无线传感器网络在列车轴温监测系统中的应用

1、河北工业大学硕士学位论文无线传感器网络在列车轴温监测系统中的应用姓名：张矢申请学位级别：硕士专业：电子与通信工程指导教师：杨瑞霞;李铭20071201河北工业大学工程硕士学位论文无线传感器网络在列车轴温监测系统中的应用摘要列车轴温探测系统是对运行的铁路列车车辆轴温进行监测，发现车辆热轴、防止车辆 燃轴的安全保障设施。目前货运列车广泛采用的是红外线轴温探测系统。但是这种利用红 外线技术的探测系统不能实时监测列车轴温；并且容易受到列车运行震荡、温度等环境因 素的影响，降低探测结果的可靠性。该文设计了基于无线传感器网络的列车轴温监测系统，利用无线传感网络对铁路货运 列车轴温进行实时监测，及时发现车辆

2、热轴、防止车辆燃轴。作为铁路运输重要的的安全 保障。该文研究内容包括三大部分。第一部分系统整体方案的设计。介绍了无线传感器网络及其特点，描述了基于无线传 感器网络的列车轴温监测系统的整体设计思路。第二部分硬件电路的设计。详细地介绍了轴温监测系统硬件部分，给出了硬件部分的 工作流程和全部的电路原理图，指出监测节点的作用及与机车控制台节点的设计区别。第三部分软件的实现。该部分针对实际的轴温监测系统编写了点对点的数据通信协 议，降低了数据通信量；设计了轴温监测节点和机车控制台节点的软件流程。最后进行实际验证，通过监测系统的实际运行进行分析和验证，完成了整个系统的设 计，并实现了本设计。关键词：轴温监

3、测，无线传感器网络，货运列车i无线传感器网络在列车轴温监测系统中的应用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原创性声明本人郑重声明：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。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公 开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人 和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。学位论文作者签名：弓长矢

9、日期：厶。7"2、仗关于学位论文版权使用授权的说明本人完全了解河北工业大学关于收集、保存、使用学位论文的规定。同意如下各项内 容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和 电了版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索 以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务：学校有权按有关规定向国家有关部门或者 机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的 部分或全部内容用于学术活动。（俣密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：张扎导师签各屈忆瑕H期：外卜2我FI期：知"7、

10、/2/f河北工业大学工程硕士学位论文第一章绪论§ 1-1课题研究的背景及意义随着铁路运输高速重载战略的实施，机车车辆运行速度提高， 载重量增大，对铁路运输机车车辆的安全技术保障提出了更高的要求，其中列车轴温监测对保证列车运行安全具有重要意义。列车在运行过程中，机车车辆与钢轨的冲击、动力效应和振动，导致车辆走行部分各轴承的发热。 当轴承磨损和产生缺陷时，不正常发热增大，轻则热轴、固死造成机损，影响车辆的正常运行；重则造 成疲劳破坏和热切轴，车毁人亡，严重影响铁路运输安全，造成巨大的生命和财产损失。例如1998年6月3日，德国的一列以速度 200 km /h行驶的高速客车因车轮轴内部疲劳

11、断裂突然出轨，致使100多人丧生，80余人受伤1。可见，开发研制性能可靠、优良的高速车辆轴温监测报警系统，对保证行车安 全具有重要意义。随着我国铁路交通运输的发展，客车和货车相继提速，目前客车最高运行速度已达到200公里/小时，货车最高运行速度将达到120公里/小时，正在建造或计划建造的高速铁路，列车最高运行速度将达到300350公里/小时。这对运输安全的技术保障提出了更高的要求，过去依靠列车停站后人工手 摸的方法检测车辆轴温，己不能满足铁路运输安全的需要。近年来，在铁路沿线每隔 30公里，建有列车红外轴温探测站，用来监测货运车辆的轴温变化。客 运车普遍安装了车载式传感器的轴温监控装置，严密的

12、监测运行列车轴温变化情况。但是，由于红外探测设备易受外界环境影响、探测点受车身摆动影响定位困难等原因，使得轴温过高告警兑现率低、误报率极高。而客运列车车载式传感器轴温检测装置，主机安装在各车厢列车员的休息室内，轴温信息的 传输方式及集中处理也受到列车特殊环境的种种限制，尚存在不少问题。国内有关部门曾研制过几种轴温集中监测装置，由于未能解决好信息可靠传输及传输通道的问题，因此难以推广使用2,3。§ 1-2国内外研究的现状目前国内外采用的轴温监测装置分为车载接触测量式与地面红外探测式两大类。绝大多数长途直、特快旅客列车都安装了传感器直接接触式轴温监测报警器（例如TKZW-ITA型），该报

