（电子科学与技术专业论文）货运列车监控系统的无线链状网络高效路由算法的研究.pdf

a b s t r a c t r e c e n t l y a sar 印i d l yd e v e l o p i n gt e c h n o l o g y i nc o m m u n i c a t i o n ， w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ki sb e c o m i n gh o tr e s e a r c hs u b j e c t s w i r e l e s s s e n s o rn e t w o r ki sc o n s i d e r e da ni m p o r t a n tt e c h n o l o g yt oc h a n g ef u t u r e c o m m u n i c a t i o np a t t e m i nr e c e n ty e a r s ，i ts h o w sag o o d 印p l i c a t i o n p r o s p e c t si nm i l i t a e n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n g ，h e a l t hc a r e ，i n t e l l i g e n t t r a n s p o i r t a t i o na n do t h e ra r e a s i nw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，t h en o d e e n e r g vi sl i m i t e d t i oo r g a n i z et h ec l u s t e rs t m c t u r ea n du s et h en o d e e n e r g ye f f e e t i v e l y ，w h i c hi st h ei m p o r t a n tp a r tf o rr o u t i n ga l g o r i t h m t h e r ea r em a n ym o n i t o r i n gp o i n t sc h a i nd i s 仃i b u t i o ni nm o n i t o r i n g s y s t e mf o rt r a i ns t a t e a l t h o u g ht h em o n i t o r i n ge n v i r o n m e n t i sd i s g u s t i n g a n dc o n d i t i o ni s c o m p l e x ， t h e r e q u e s t f o rt h er e a la n da c c i r a c y i n m o n i t o r i n gr e s u l t sa r em o r eh i g h c o n s i d e rt h ep r o b l e mo f t h ed i m c u l t ) ， i nn e t w o r dl a y o u tf o ri nm o n i t o r i n g 仃a i nb yt r a d i t i o n a lm e a n sa n dl o w d e g r e e i nn o d e si n t e l l i g e n c e ，b a s e do nz i g b e ep r o t o c o ld e s i n g e d m o n i t o r i n gs y s t e mf o rw i r e l e s ss e n s o r n e t 、v o r k i nm i sp a p e r b a s e do nt h ew i r e l e s sc h a i nn e t w o r kf o rf r e i g h tt r a i n s t a t em o n i t o r i n g ，c o n s i d e rt h ep r o b l e mo fl i m i t e de n e 唱ya n dt h e n o n b a l a n c e de n er j g yc o n s u m p t i o n i nc h a i n n e 似o r l ( ， t h i s p a p e r i n v e s t i g a t e st h ee n e 唱yc o n s u m p t i o n o fs i n g l e - h o pa n dm u l t i - h o pr o u t i n g i nw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ，p r o p o s e dan e wr o u t i n ga l g o r i t h mw h i c hi s d r o d i