) 成本要尽量低。 7 ) 有些在特殊场合应用的无线传感器网络节点要求处理器有足够的安全 性保证。 3 1 2c c 2 4 3 0 c c 2 4 3 0 是一颗真正的系统芯片解决方案，延用了以往c c 2 4 2 0 芯片的架构， 在单个芯片上整合了z i g b e e 射频( r f ) 前端、内存和微控制器。它使用1 个8 位m c u ，具有3 2 6 4 1 2 8k b 可编程闪存和8 k b 的r a m ，还包含a d 转换器、 定时器、看门狗定时器、3 2 k h z 晶振的休眠模式定时器、上电复位电路、掉电检 测电路以及2 1 个可编程i o 引脚； c c 2 4 3 0 工作时的电流损耗为2 7 m a ，在接收和发射模式下，电流损耗分别 为2 7 m a 或2 5 m a ；从休眠模式转换到主动模式时间超短； m c u 主频可高至3 2 m h z ； 极小尺寸q l p 4 8 封装，7 m m 7 m m 。 可见c c 2 4 3 0 具有外形尺寸小、集成度高、功耗低且支持睡眠模式、运行速 度快、接口丰富、性价比高等特性，故本节点采用c c 2 4 3 0 作为处理器模块核心 芯片。 同时，由于c c 2 4 3 0 集成了c c 2 4 2 0r f 无线收发模块，只需添加天线和少 量射频元件即能工作于2 4 g h z 国际i s m 免费频段。 3 1 3 电路原理图设计 c c 2 4 3 0 是无线s o c 设计，其内部已集成 外接元件即可运行。其电路原理图如图3 1 所 了大量的必要电路，只需要较少的 不o 13 34 56 78 91 0 1 11 2 1 31 4 1 5i 6 1 71 8 1 92 d l2 3 4 56 78 91 0 1 l 1 2 1 31 4 1 51 6 1 71 8 1 92 0 图3 - 1 处理器通信模块电路原理图 图3 - 1 所示处理器& 通信模块原理图由处理器c c 2 4 3 0 、处理器外围电路 射频接口电路及板级接口电路四部分组成。其中，处理器外围电路由3 2 m h z 振x t a l l 及其负载电容c 1 9 1 与c 2 1 1 、3 2 7 6 8 k h z 时钟晶振x t a l 2 及其负载 1 4 目 日日 电 第3 章硬件系统设计 容c 4 3 1 与c 4 4 1 、和用于片上系统的基准电流发生器的精密电阻r 2 2 1 ，是使 c e 2 4 3 0 能正常工作的的基本元件。射频接e l 电路由c 3 4 1 、l 3 4 1 、l 3 2 1 、l 3 3 l 和r 2 6 1 组成其中c 3 4 1 、l 3 4 1 、l 3 2 1 、l 3 3 1 构成不平衡变压器，与一根印刷 电路板微波传送带( 2 偶极) 配合，匹配r f 输入，输出阻抗5 0 0 ；p c 2 6 1 为精 密电阻器，用于r f 的基准电流发生器。扳级接f i 电路由2 0 脚双排接口p i 、p 2 组成，用于将处理器通信模块连