13、警器一般安装在各车厢列车员的休息室内，直接采用声光报警，称为车载接触测量式轴温监测报警器。采用该种方式的轴温测试技术主要是测温传感器的选择，温度信号的实时检测、信号处理、存储、 超温报警、显示。尽管多年的实践已使其技术状态趋于稳定，但轴温信息的传输方式及集中处理由于受到列车特殊环境的种种限制，尚存在不少问题。国内有关部门也在研究轴温集中监测装置，希望解决好信息可靠传输及信息存储的问题。目前绝大多数列车轴温报警装置仍然沿用了单车分散报警的模式，这样有时难以及时发现，不能够迅速将故障信息上报、为有关人员及时采取措施提供条件，因此目前要解决的是实时检测、信息传输和集中控制问题4,5。在北美、日本、欧

14、洲、澳大利亚等国都有类似产品应用。另一种是地面红外探测式轴温探测设备。我国铁路红外线轴温探测设备研制工作始于1958年，采用硫化铅红外线元件进行非接触式探测。1970年研制出我国第一台铁路红外线轴温探测设备（简称一代机），科技水平接近当时世界先进水平。一代机主要由车轮传感器（简称磁钥）、轴温传感器（简称红外探头）、轴温信息传输和描笔记录仪构成。值班人员根据每个轴温脉冲幅值的高低，进行滚滑判别和热轴判别。1985年我国研制出第二代红外线轴温探测设备（简称二代机），科技水平达到世界先进水平。二代机引进了计算机技术，克服了一代机 单点应用的缺点，具有网络布点、热轴跟踪、区间无人探测、人机对话等特点，

15、具有自动探测热轴、自 动测速、自动计轴计辆、自动识别客货车辆、自动识别滚动和滑动轴承等功能。HBD- H型红外线轴温探测设备动态检测车是利用原HBD型检测车的车体重新研制的，该检测装置解决了原检测车存在测控温精度差、功耗大、无法对地面探头探测方位等问题。随着铁路提速战略的实施，对车辆运行安全保障技术提出了更高的要求。HBD- H型检测车车载检测装置在实际使用中暴露出一些问题，如：模拟轴箱的动态控温精度不能满足160km /h时速要求；对不同厂家设备不能满足探头扫描方位的动态自动检测；车辆在钢轨上的相对偏移量测定受日光照影响。为解决上述问题，上海铁路局车辆处与航天科技集团502所再度合作，在HB

16、D- H型检测装置的基础上，对车载红外线轴温探测设备动态检测装置进行了重新研制。重新研制的HBD-川型红外线轴温探测设备动态检测装置被安装在25K新型提速车上，并于 2002年10月30日通过了部科技司组织的技术鉴定。近几年国内又研制出了 HTK-499型红外线轴温探测系统（THDS），该系统适应车速 3360 km /h,探测精度土 2C,具有自动 计轴计辆，自动判别客车、货车和机车，自动判别列车运行方向和速度，自动判别车辆滚动、滑动轴承，自动读取车号信息进行列车热轴跟踪和预报及远程监控等功能。目前国内主要生产厂家及其主要设备型号如下：航天部502所，HBDS-II型；哈尔滨铁路局科研所，H

17、TK-391型；成都铁路局广汉通信信号厂，HZT-II 9012型等。但地面红外探测式轴温探测设备由于受环境、车型以及行驶中车体晃动等因素的影响，造成检测兑现率低、误报率高、维修量大等等不可靠情 况6。国外红外线轴温探测设备，主要由少数几个发达国家研制生产和应用。1955年美国SERVO公司开始研制，1956年生产出第一台产品。近几年来，发展中国家也开始应用红外线轴温探侧设备。目前国 外主要生产厂家为美国伺服公司（ SERVO）、美国哈曼公司（HARMON ）、法国CSEE公司和德国TC 公司。§ 1-3论文主要工作及各章内容简介针对目前列车轴温探测存在的不足，本文设计了由列车车辆的

18、每个轴箱直接携带数字传感器（DS18B20 ），借助于现代无线传感器网络技术，实时地将列车车辆每个车轴的轴温情况，传送到安装 在机车头的轴温监测控制台，并可转至地面监控中心。供机车司机和地面车辆检修部门随时监测车辆运行时轴温的变化情况。以便在适当的时候采取一定的措施，从而确保列车运行的安全。根据用户要求，要做的主要研究工作是：一、轴温监测节点的硬件电路：电源的供给，轴温信号的检测和提取，温度数据的存储，轴温数据 的传输。二、机车控制台节点的硬件电路设计：与轴温监测节点的硬件设计基本相同，包括轴温数据的存储、记录、轴温信息的显示和超温告警电路。三、软件：由轴温监测节点的软件设计和机车控制台节点的