t i o u st oo u ra d d l i c a t i o n t h ea l g o r i t hb a s e do nt h ea s s u m p t i o nt h a t d r o p l t l o u st oo u ra p p l l c a n o n 1n ea l g o r l t 胁b a s e do nm ea s s u m p u o n t n a t t h et r a n s m i s s i o np o w e ro fs e n s o rn o d e si sa d ju s t a b l e ，s e l e c t i n gt h eb e s t t r a n s m i t t i n gr o u t e so fd a t af o re v e 巧n e t w o r kn o d et oa t t a i nt h eg o a lo f s a v i n gt o t a le n e r g ) ，a n db a l a n c i n ge n e 唱yc o n s u m p t i o n t h es im u l a t i o n e x p e r i m e n ti n d i c a t e st h a tt h ea l g o r i t h mc a nb a l a n c ee n e 唱yc o n s u m p t i o n e f i f e c t i v e l ya n ds a v i n g t h et o t a l e n e 唱y p r o l o n gt h e l i f e t i m eo ft h e n e t w o r k a tl a s t ，w es i m u l a t et h ep r o p o s e da l g o r i t h m sb ym a t l a bs i m u l a t o r r e s u l t s厅o mt h es i m u l a t i o n i n d i e a t et h a tt h e p r o p o s e da l g o r i t h m i i e f f e c t i v e l yb a l a n c e st h ee n e 曙yc o n s u m p t i o no fn o d e si nt h en e t 、v o r k ，a n d ah i 曲e rn e t w o r kl i f e t i m ei sr e a c h e d c o m p a r e dw i t ht h e t r a d i t i o n a lr o u t i n g a l g o r i m m s k e yw o i s ：w i r e l e s ss e n s o r n e t 、v o r k ，i b u t i n gp r o t o c o l ， l o a d b a l a n c i n g i 硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论弟一早珀t 匕 1 1 研究背景 要保证铁路货运列车安全、准点运行，必须有一个完整、相对独立的运行危 险状态监测系统，实现对货运车辆动态监控，建立监测、控制和管理决策于一体 的安全监控网络体系。本课题是基于货物列车危险状态进行无线传感器网络实时 监测系统应用平台，该系统对货物列车危险状态参数进行实时采集和预处理，利 用无线网络将采集和预处理信息发送到监控终端，通过监控系统，实时给出运行 车辆的安全性评估，并进行预警预报，保证铁路运输的安全、高效性。 本课题来源于国家8 6 3 计划“基于无线传感器网络的铁路重载货运车辆危险 状态监测系统研究与应用( 2 0 0 9 a a l l z 2 0 5 ) ”。 1 1 1 重载货运列车状态监控 近年来，随着列车速度的提高和载重的增加，铁路载重货运车辆运行时呈 现出来的危险状态越来越多，这给铁路铁路重载的运输安全带来了严重威胁。 “十二五”规划又将迎来铁路建设的飞跃发展，铁路重载货物运输网络也将逐渐 形成。随着列车重载运输的发展，铁路重载货运车辆在途运行故障将成为影响 运输安全的主要因素。要保证铁路重载列车准点运行和安全，必须有一个完整、 相对独立的运行危险状态检测系统，实现对重载货运车辆动态监控。发展集 检测、控制和管理决策于一体的列车运行安全监控网络体系是我国铁路“十二 五”发展的重要目标之一。 目前，铁道部正在重点建设5 t 系统即：t h d s ，全线实现红外线热轴车号 精确预报；t f d s ，全线实现货车运行故障动态图像检测；t a d s ，全线实现货 车滚动轴承早期故障声学检测；t p d s ，全线实现货车运行安全品质和车轮踏面 故障检测；t c d s ，全线实现1 6 0 k 汕及以上客车运行安全实时监控。此系统是 六大干线提速安全标准线地对车的安全监控体系，它实现的是地面设备对运行车 辆的动态检测。