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车载无源无线传感器网络的设计与实现
| 论文题名： | 车载无源无线传感器网络的设计与实现 |
| 关键词： | 列车设备;无线传感器网;网络设计;能量收集 |
| 摘要： | 对轨道交通车辆核心部件进行检修是保证列车运行安全的重要措施。无线传感器网络功耗低、可靠性高、灵活性强的特点使其在车辆健康监测领域有着广泛的应用。但是目前多数无线传感器网络节点完全依赖外部电池供电，存在电池储能有限，更换电池成本高，废旧电池污染环境等问题。利用能量收集技术设计无源无线传感器节点是一种有效的解决方案。现有多数无源无线传感器网络节点主要存在能量收集速率缓慢、能量转化率低、输出功率小等问题。这些问题导致节点能量有限且不稳定。此外，车厢中节点分布呈大跨度的长线型，节点通过多跳路由的方式组网将增加转发节点的能耗，加剧能耗分布不均的问题。这将导致部分无源节点负载过重，从而引发网络的瘫痪，严重影响网络的传输效率和稳定性。 针对上述问题，结合轨道交通车辆应用场景，本文设计了一种基于振动能量收集装置的车载无源无线传感器网络节点，并提出了一种适用于无源无线传感器节点的分布式低功耗网络通信方案。 轨道交通车辆应用场景下振动能源分布广泛且较稳定。故本文采用基于电磁式振动能量采集器，设计了能够支持无线射频收发的异步能量收集电路，减小了振动频率等因素对设备性能的影响，提升了能量收集的速率，为传感器节点提供了稳定的电源。 在通信方案设计方面，本文首先针对节点分布广泛、组网困难的问题，设计了基于互相独立的分布式子网的网络架构。子网采用简单的星型拓扑结构，实现了内部资源的统一管理，提升系统整体能量利用率。其次，针对节点能量受限的问题，本文采用了可控性更高、实时性更好的TDMA传输协议。再次，论文为车载无源传感器网络设计了网络超帧、时隙调度与数据报文，为节点任务设置不同的启动频率以进一步降低节点功耗。同时，本文针对节点启动时间随机、节点能耗不均的问题，设计了中心节点动态选取算法。 论文最后对基于振动能量收集的无源无线传感器节点进行了功能性测试。通过对节点进行组网测试，验证了车载无源无线传感器网络的基本功能。实验结果表明本文设计的车载无源无线传感器网络达成设计目标。 |
| 作者： | 羊威 |
| 专业： | 通信与信息系统 |
| 导师： | 高德云 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 北京交通大学 |
| 学位年度： | 2018 |
| 正文语种： | 中文 |
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