19、软件设计两大部分。监测节点的软件设计包括传感器的判别、传感器连接状态的判别和轴温信号的处理，其中轴温信号的处理包括存储、报警和与机车控制台的信息传输三部分。轴温机车控制台的软件设计包括轴温数据接收、分析和处理。3河北工业大学工程硕士学位论文第二章系统方案的整体设计§ 2-1无线传感器网络及其特点无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，简称 WSNs）是计算、通信和传感器这三项技术相结合的产物，目前成为信息科学领域一个活跃的研究分支。无线传感器网络是由众多传感器节点以Ad Hoc（移动自组网、多跳网络）方式构成的无线网络。其目的是感知、采集和转发网络覆盖的地理

20、区域中感 知对象的各种信息，并发送给观测者。根据以上定义，传感器节点、感知对象和观测者是无线传感器网 络的3个组成部分；无线网络是传感器之间、传感器节点与观测者之间的通信基础，用于在传感器与观测者之间建立通信路径；协作地感知、采集、处理、发送感知信息是传感器网络的基本功能。一组功能 有限的传感器节点协作地完成大的感知任务是传感器网络的重要特点，传感器网络中的部分或全部节点可以移动，传感器网络的拓扑结构也会随着节点的移动而不断地动态变化。节点间以Ad Hoc方式进行通信，每个节点都可以充当路由器的角色，并且每个节点都具备动态搜索、定位和恢复连接的能力。下 面详细讨论传感器节点、感知对象和观测者。

21、传感器节点由电源、传感器元器件、处理器CPU、存储器、通信部件和软件这几部分构成。电源为传感器提供正常工作所必需的能源。传感器元器件用于感知、获取外界的信息，并通过AD转换器将其转换为数字信号。处理部件负责协调节点各部分的工作，如对感知部件获取的信息进行必要的处理、 保存，控制传感器元器件和电源的工作模式等。通信部件负责与其它传感器或观测者的通信。软件则为传感器提供必要的软件支持，如嵌入式操作系统、网络协议栈等。观测者是传感器网络的用户，是感知信息的接受和应用者。观测者可以是人，也可以是计算机或其 它设备。例如，军队指挥官可以是传感器网络的观测者；一个由飞机携带的移动计算机也可以是传感器网络的

22、观测者。一个传感器网络可以有多个观测者。一个观测者也可以是多个传感器网络的用户。观测者可以主动地查询或收集传感器网络的感知信息，也可以被动地接收传感器网络发布的信息。观测者将对感知信息进行观察、分析、挖掘、制定决策，或对感知对象采取相应的行动。对象是观测者感兴趣的 监测目标，也是传感器网络的感知对象，如坦克、军队、动物、有害气体等。感知对象一般通过表示物 理现象、化学现象或其他现象的数字量来表征，如温度、湿度等。一个传感器网络可以感知网络分布区 域内的多个对象，一个对象也可以被多个传感器网络所感知。无线传感器节点是任意分布在被检测区域的，一般环境中采用人工埋置的方法，这样可以保证节点的大体均匀

23、分布；在危险区域或者不方便人工埋置的情况下，可以采用飞机投放，炮弹弹射等方法。当传感器节点部署完成后，所有传感器节点以自组织形式构成网络，在每个节点构建路由信息， 以使每个节点都可以与网络中的其它节点通讯。在这些节点中，有少数几个节点被称为基站 （Base Statio n）或者Sink节点，Sink节点起网关的作用，它将传感器节点发送来的采集数据发送给观测者，发送的方式 可以采用In ternet、卫星通信等；同时将观测者的控制命令发送给各个传感器节点。Sink节点必须在传感7-10器网络的覆盖范围之内，用户的控制终端可以在任何地域范围内根据不同的应用，无线传感器节点的组成不尽相同，但一般都

24、由数据采集、数据处理、数据发送和电源这4部分组成。数据采集单元包括各种传感器，根据实际需要采集物理量的形式，采用不同类型的传感器；传感器的选择标准基于精度与功耗的折中。根据不同的应用，有些传感器是暂时不用的，为了 达到节能的目的，系统硬件采用多路数字开关阵列控制各个传感器的电源，这样在应用软件中可以灵活控制不同传感器的开关。处理器可以采用通用嵌入式CPU，比如ARM公司的ARM7等，但是随着单片机运算速度的提高以及功能的扩充，以及出于降低功耗和节约成本的考虑，现有节点的硬件一般都采用一些高性能的单片机，比如 Atmel公司的AVR单片机。数据传输单元主要由低功耗、短距离的无线通信 模块组成，比