5 t 系统的建设从一定程度上可以对铁路运输安全起很大的作用， 但是它只是立足于地面对运行车辆的动态检测，需要沿铁路干线建立众多的监测 站，存在以下明显的、不可克服的问题，主要表现在： ( 1 ) 检测成本较高，每项检测都需要在地面大规模部署建设； ( 2 ) 没有实现实时检测，地面检测点之间存在检测死区； 硕士学位论文 第一章绪论 ( 3 ) 列车在途超偏载、制动故障、轴承磨损故障等危险状态很难通过地面 装置来检测。 由此可见，研究更加全面、可靠、成熟的列车危险状态监测系统势在必行。 国内外学者学者在现有的基础上，已经认识到了以预防为主的货车安全问题的 重要性，提出了很多有意义的理论和解决方案。列车安全技术将朝着以下几个方 向发展1 2 】： 7 1 ) 安全信息系统设备从固定在铁路沿线地面到完全车载式系统的发展。地 面固定设备缺陷的日益显现将促使列车安全信息系统必须立足于车上、立足于运 行中的车辆。 2 ) 安全信息从分散检测处理向网络和集成化方向发展。铁路货车安全信息 网络化将大大提高系统对列车安全信息的处理能力，使对引起铁路重载货运车辆 安全隐患的原因把握更加透彻。 3 ) 对列车设备状态简单的数据采集到数据融合、数据挖掘处理技术的应用。 数据融合、数据挖掘处理技术可有效地诊断车辆故障信息，信息融合和数据挖掘 技术可以将所有与车辆相关的信息集中在一起，提高运行状态预报的精确性。 4 ) 从对车辆事故的事后报告处理到以预防事故发生为主。事故发生后的及 时处理虽然重要但是事故本身是无法改变的，对列车状态准确把握，对其故障隐 患作出有效预测可以有效避免列车事故，是未来铁路货车安全信息系统的必然之 路。 1 1 2 无线传感器网络 无线传感器网络【3 】是新一代的无线自组织网络，应用前景非常广泛，其发 展和应用，将会给我们的工作和生活的各个领域带来深远影响。目前，无线传 感器网络技术发展很快，利用无线传感器网络实现铁路货车的运行状态参数安 全监测是一种极具发展前途的方法。众多具有数据处理、通信能力的传感器通 过无线方式组成网络，互连互助，实现二进制数同物理世界的交互，这些传感器 协作完成特定的应用任务，称为无线传感器网络。 针对目前铁路重载货运车辆安全运行监测中存在的问题和发展趋势，在车载 安全监测方面本课题提出了利用无线传感器网络在每节车辆上实现铁路货车安 全监测的新方法。 无线传感器网络在目前已经有许多应用实例【4 l 【5 l ： ( 1 ) 军事领域：应用于恶劣的战场，包括侦察敌情、监控兵力、装备和物资， 监测生化武器攻击等多种用途。例如c 4 i s r t 项目； ( 2 ) 环境监测和保护：利用无线传感器网络可以跟踪昆虫和候鸟迁移，研究 2 硕士学位论文 第一章绪论 环境变化对动植物的影响，监测大气、土壤、和海洋的成分等。除此之外，在 精细农业中，可以监测施肥状况和土壤的酸碱度等； ( 3 ) 医疗护理：测量病人的重要征兆( 脉搏、呼吸和血压) 以及活动状况。 英特尔公司研究开发老龄化社会技术项目( c a s t ) ，通过对鞋、家具、电器等 物品嵌入传感器节点，帮助老龄人士、病人、残疾人的家庭生活。利用无线通 信把各传感器信息传递到监控中心，方便护理。此外，还可以将大量的光线传 感器做成人工复合视网膜，失明患者都能使用该方法恢复一定的视力； ( 4 ) 其它用途：智能家居，反恐救灾，安全监测，交通车辆监控，工业自 动化生产线监控等。 美国的技术评论杂志在讨论未来新兴十大技术时，将无线传感器网络 技术列为第一，商业周刊预测的未来四大新技术中，无线传感器网络也在 其中。由此可见，无线传感器网络的推广应用是一种必然趋势，它的产生给极 大地改变了我们的工作和生活方式。尽管无线传感器网络技术起步较晚，现在 仍处在初步研究应用阶段，但是其巨大潜力已显示出来，随着该技术研究的深 入，未来一定有更为广阔的应用前景。不仅在工农业、军事、环境、医疗等领 域具有较大的应用价值，将来还会在众多新领域发挥作用，如智能家居、保健、 交通等领域。未来无线传感器网络将融入我们的生活。例如微型传感器网络将 实现家用电器、个人电脑和其他家居用品与互联网相连，实现远程监控，还可 以使用无线传感器网络进行安全调控、节电等。未来，无线传感器网络将是的 一个渗透到我们身边每一个角落的庞大网络，其应用可以涉及到人类社会生活 和日常生活的所有领域。 1 2 无线传感器网络概述 无线传感器网络技术是2 1 世纪一项极为重要的信息技术，它的产生对我们 现在以及将来的工作、生活方式有着重要影响。无线传感器网络【6 j 是一种由大量 具备传感功能的微型设备所构造的网络，主要用于采集、传输和处理传感信息。 随着微电子技术、无线通信技术的不断发展，人们已经开发出低功耗、低成本、 多功能的传感器节点，这就为低成本无线传感器网络的构建提供了基础。这类 无线传感器网络节点主要有三部分组成：传感器模块、无线通信模块以及微处 理器模块。在应用中，部署在监测区域内的大量传感器节点通过自组织的方式 构成网络，通过节点中的传感器来感知监测对象( 环境中的温度、气体、声波 等) 信息。通信方式选择上，低功耗的短距离无线通信技术最适合传感器网络 使用。无无线传感器网络在军事、环境科学、医疗健康和安全监测等领域具有 很高的应用价值。 3 硕士学位论文第一章绪论 由于具备广阔的应用前景，无线传感器网络越来越受到研究人员的重视。 在美国自然科学基金委员会的大力推动下，麻省理工学院、加州大学伯克利分 校、加州大学洛杉矶分校、康奈尔大学等院校都开始了无线传感器网络的 基础理论和关键技术的研究【_ 7 。日本、英国、意大利等国家的一些知名大学和研 究机构也纷纷进行着该领域的研究工作。 国内也掀起研究无线传感器网络的热潮，人们在无线传感器网络方面做了 大量的研究工作【8 】。国内的清华大学、电子科技大学、中科院计算所、哈尔滨 工业大学、北京邮电大学、南京理工大学、解放军理工大学等院校已在该领域 做了一定的研究工作，中科院计算所已经开发出拥有自主产权的 无线传感器网络节点，实现了无线定位等功能，取得了阶段成果。国内许多院 校及研究机构在基础理论研究和应用技术等方面取得了一定的成绩，在协议、 能耗、数据融合、系统结构设计等方面提出了一系列方案和算法， 但在基础理论研究上，还没有实现突破性的进展，主要集中在了解国外的 研究进展，提出新的研究问题，对国外某些经典协议、算法的研究与改进或者 新技术应用的提出等方面，工程应用尚处于初始阶段。当前的研究重心主要集 中在无线传感器网络技术以及通信协议的研究上，同时，也进行了一系列 感知数据查询处理技术的研究，在这些方面已取得了初步研究成果。 1 2 1 无线传感器网络的特点 和无线a dh o c 网络、m e s h 网络等以无线多跳的方式进行通信的网络相比， 无线传感器网络在网络组织形式、网络性能评价等诸多方面有着显著的特点【9 】： ( 1 ) 以数据为中心。无线传感器网络是以数据为中心的网络，网络的主要 功能是将传感器节点感知的数据准确地传递给基站。这和a dh o c 、m e s h 等以 节点为中心的传统有线网络有着显著的区别。其网络中的节点并不一定需要唯 一的标识号，节点通过数据属性以及应用请求为其产生的数据命名。传感器网络 中没有“端到端”的通信概念，而是以“多对一”或“一对多”的形式传递数据。 ( 2 ) 节点能力有限。由于成本有限，网络节点的数据处理能力和数据存储 能力受到制约，所以节点不适用非常复杂的网络协议。此外，由于节点电源一 般是由采用电池提供，因此能源使用也是有一定限度的，节点的低能耗优化设计 非常必要。 ( 3 ) 节点数量众多，拓扑结构复杂多变。实际应用中为保证将监测区域完 整覆盖，通常要大规模部署无线传感器节点，大量的节点数目产生了网络寻址和 节点地址分配的问题。网络中的节点通常没有唯一的标识号，而是依据不同的 数据属性来区分。同时，由于节点采用周期性的工作和休眠方式以及多种客观 4 硕士学位论文第一章绪论 因素的影响，使得网络的拓扑结构变化频繁。 ( 4 ) 冗余数据多，数据流量大。由于节点的部署规模大，节点工作时会产 生大量的冗余数据，造成网络的负担很大。节点采集的数据有时具有很大的相 关性，直接传输会浪费网络资源，这也促进了数据融合和汇聚技术的研究。 1 2 2 无线传感器网络的体系结构 网络体系结构由三部分组成：分层的网络通信协议、传感器网络管理以及 应用支撑技术，如图1 1 所示。 应用支撑技术 l 坌查查竺竺璺坌兰呈| 应用层匝圈 传输层 至圃 网络层 二口 嚣函匦囹 物理层匝圃圈 网络协议屡 无线传感器网络管理技术 图l l 无线传感器网络体系结构 无线传感器网络通常使用分层体系结构【i 。分层协议由物理层、数据链路 层、网络层、传输层和应用层组成，其中物理层既可以使用传统的红外线传输 技术也可以采用先进的无线射频传输技术，如正交频分复用( 0 f d m ) 、超宽带 ( u w b ) 、多输入多输出( m i m o ) 、码分多址( c d m a ) 技术等：数据链路层的 主要任务是确保物理层传输数据的准确度，提高系统频谱效率；网络层的功能 主要是拥塞控制、分组路由等；传输层主要用来提供可靠的额外开销合理的数 据传输服务；应用层用来提供具体的增值业务应用，同时提供节点定位和时间 同步功能。 1 2 3 无线传感器网路的关键技术 ( 1 ) 网络拓扑技术 在无线传感器网络中，网络拓扑控制是非常重要的。由于是自组织网络， 门恻h互门俐u 至司 门h u 硕士学位论文第一章绪论 所以组网算法直接决定了网络的拓扑结构，合理的网络结构可以节省网络总能 耗，提高数据传输效率，目前网络拓扑控制的研究重点主要集中在利用拓扑控 制优化网络节点分布、设计m a c 层协议和路由协议以及研究网络拓扑的白适应 性【l l 】。 ( 2 ) 数据融合技术 无线传感器网络节点通常需要大规模部署来实现网络功能、提高网络覆盖 度，但是同时也会带来数据冗余的问题。因此，研究数据融合处理技术以减少 冗余数据，优化网络数据传输已成为当前的一个热门的研究方向，在能量供给有 限的无线传感器网络中，数据融合处理技术的作用非常明显。此外，通过数据 融合处理，数据信息更加准确、可靠。不过数据融合技术对节点的硬件要求也比 较高，它需要节点拥有较高的数据处理能力以及较大的存储空间，此外，数据 采融合操作，也增大了无线网络的延时。 ( 3 ) 路由协议 路由协议是无线传感器网络中的一项重要技术，无线网络的数据传输是由 路由协议负责实现的，路由算法的优劣直接关系到整个网络的性能，由于无线传 感器网络是自组网络，且节点能量有限，传统的i n t e m e t 网络以及a dh o c 网络 路由协议并完全不适合无线传感器网络【1 2 】。