25、如Chipcon公司的CC1000等11。在实际应用中，传感器的体积越小越好，功能越强大越好，然而这两者是互相制约的。很明显，为了实现一定的功能而缩小体积是硬件设计的最大挑战。“智能尘埃”的最终目标是将传感器集成到与尘埃大小相同的体积上， 甚至可以利用传感器所处环境提供能量。然而在目前阶段，处于原型开发与试验阶段的传感器体积都还有火柴盒的大小。无线传感器网络的基本特点包括以下几个方面：1. 节点数量众多，随机撒布，稠密布置。2. 节点能源受限。一般节点采用电池供电，能源非常有限，必须采用节能计算和节能通信。3. 节点通信能力和计算能力有限，存储器容量有限。节点的计算能力非常有限，所以不可能实现

26、复杂的网络协议；节点之间的带宽也是非常珍贵的资源。4. 节点状态不稳定，要求网络有很强的容错和恢复能力。5. 节点间通信主要采用广播方式，节点具备初步的数据处理和数据融合能力。6. 节点不存在全局的节点标识。无线传感器网络是一种全新的网络，其网络结构完全不同于现有In ternet网络结构。无线传感器网络是以大范围多种信息采集为目的，以节能为研究核心的网络体系结构。从网络协议的算法，到硬件元器件的选择，直到操作系统软件的算法，都体现了节能的思想。作为极具潜力的一种技术，无线传感器网络在未来几年必将得到广泛的应用，而由于节能在无线传感器网络设计中所处的核心地位，节能技术水平将伴随着无线传感器网络

27、的发展而不断提高。未来，节能技术的研究将进一步与无线传感器网络的特定应用联系起来，针对不同应用进行专门的优化。同时， 软硬件整合设计、跨层网络协议设计等一体化节能设计思路将得到广泛应用。无线传感器网络由许许多多个功能相同或不同的无线传感器节点组成。每一个传感器节点由数据采集模块（传感器、A/D转换器）、数据处理和控制模块（微处理器、存储器）、通信模块（无线收发器）和供电模块（电池、DC/DC能量转换器）等组成。节点在网络中可以充当数据采集者、数据中转站或类头节点（cluster -head node）的角色。作为数据采集者，数据采集模块收集周围环境的数据（如温度、 湿度），通过通信路由协议直接

28、或间接将数据传输给远方基站（base station）或网关节点（sink node）；作为数据中转站，节点除了完成采集任务外，还要接收邻居节点的数据，将其转发给距离基站更近的邻居节点或者直接转发到基站或网关节点；作为类头节点，节点负责收集该类内所有节点采集的数据，经 数据融合后，发送到基站或汇节点 12。相对于传统无线网络，无线传感器网络具有一些明显的持征：第一，网络中的传感器节点数量众多、密度高，单位面积所拥有的网络节点数远大于传统的无线网络。第二，传感器节点由电池供电，节点能量有限。由于节点数量多，而且无线传感器网络往往应用于 人烟荒芜的地方或人们难以直接操作的地方，因此更换传感器节点电

29、池是不现实的。这决定了传感器节点生命和网络寿命的有限性。第三，网络节点间采用自组织的通信方式。传感器节点是自主的、自治的，节点之间以Ad Hoc。方式通信，不同于传统无线网络的中心控制通信模式。第四，网络拓扑易变化。由于节点能量有限，节点易出故障，导致无线传感器网络拓扑信息变化快 速。第五，网络应具备容错能力。传感器节点所处的环境通常是恶劣的（如噪音多、风吹雨淋等），导致节点易受干扰，易出错。这要求无线传感器网络应具有容错能力才会有应用前景。此外，节点体积限制、能量有限决定了节点只能具备有限的计算存储能力和短距离通信能力13,14。无线传感器网络以其自组织性、微型性、低成本、灵活性等优点，在军

30、事、环境科学、医疗健康、 空间探索、商业应用等领域有着非常广泛的应用前景。在军事领域，传感器网络将会成为现代化战场指挥系统不可或缺的一部分。因为传感器网络是由密集型、低成本、随机分布的节点组成的，自组织性和容错能力使其不会因为某些节点在恶意攻击中的损坏而导致整个系统的崩溃，这一点是传统的传感器技术所无法比拟的。也正是这一点，使传感器网络非常适合应用于恶劣的战场环境中，包括监控我军兵力、 装备和物资，监视冲突区，侦察敌方地形和布防，定位攻击目标，评估损失，侦察和探测核、生物和化学攻击。在战场上，指挥员往往需要及时准确地了 解部队、武器装备和军用物资供给的情况，铺设的传感器将采集相应的信息，并通过