无线传感器网络的路由协议有着自 己的特点：需有效解决节点能量有限的问题，根据应用环境“量身定做”，有一定 安全考虑。 ( 4 ) 时间同步技术 无线传感器网络是一个分布式自组织网络，时间同步问题，尤其是大规模 部署的节点的时间同步可能性问题是一项重要技术【l3 1 ，在一些需要使用 睡眠机制的无线传感器网络中，时间同步直接影响着睡眠机制的性能。这些都 是当前的研究热点。 。 1 2 4 无线传感器网络的框架平台 无线传感器网络节点硬件通常包括四部分，即数据采集模块、处理器模块、 无线通信模块和电源模块。如图1 2 所示。 6 硕士学位论文 第一章绪论 无 线 通 信 模 块 图1 2 无线传感器网络硬件节点结构框图 数据处理模块是无线传感器网络节点的核心，所有的数据计算、任务调度、 设备控制、功能协调、通信协议、数据融合及数据转储程序都由该模块完成实 现。处理器选型时，主要考虑以下功能指标【1 4 】：( 1 ) 功耗低，支持休眠模式。传 感器网络节点能量受限，一般靠电池供电，因此，功耗低才能提高系统工作周期， 系统处于空闲状态时，处理器要进入休眠状态，以节省能耗。( 2 ) 体积小。传感 器网络节点小，决定处理器的尺寸要小。( 3 ) 成本低。传感器网络节点一般需要 大规模部署，数量很大，处理器是节点中成本较大的核心部件，若成本过高，就 会加大其应用推广的难度。 无线通信模块的主要负责数据信息的发送和接收。物理层主要考虑通信速 率、通信频段、调制解调等问题，数据链路层主要提供流量控制、传输通信服 务。当前，无线传感器网络协议还没有确切的标准l i 引，很多科研机构还在地研 究新的m a c 协议，无线通信模块可以不提供m a c 层协议，只提供物理层的数 据收发功能，网络层和链路层协议都由自己定义。目前较为流行的是t i 公司的 c c 2 4 3 0 数据收发模块。 数据采集模块由传感器和a ，d 转换模块构成，不同的传感器可实现对不一目 标的监控，常见的传感器有温湿度、压力、声音、气体、光、磁、速度、加速 度传感器等，上述传感器中，有些成本低，体积小，比较适合无线传感器网络应 用，如温度、光、红外测距传感器等，有些传感器相对比较复杂，体积比较大， 成本较高，如速度、振动、压力传感器等，成本也比较高，不太适用于直接网络化 应用【1 6 】。 电源模块目前使用较多的是化学电池。也有新的能源开始应用，如太阳能电 池等，但是受环境的影响较大。 7 硕士学位论文 第一章绪论 1 2 5 无线传感器网络在铁路运输领域的应用 当前，铁路运输正朝着高速化、自动化等方向发展【1 7 】。这就产生了越来越 多的信息( 诸如故障诊断、状态控制等信息) ，并且要求这些信息在列车各车辆 之间互相传输与交换。如何实现把这些信息安全、快速、准确可靠的在整列列 车上传输，已成为研制列车过程中要面对的一个重要课题。为达到上述要求， 列车通信网络( t r a i nc o m m u i l i c a t i o nn e t 、o r k ，t c n ) 应运而生。建设列车通 信网络有效地确保了列车控制的安全和有效性。国外的高速列车，例如日本的 新干线、法国的t g v 、德国的i c e 等都装置有完整的通信网络。近几年来，随 着我国交流传动高速列车、电动车组、城市地铁车辆研究工作的开展，列车控 制技术已经从单台车辆控制逐向网络化控制方向发展i l 引。列车通信网络技术已 成为高速列车、动车的一项重要技术。越来越受到研究人员对其的重视和兴趣。 极具发展前景。 列车监控网络系统可分为两类：一类是针对客运列车，以传输旅客公共信 息、管理信息为主的管理信息网；另一类适用于客、货运列车，以传递列车状 态信息、控制信息为主的安全监测网。前者以大容量多媒体信息传输为主i l 引， 比较适合的网络类型是局域网。而后者是以传输列车设备监测信息和控制信息 为主，非常适合适用无线传感器网络技术。 目前，无线传感器网络技术在铁路运输领域已经有很多研究与应用1 2 圳，例 如用于铁路沿线冻土区地温监测无线传感器网络，采用温度传感器对冻土温度 进行监测，监测数据由无线传感器网络传入监控中心，与相关信息综合分析、 处理，为铁路冻土区安全运营和养护维修提供及时、有效、准确的监测数据，对 铁路长期运营、维修和养护提供科学依据；轨道客车空调效果测试系统，用于 测试列车环境控制系统在装车后与车辆耦合效果( 风道和空调机组的 匹配特性、车辆内舒适性、风口形式与均匀送风特性、车辆内空气的温度场和 速度场等) ，通过建立车辆内多点温度和速度测试无线传感器实时检测网络，以 获取准确、可靠的测量数据。此外，还有用于磁浮列车间隙传感器的无线在线 检测等应用。以后，无线传感器网络一定会在铁路运输领域发挥重要的作用。 1 3 基于无线传感器网络的货运列车状态监测系统 货运列车状态监测是一类典型的无线传感器网络应用，国外已经有许多文 献对无线传感器网络在环境监测方面的应用有较为深入的研究。通过使用大量 互连的微型传感器节点构成传感器网络，相关人员可以对在途列车状态进行实 时监测。与传统的列车状态监测手段相比，使用无线传感器网络进行列车状态 8 硕士学位论文第一章绪论 监测具有许多明显的优势。 1 无线传感器网络的节点数目巨大，部署密度大，安装在每节车辆设备上， 负责该车辆的状态监测数据采集、预处理和传输数据信息，每个节点可以监测 到各节车辆状态的详细信息并汇总到基站，因此传感器网络具有数据采集量大， 精度高的特点。 2 传感器节点的体积小，整个网络仅需部署一次，无线传感器网络的产生 为随机性的数据采集提供了便利，而且还可以消除传统数据收集方式给列车带 来的侵入式破坏( 如测力轮) 。因此部署无线传感器网络节点对监控对象的影 响很小。且不受任何时间、地点、地段的限制。无线传感器网络可以实现网络 自组、重组、独立作业等功能，很好地适应铁路货运列车的特点货车车辆 的频繁的解列编组。 3 无线传感器网络通常布局的较为密集，监测区域内散布着大量传感器， 可以通过建立基于无线传感器网络的路由协议，当一个节点出现故障时，不会 对整个网络产生较大影响，因此系统的可靠性高。实现监测数据的及时、安全、 可靠传输。 4 无线传感器网络节点具有一定的数据处理能力和存储能力，可以依据具 体的应用环境进行较为复杂的监控。通过增大电池容量、提高电池使用效率以 及各硬件模块采用低功耗设计和能量优化的无线路由协议可以有效地提高无线 传感器网络的工作周期。非常有助于无线传感器网络的推广应用。节点的数据 处理能力以及无线通信能力可以实现无线传感器网络能够根据监测环境和对象 的改变重新编程、部署，对网络控制指令做出及时反应，所以无线传感器网络 适用于多种监测应用。 1 4 论文组织结构 本文章节组织结构如下： 第一章，介绍了本论文的研究背景，对重载货运列车状态监测研究应用现状 进行了详细分析，对无线传感器网络体系结构、关键技术、框架平台以及其在铁 路运输行业的应用现状进行了总体概述；明确了本文的工作内容以及章节结构。 第二章，对基于z i g b e e 技术的无线传感器网络进行介绍和分析，首先介绍 了z i g b e e 的网络架构，包括z i 班e e 网络协议结构，网络设备与拓扑结构，组网 技术。接着依据z i g b e e 网络的特点对z i g b e e 技术应用在货运列车状态监测中的 可行性进行论证。 第三章，详细介绍了本课题的应用平台，首先介绍了系统总体结构以及功能 实现。接着对网络节点的硬件设计进行了详细介绍，包括各硬件模块的设计方案。 9 硕士学位论文第一章绪论 随后介绍了系统的软件开发平台，包括网络节点嵌入式操作系统软件及无线通信 模块c c 2 4 3 0 中协议栈的设计方法。 第四章，提出了一种基于链状网络的能量高效路由算法，首先对无线传感器 路由协议进行了介绍和分析，依据第三章介绍的应用平台，对分簇路由算法以及 链状路由算法进行了研究和分析，随后依据无线电信号传输能耗模型对链状网络 单跳与多跳传输路径进行能耗分析，提出了一种链状网络能量高效的分簇路由算 法，最后利用仿真软件对算法进行了仿真实验。 第五章，总结了论文的工作内容，并展望了未来的研究方向。 1 0 硕士学位论文 第二章基于z i g b e e 技术的无线传感器网络 第二章基于z i g b e e 技术的无线传感器网络 z i g b e e 是一种新兴的短距离、低功耗、低速率的无线组网通信技术【2 l 】，主 要用于近距离无线通信。它有属于自己的无线电标准，用于协调数以千计的微 小传感器间的相互通信。这些传感器可以采用中继多跳的方式通过无线电波把 数据信息从一个传感器传递到另一个传感器，功耗很低，但是效率非常高。 z i g b e e 是以标准为基础，i e e e8 0 2 1 5 4 是i e e e 无线个人区域网工作组的一 项标准，是一种低成本、高效率、低数据速率、工作在2 4g h z 和8 6 8 9 2 8m h z 的 无线技术1 2 2 j ，多用于个人区域网和对等网络。它是z i g b e e 网络层和应用层协议 的基础。也被称作i e e e8 0 2 1 5 4 ( z i g b e e ) 技术标准。 z i g b e e 不仅只是8 0 2 1 5 4 的代名词。而且i e e e 仅处理低级m a c 层和物理 层协议，因此z i g b e e 联盟对其网络层协议和a p i 进行了标准化。此外，z i g b e e 联 盟还开发了安全层。 2 1z i g b e e 网络基本架构 2 1 1z i g b e e 网络协议架构 i e e e8 0 2 1 5 4 标准定义了z i g b e e 的媒体访问控制( m a c ) 和物理层( p h y ) ； z i g b e e 联盟则定义了z i g b e e 协议的应用层( a p l ) 、网络层( n w k ) 和安全服务规 范。图2 1 是z i g b e e 协议栈的层次结构。 竺望兰! 卜一 ! 生墨兰 应用程序接口卜一 网络层卜_ 一 z i g b e e 联盟定义 数据链路层卜_ 一 媒体接入层卜一 图2 - lz i 妒e e 协议栈层次结构 l l 硕士学位论文 第二章基于z i g b e e 技术的无线传感器网络 图2 2z i g b e e 协议栈总体框架结构 z i g b e e 协议栈的整体结构由一组子层构成【2 4 】。每个子层都为其上层提供特 定的服务，即一个数据实体提供有关数据传输服务，而另一个管理实体则提供 其他所有的服务。