31、汇聚节点将数据送至指挥所，再转发到指挥部，最后融合来自各战场的数据形成我军完备的战区态势图。在战争中，对冲 突区和军事要地的监视也是至关重要的，通过铺设传感器网络，以更隐蔽的方式近距离地观察敌方的布防。当然，也可以直接将传感器节点撒向敌方阵地，在敌方还未来得及反应时迅速收集利于作战的信息。传感器网络也可以为火控和制导系统提供准确的目标定位信息。在环境科学方面，传感器网络为野外随机性的研究数据获取提供了方便，比如，跟踪候鸟和昆虫的迁移，研究环境变化对农作物的影响，监测海洋、大气和土壤的成分等。例如在ALERT系统中就有数种传感器来监测降雨量、河水水位和土壤水分，并依此预测爆发山洪的可能性。类似地

32、，传感器网络对 森林火灾准确、及时地预报也应该是有帮助的。此外，传感器网络也可以应用在精细农业中，以监测农 作物中的害虫、土壤的酸碱度和施肥状况等。在医疗健康方面，如果在住院病人身上安装特殊用途的传感器节点，如心率和血压监测设备，利用传感器网络，医生就可以随时了解被监护病人的病情，进行及时处理。还可以利用传感器网络长时间地收集人的生理数据，这些数据在研制新药品的过程中是非常有用的，而安装在被监测对象身上的微型传感器也不会给人的正常生活带来太多的不便。总之，传感器网络为未来的远程医疗提供了更加方便、快捷的技术实现手段。在空间探索方面，探索外部星球一直是人类梦寐以求的理想，借助于航天器布撒的传感器

33、网络节点实现对星球表面长时间的监测，应该是一种经济可行的方案。在商业应用方面，自组织、微型化和对外部世界的感知能力是传感器网络的三大特点，这些特点决定了传感器网络在商业领域也会有不少的机会。例如，嵌入家具和家电中的传感器与执行机构组成的无线网络与In ternet连接在一起将会为我们提供更加舒适、方便和具有人性化的智能家居环境；传感器网 络还可以应用于城市的车辆监测和跟踪系统中。此外，在灾难拯救、仓库管理、交互式博物馆、交互式 玩具、工厂自动化生产线等众多领域，无线传感器网络都将会孕育出全新的设计和应用模式1518。§ 2-2无线传感器网络在列车轴温监测系统中的应用铁路机车车辆轴温的

34、监测，对于客运列车，其每节车厢内都有电源，车厢之间也都联有通信电缆， 采用有线方式监测轴温更可靠；而对于货运列车，为防止发生危险事故，也要对轴温进行监测，但是货 车没有电源，车厢之间也没有通信线缆。因此，轴温的监测要比客车困难，故采用基于无线传感器网络 的轴温监测系统更适合于货运列车，而且随着无线通信可靠性的提高，采用无线方式进行监测也将是未来发展的趋势。2-2-1无线数据通信的实现当前无线通信技术主要有802.11b、802.15.4(ZigBee)、Bluetooth、UWB、HomeRF、IrDA 等，下面对几种通信技术进行简单的介绍：1. 802.11b 技术IEEE的802.11b是

35、802.11家族中的一种新标准，它利用无线电发射频率将电脑及移动设备同局域网连接起来。802.11b采用2.4GHz无线频段，最大数据传输速率为11Mb/s，当射频情况变差时，可将数据传输速率降低为5.5Mb/s、2Mb/s和1Mb/s。支持的范围是在室外为300米，在办公环境中最长为100米。但其功耗比较高在无线传感器网络中应用不多。2. IrDA技术IrDA(Infrared Data Association)是一种利用红外线进行点对点通信的技术，IrDA无需专门申请特定频率的使用执照、具有移动通信设备所必需的体积小和功率低的特点、点到点的连接下保密性以及速率可以达到4M且所受干扰小，适合

36、于低成本、跨平台、点对点高速数据连接。优点在于数据传输速率 高，适合于传输容量较大的数据文件和多媒体数据流；红外线发射角度较小，有一定的物理传输上的安全性。主要缺点是传输距离短，受视距影响；要求通信设备的位置固定：点对点的传输，无法灵活地组成网络。3. Bluetooth 技术蓝牙(Bluetooth)是由Ericsson、IBM、Nokia、In tel和Tosiba等公司在1998年联合推出的一种先进 的无线网络技术。蓝牙技术采用跳频技术，抗信号衰落；采用快跳频和短分组技术，减少同频干扰，保证传输的可靠性；采用前向纠错(FEC)编码技术，减少远距离传输时的随机噪声影响；使用 2.4GHz的