每个服务实体都是借助一个服务接入点( s a p ) 来为其上层提供 特定的服务接口，并且每个s a p 提供了一系列基本服务指令来完成相应的功能。 虽然z i g b e e 协议栈的层次结构是基于标准的七层开放式系统互联( o s i ) 模型， 但它只是定义了与z i g b e e 相关的层。i e e e8 0 2 1 5 4 标准定义了底层的媒体接入 层和物理层。z i g b e e 联盟则对应用层( a p l ) 和网络层的框架进行了设计。其中应 用层的框架包括了z i g b e e 设备对象( z d o ) 、应用支持子层( a p s ) 和由制造商制订 的应用对象。相比常见的无线通信标准，z i g b e e 协议栈简洁、紧凑，实现起来 1 2 硕士学位论文 第二章基于z i g b e e 技术的无线传感器网络 比较简单。图2 2 给出了z i g b e e 协议栈的总体框架结构。 2 1 2z i g b e e 网络设备与拓扑结构 ( 1 ) z i g b e e 网络设备 。 z i g b e e 网络是一种可扩展的、自恢复、自组织的无线网络，能对多种数据 传输模式进行管理。为了节约成本，z i g b e e 网络依照i e e e8 0 2 1 5 4 标准，定义 了两种不同的设备类型【2 5 】，包括：全功能设备( f u uf u c t i o nd e v i c e ，f f d ) 和简 化功能设备( r e d u c e df u c t i o nd e v i c e ，r f d ) 。表2 1 所示为这两种设备的功能描 述。 r 表2 1z i g b e e 设备的功能描述 。 龟 简化功能设备 星形网络 ( r f d ) r f d 内存小、功耗低，在网络中作 为源节点，只发送与接收信号并不 起转发或路由器的作甩r f d 不能 作为协调器，只能和全功能设备通 讯，消耗的资源和存储开销极少。 在z i g b e e 网络中，每一个节点都具备一个微控制器、一个无线电收发器、 和一个电源模块。这些模块只有相互之间协调工作，才能保证数据信息在网络内 进行可靠地传输。而在一个网络中，网络协调器只需要一个，其它的终端设备 既可以是r f d ，也可以是f f d 。r f d 的成本比f f d 低很多，且其对系统资源的 占有量非常小。z i g b e e 网络中的r f d 和f f d 都是由微控制器来控制。微控制器 通过队列串行外设接口与连接z i g b e e 收发器。i h d 通常是由比较简单的微控制 器来控制，而对于f f d ，由于其结构相对复杂，在网络的作用比较重要，所以 其控制器一般是中高端的微控制器。 依据i e e e8 0 2 1 5 4 标准，z i g b e e 网络把这两种设备按逻辑划分成三类1 2 6 】： z i g b e e 路由器、z i g b e e 协调器、z i g b e e 终端设备。 硕士学位论文 第二章基于z i g b e e 技术的无线传感器网络 1 、z i g b e e 协调器的结构和功能在三类设备中是最复杂。它的计算能力最强、 存储容量也最大，因此必须是全功能设备f f d ，在一个z i g b e e 网络中只能有一 个协调器。z i g b e e 协调器负责发送网络信标，建立和初始化z i g b e e 网络，确定 1 6 位网络地址的分配以及网络工作的信道等。 2 、z i g b e e 路由器是一个全功能设备f f d 。它和i e e e8 0 2 1 5 4 定义的相类 似。在接入网络后协调器会自动获得一个1 6 位网络地址，并允许在它通信范围 内的其他节点加入或者离开网络，同时还具备路由和转发数据的功能。 3 、z i g b e e 终端设备既可以是全功能设备f f d ，也可以是简化功能设备i u d 构成。它既可以与其父节点进行通信，并从父节点处获取短地址和网络标识符 等信息。 ( 2 ) z i g b e e 网络拓扑结构 z 迢b e e 网络层支持多种拓扑结构【2 7 1 ，星型、树型、网状、对等网络等网 络类型的配置，图2 3 所示为拓扑结构图。 c l z i g b e ec o o r d i n a t o r oz i g b e er o u t e r z i g b e ee n d d r i v e r 图2 3z i g b e e 网络拓扑结构图 星型网络是由一个z i g b e e 协调器节点和一个或多个z i g b e e 终端节点构成。 z i g b e e 协调器节点必须是f f d ，作为网络的核心，它负责建立并维护整个网络， 其它的节点通常是i 强d ，也可以是f f d ，分布在z i g b e e 协调器节点可覆盖范围 之内，可直接同z i g b e e 协调器节点进行通信。 网状网通常是由若干个f f d 连接在一起组成的骨干网。它们之间地位相等， 是完全的对等通信，网络中每个节点都可以和在其的无线通信范围内的其它节 点进行通信，网络中会有一个节点会被推选为z i g b e e 的协调器节点，例如，可 以将在信道中第一个通信的节点作为z i g b e e 协调器节点。骨干网中的节点还可 以跟若干f f d 或r f d 连接构建一个以自身为协调器节点的子网。m e s h 网络就 1 4 硕士学位论文 第二章基于z i g b e e 技术的无线传感器网络 是一种高可靠性网络，它具备自恢复的能力，它可以提供多条路径来传输数据 包，如果某一条路径出现故障，还会有另一条或多条路径可供选择。但也正是由 于节点之间存在的多条路径，使该网络成为了一种冗余度较高的通讯网络。 簇一树状网结构中，节点可以采用c l u s t e r - t r e e 路由来传输控制信息和数据信 息。枝干末端的节点通常为l 疆d 。每一个在它的覆盖范围中充当协调器节点的 f f d 向跟它相连接的节点提供同步服务，而这些协调器节点又要受z i g b e e 协调 器节点的控制。z i g b e e 协调器节点相比于网络中的其它协调节点，其处理能力 更强，存储空间更大。簇一树状网的一个较为显著优点就是它的网络覆盖范围非 常大，但随着网络覆盖范围的不断增大，数据传输延时也会相应增大，从而使 同步变得越来越复杂。 2 1 3z i g b e e 组网技术 2 1 3 1 地址分配算法 z i g b e e 底层地址分配算法基于树型拓扑2 引。从网络层来看，有三种节点设 备类型，分别是网络协调器节点，路由节点和终端节点。当节点设备加入网络 时，会被分配一个1 6 b i t 的网络地址。终端节点设备将收到一个单独地址。 路由节点将收到一个地址范围。该地址范围包含着该路由节点所有可能的 后代节点，用于地址分配的算法叫做c s k i p 算法f 2 9 】。 c s k i p 是用来计算网络中任一分支下所有可能节点总数目的方法。该算法 有四个参数： r 。任一父节点拥有的路由子节点总数； c 卅任一父节点拥有的子节点总数； d 设备实际深度； 。网络最大深度； 最大终端设备节点数= 最大子节点数一最大路由节点数= c 卅一如。 c s l ( i p 的定义式如下： d 坳( d ) = 1 + c 卅( 厶一d 一1 ) ，当心为l 时； ( 2 一1 ) c s k i p ( d ) = ( 1 + c 。- r 坍一c 。r 箸一_ 1 ) ( 1 一r 。) ，当心不为l 时。( 2 - 2 ) 一个深度为d 的父节点的第n 个路由子节点的地址计算公式如下： k = 彳删+ c f 却( d ) ，z + 1 ( 2 3 ) 硕士学位论文第二章基于z i g b c e 技术的无线传感器网络 一个深度为d 的父节点的第n 个终端子节点的地址计算公式如下： 彳函，耐。= 彳朋钥，+ c 譬而p ( d ) 如+ 甩 ( 2 - 4 ) 在簇树状网里，潜在总数计算公式如下： o = d 坳( o ) 如+ ( q 一心) + 1( 2 5 ) 用于网络短地址是由1 6 b i t 的数字组成，所以z i g b e e 网络允许的最大节点数 目是6 5 5 3 5 ( 即2 1 6 ) ，0 x f f f f 作为系统保留的广播地址使用。对于网络来说， 用完了所有分配的地址，但并不是所有地址都被实际设备所使用的情况也有可 能出现。这是因为一个新设备要求的网络地址超出了其父节点可用的网络地址 范围，但是要求的地址在其他父节点地址范围内。设置不合理的如，c 卅，乙的 参数值会导致网络内节点数目超过6 5 5 3 5 个节点数目限制。 2 1 3 2 列车车辆之间网络地址的分配算法 在货运列车车辆间通信网络中，每节车辆既可视为一个网络协调器节点，也 可以视为终端节点。 每个网络节点均可自由加入和退出网络( 货运列车频解列编组) 。在该网络 拓扑中，各终端节点在加入网络时都会被分配一个由1 6 b i t 数字组成的短地址， 来区别各节点；当节点退出网络时，分配给它的地址将会清零。因此，该网络允 许加入的节点最大数目是6 5 5 3 5 ( 即2 1 6 ) ，完全可以满足货运列车车辆间通信网 络的需求。 2 2z i g b e e 网络的特性 z i g b e e 的特点包括以下几点【3 0 】： ( 1 ) 低功耗 由于z i g b e e 的传输速率低，发射功率仅有l m w ，而且空闲时采用休眠模式， 因此功耗非常低，据估算，一般情况下，z i g b e e 设备仅靠普通干电池就可持续 工作l 2 年左右的时间，这对于其它无线设备来说是很难超越的。 ( 2 ) 低成本 z i g b e e 模块的初始成本在6 美元左右，并且z i g b e e 协议是可以免费使用的。 低成本是z i g b e e 的显著优势。 ( 3 ) 时延短 通信时延以及激活休眠状态所需时延都非常短，搜索设备时延为3 0 m s 左右， 1 6 硕士学位论文 第二章基于z i g b e e 技术的无线传感器网络 激活休眠状态的时延是1 5 m s ，活动设备信道接入的时延为1 5 m s 。因此z i g b e e 技 术适用于对时延要求较高的无线通信应用。 ( 4 ) 网络容量大 一个星型结构的z i g b e e 网络最多可以容纳一个主设备和2 5 4 个从设备，而 且组网形式灵活。采用网型结构最多可扩展到6 5 0 0 0 个节点网络。 ( 5 ) 可靠 采用了碰撞避免策略，同时为需要固