37、ISM频段，无 需申请许可证；采用 FM调制方式，降低设备的复杂性。该技术的传输速率设计为1MHz，以时分方式进行全双工通信，其基带协议是电路交换和分组交换的组合。支持点到点、点到多点的话音、数据业务 的短距离无线通信技术， 实质是要建立通用的无线接口及其控制软件的开发标准，使得计算机等设备和通信进一步结合，使不同厂家生产的便携式设备在没有电线或电缆相连的情况下，能在近距离范围内互联。蓝牙设备依靠专用的蓝牙芯片使设备在短距离范围内发送无线电信号，来寻找另一个蓝牙设备，一旦找到，相互之间建立通信，交换信息。其作用半径在发射功率为1毫瓦的时候为10米，增大发射功率(100mW)可使半径为100米，

38、通信协议和堆栈复杂，需要专门设备开发。4. HomeRFHomeRF(家用射频)技术是由Proxim、西门子、摩托罗拉和康柏等公司在1998年组建HomeRF工作组开始进行 HomeRF无线联网标准的开发。HomeRF把共享无线连接协议(SWAP)作为未来家庭内联网的主要协议，使用IEEE802. 11无线以太网作为数据传输标准。HomeRF是专门为家庭无线互连提出的，它可以很好的实现计算机、打印机以及其它家用电器之间语音和数据的通信和互连。2000年8月31日美国联邦通信委员会批准HomeRF组织成员的要求，允许 HomeRF的传输速率在原来的 2Mb/s的基础上提高4倍，达到8Mb/s -

39、11Mb/s传送速率；但工作在 10Mb/s以上将严重影响它的性能，主要理 由是频率冲突、功耗较大。HomeRF可以实现最多5个设备之间的互联。5. UWB技术UWB(Ultra-Wideba nd Radio)是一种高速、低成本和低功耗新兴无线通信技术。在很宽的频段内传 送短脉冲，将信息调制到脉冲的时间和频率上。目前，Intel、Motorola、Sony等知名大公司正在进行UWB无线设备的开发和推广。UWB通信也存在不足，主要问题是UWB系统占用的带宽很大，UWB系统可能会干扰现有其他无线通信系统，因此UWB系统的频率许可问题一直在争论之中；另外，还有学者认为，尽管UWB系统发射的平均功率

40、很低，但是由于它的脉冲持续时间很短，它的瞬时功率峰值 可能会很大，这甚至会影响到民航等许多系统的正常工作。UWB可以发挥出高达数百 Mbps的传输性能，但只限在10m的范围内通信。6. ZigBee(802.15.4)技术IEEE无线个人区域网(PAN)工作组的IEEE 802.15.4技术标准是 ZigBee技术的基础。802.15.4标准 旨在为低能耗的简单设备提供有效覆盖范围在10米左右的低速连接，可广泛用于交互玩具、库存跟踪监测等消费与商业应用领域。传感器网络是其主要市场对象。IEEE802.15.4定义了两个物理层标准，分别是 2.4GHz物理层和868/915MHz物理层。它们都基

41、于 DSSS( Direct Sequenee Spread Spectrum,直接序列扩频)，使用相同的物理层数据包格式，区别在于工 作频率、调制技术、扩频码片长度和传输速率。2.4GHz波段为全球统一的无需申请的ISM频段，有助于ZigBee设备的推广和生产成本的降低。2.4GHz的物理层通过采用高阶调制技术能够提供250kb/s的传输速率，有助于获得更高的吞吐量、更小的通信时延和更短的工作周期，从而更加省电。868MHz是欧洲的ISM频段，915MHz是美国的ISM频段，这两个频段的引入避免了2.4GHz附近各种无线通信设备的相互干扰。868MHz的传输速率为20kb/s, 916MHz

42、是40kb/s。这两个频段上无线信号传播损耗较 小,因此可以降低对接收机灵敏度的要求，获得较远的有效通信距离 ，从而可以用较少的设备覆盖给定的区域。7. RF技术射频(Radio Frequency RF)技术使用几个特定频率中的一个频率传输数据，相邻的 WLAN使用不同 频率。其产品既可工作在18-19GHZ的特许频段，也可以在低功率的情况下工作于 ISM(Industrial/Scientific/Medical) 频段。在中等衰减的建筑物中， RF信号一般可穿透一至三堵墙。它可 用于室外、开放或封闭的室内办公环境。现在有很多射频芯片可用来完成无线数据传输，开发相对简单，易于实现。通过自定

43、义简单的通信协议可以有效的减少无线通信的数据量，从而降低了系统的功耗；其通信范围在几十米到几百米之间。表2.1典型无线传感器网络节点Table 2.1 Typical wireless sen sor n etworks no des节点名称所用处理器无线心片(技术)电池类型发布日期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中列出了近年来国内外几种常见无线传感器网络节点。通过表2.1可以看出无线传感器网络中所采用的无线传输技术主要是802.15.4(ZigBee)和RF技术。由于采用ZigBee技术的芯片功耗比较低,但由于其传输的距离比较短(一般在1075米之

45、间)，不能满足实际中的需求，因此无线轴温监测系统 中应采用传输距离较远的 RF技术进行数据传输。222监测系统的整体设计整个系统是由固定在各车厢上的无线传感器网络节点即监测节点、机车控制台节点、地面接收站和铁路列车轴温监控中心组成。无线传感器网络将需要的数据进行采集后，通过无线传感器网络将数据传送到机车，机车将本列车内各车厢的轴温检测数据发送给地面每隔30公里左右的数据接收站，并由地面接收站将其反馈到机车控制台，以达到对轴温进行实时监控的目的。本文主要对一列列车无线传感器网络部分进行研究。列车轴温监测车载系统，其结构主要包括硬件及软件两大部分。 硬件部分即相当于传感器网络的硬 件节点，负责数据

46、的采集及发送。核心部分包括控制器单元、数据采集单元、存储单元和无线通信单元。 软件部分包括通信协议的实现，以及用户管理界面。硬件部分中控制器负责定时唤醒传感器采集列车的轴温信息，对信息进行处理，存储和转发；数据采集单元主要是温度传感器， 对轴温信息定时采集和报警； 存储单元实现一定时间内对轴温数据的纪录， 便于车头机车控制台节点进行查询；无线通信单元用于发送采集到的轴温数据，并与车头机车控制台节点进行实时通信。9河北工业大学工程硕士学位论文第三章硬件电路设计§ 3-1监测节点硬件电路的整体结构一列列车通常有 50至60节车厢组成，每节列车车厢有两个车轴架，每个车轴架上有两个车轴，每个

47、车轴两端又有两个轴箱。设计中在每个轴箱上安装一个轴温传感器，每个轴架上设一个监测节点。监测节点硬件部分结构包括：数据处理及控制单元、数据采集单元、电源单元和通信单元。如图3.1所示。传感单元数据处理及控 制单元通信单元图3.1监测节点硬件结构组成Fig. 3.1 Structure of WSN nodes3-1-1数据处理及控制单元数据处理单元用于数据的运算、存储。其核心任务包括：向数据采集单元发布采集命令，从四个传 感器中轮流获取各轴温数据，对数据进行标定、存储；对数据收发单元进行初始化及其参数设置，以及 收发数据流程的控制。3-1-2数据采集单元每个轴箱安装一只温度传感器，当用户需要得到

48、某个传感器数据时，应用程序通过操作系统打开相应传感器的电源开关，使传感器处于工作状态，将采集的温度数据传输到数据处理单元。3-1-3.电源单元电源一般采用电池作为系统供电电源，结合数字电源开关，在CPU的控制下调整各传感器的工作状态。3-1-4通信单元以无线收发器为核心，受数据处理单元的控制。在发送数据时，将数据寄存器中的数据进行调制之 后发送；在设定的时间处于监听状态，准备接收传入数据。该单元由控制器控制定时唤醒，以降低硬件部分能耗。另外，因为大量的节点密集地放置，邻近节点间的距离非常近，而整列车又非常长，因此要将列车后部轴温数据传至车头， 可以采用多跳通讯的方式，这样比采用单跳方式更节约能

49、源。 传输电平 可以保持在较低的电压等级上，省去电平转换的麻烦。并可以有效地克服长距离传输中的各种弊端19。§ 3-2各单元的设计3-2-1控制单元控制单元是整个硬件节点的核心部分，负责控制节点各部分的工作状态。设计中选用PHILIPS公司的LPC900系列单片机，该单片机是一种低功耗的控制器，能够在低电压下以低功耗状态工作；其控 制器具有强大的处理能力和丰富的片内外设；带FLASH存储器的单片机还可以方便高效地进行在线仿真和编程。P89LPC933是一款单片封装的微控制器，适合于许多要求高集成度、低成本的场合。可以满足多方面的性能要求。P89LPC933采用了高性能的处理器结构，指

50、令执行时间只需2到4个时钟周期。6倍于标准80C51器件。P89LPC933集成了许多系统级的功能，这样可大大减少元件的数目和电路板面积 并降低系统的成本。当操作频率为12MHz时，除乘法和除法指令外，高速80C51CPU指令执行时间为167333ns。同一时钟频率下，其速度为标准80C51器件的6倍。只需要较低的时钟频率即可达到同样的性能，这样无疑降低了功耗和 EMI ;1. 操作电压范围为 2.43.6V。I/O 口可承受5V （可上拉或驱动到 5.5V）。2. 4KB/8KB Flash字节可擦除程序存储器，具有1KB扇区和64字节页规格。3. 字节擦除特性允许程序存储器用于数据存储。4

51、. Flash编程操作执行时间小于 2ms。5. 256字节RAM数据存储器。6. 2个16位定时/计数器，每一个定时器均可设置为溢出时触发相应端口输出或作为PWM输出。7. 实时时钟可作为系统定时器。8. 2个模拟比较器。可选择输入和参考源。9. 增强型UART。具有波特率发生器、间隔检测、帧错误检测、自动地址识别和通用的中断功能。10. 400kHz字节宽度的I2C通信端口。11. SPI通信端口。12. 8个键盘中断输入，另加 2路外部中断输入。13. 4个中断优先级。看门狗定时器具有片内独立振荡器，无需外接元件。看门狗定时器溢出时间有8种选择。低电平复位，使用片内上电复位时不需要外接元

52、件。复位计数器和复位干扰抑制电路可防止虚假和不完全的复位。另外还提供软件复位功能。低电压复位（掉电检测）可在电源故障时使系统安全关闭。该功能也可配置为一个中断。振荡器失效检测。看门狗定时器具有独立的片内振荡器，因此它可用于振荡器的失效检测。可配置的片内振荡器及其频率范围和 RC振荡器选项（通过用户可编程 Flash配置位选择）。选择 RC振荡器时不需要外接振荡器件。振荡器选项支持的频率范围为20KHz12MHz。可选择RC振荡器选项并且其频率可进行很好的调节。空闲和两种不同的掉电节电模式。提供从掉电模式中唤醒功能（低电平中断输入唤醒）。典型的掉电电流为1 A （比较器关闭时的完全掉电状态）；2

53、8脚TSSOP封装，并支持在线仿真。设计中监测模块选用 PHILIPS公司的P89LPC933单片机作为微控制器，其工作电压为2.43.6V。LPC933单片机采用了高性能的处理器结构，指令执行时间只需24个时钟周期，6倍于标准80C51器件。其以抗干扰能力强、功耗低等优点而被应用于多种嵌入式系统中。同时LPC933集成了许多系统级的功能，如：1个8位、4路逐步逼近式模数转换模块和1个DAC模块；400kHz字节方式1匕通信端口； SPI接口；键盘中断；片内看门狗定时器。这样可大大减少元件的数目、电路板面积以及系统的成 本。因此适合于许多要求高集成度、低成本的场合，可以满足多方面的性能要求。为

54、了降低微控制器的功耗，模块采用低频外部32.768KHZ的晶体振荡器，工作电压为3V。在采集工作完成后，控制器关闭空闲模式进入低功耗模式。3-2-2数据采集单元温度是人们很熟悉的物理量，其传感器的种类也很多，传统的测温元件有热电偶和热电阻等，集成温度传感器有 AD590、LM335、MAX6509、DS18B20、LM76等，为了克服传统的模拟型温度传感器 精度低、抗干扰能力差、多点测量使之不便串行通信等弱点，满足高速列车的需要，设计中选用DS18B20温度传感器，将其安装于每一个测温点.可一次测出所安装位置的温度值，利用传感器内部全球唯一测温点的温度值和安装位置传输到单片机，通过控制单元集中

55、分析、处理。它外形与普通三极管相似，功 耗低，单总线接口，输出为数字量，与控制器接口简单，并且一根总线上可以挂接多个同类传感器。1. 温度传感器DS18B20DS18B20是美国Dallas公司生产的一款集成数字温度传感器，它与传统的热敏电阻温度传感器不同，能够直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现912位的数字值读数方式，可以分别在93.75ms和750ms内将温度值转化 9位和12位的数字量。因而使用 DS18B20可使系统结构更 简单，可靠性更高。同时芯片的耗电量很小，从总线上获取少量电能（空闲时几yW,工作时几mW）存储在片内的电容中就可正常工作，一般不用另加电源。 最

56、主要的是传感器输出的是数字信号，可直接与单片机I/O相连使连接非常方便。由于在单总线上传送的是数字信号，这使得系统的抗干扰性好、可 靠性高、传输距离远20。DS18B20的封装有3脚、6脚和8脚三种方式。设计中选用3脚封装，这样可以节省空间从而减小 节点的体积。其中 DQ为数字信号输入/输出端；GND为电源地；VDD为外接供电电源输入端（在寄 生电源接线方式时接地）（工作电压3V5.5V ）。DS18B20内部结构如图3.2所示。它主要由64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器组成。图3.2 DS18B20的内部结构框图Fig.3.2 In side structure of DS18B20光刻ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列码。64位光刻ROM的排列是：开始8位（28H）是