研讨传感分布式钢轨应力无线监测系统硬件

论文导读：
摘要：近年来,我国高速铁路客运专线建设迅猛进展,为我国的经济建设作出了重大贡献。但与此同时,高速列车的安全运转备受关注。无缝钢轨起着列车导向和承载的意义,监测无缝钢轨的健康情况已成为当务之急。本论文针对无缝钢轨安全监测的迫切需求和现实作用,开展了分布式钢轨应力无线监测体系的探讨。文章主要以无线监测体系的硬件设计进行了阐述,分别以传感节点、网关从及供电案例设计三方面进行了详细说明。传感节点作为钢轨应变和温度数据的采集装置,其性能直接影响到采集数据的准确性和稳定性。设计时采取了单元模块化思路,由供电单元、采集单元和通信单元组成,并通过两侧插针连接实现彼此间通讯。供电单元为其他两个单元提供高效、稳定、低纹波电压输出的电源。采集单元负责将应变电阻的微弱变化经惠斯通电桥改变成电压信号,经过放大、滤波处理后进入16位A/D转换成数字信号,通过SPI方式传送至MSP430F149微制约器。同时,多路温度传感器DS18B20将采集到的轨温、盒温和节点温度从单总线模式传输到微制约器。处理后的数据经串口发送到通信单元,最后通过Zigbee无线传输模式发送至附近网关。网关包括嵌入式处理器选型、协调器设计、3G模块和G短信开关功能设计。处理器负责数据计算、协议转换与各通信模块的数据交互。协调器采取Zigbee模块的Coordinator方式作为数据接收核心部分,并对其电路进行了可靠性设计,为获取准确时间和地理位置信息,电路中采取了u-blox公司生产的GPS模块设计。为能远程操控网关的供电,设计中采取了G短信开关,并且3G模块的引入,使得网关与监控端服务器建立远程关系。供电采取太阳能电池板和蓄电池案例,根据节点和网关各自耗电量,同时考虑连续利用5-7天选择蓄电池容量,太阳能电池板功耗大小兼顾连续阴雨天气和电池容量。为保护蓄电池,设计中引入充放电制约器来防止电池过充和过放。此外,防雷器的设计保护了设备免遭雷击的损害。最后通过实验室测试和高速铁路现场长期考验,验证了分布式钢轨应力监测体系运转可靠,可从实现对无缝钢轨健康情况的长期实时监测。关键词：无线监测体系论文传感节点论文网关论文太阳能供电论文Zigbee网络论文
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Abstract6-10
1 绪仑10-17

1.1 课题背景极为探讨作用10-11

1.2 国内外进展及探讨近况11-15

1.2.1 观测桩法11-12

1.2.2 超声波法12-13

1.2.3 光纤应变检测法13

1.2.4 应变电测法13-15

1.3 本论文主要探讨内容15-17

2 无线监测体系传感节点设计17-39

2.1 传感节点硬件总体架构17-18

2.2 供电单元设计18-24

2.1 电路设计19-23

2.2 供电PCB板设计23-24

2.3 采集单元设计24-35

2.3.1 应变信号调理转换电路24-29

2.3.2 单总线多路温度采集电路29-31

2.3.3 微制约器极为电路31-35

2.4 通信单元设计35-38

2.4.1 Zigbee与其他短距离无线通信技术的对比36-37

2.4.2 Zigbee通信模块接口电路37-38

2.5 本章小结38-39

3 无线监测体系网关设计39-52

3.1 网关设计要求39

3.2 网关总体案例设计39-40

3.3 嵌入式处理器选型40-41

3.4 网关协调器设计41-49

3.4.1 Zigbee协调器模块电路设计42-45

3.4.2 GPS模块电路设计45-46

3.4.3 实验测试GPS模块46-49

3.5 3G模块选型49-50

3.6 G短信开关50-51

3.7 本章小结51-52

4 无线监测体系供电案例设计52-60

4.1 体系供电案例设计要求52

4.2 供电案例组成部分52-59

4.

2.1 太阳能供电案例的整体架构52-53

4.

2.2 蓄电池的选型53-55

4.

2.3 太阳能电池板的选型55-56

4.

2.4 充放电制约器56-57

4.

2.5 电源防雷器设计57-59

4.3 本章小结59-60
5 无线监测体系性能测试60-75

5.1 节点性能测试及实验结果6论文导读：80-81致谢81-82上一页12

0-69
5.

1.1 多路温度测量60-62

5.

1.2 传感节点的标定和清零62-66

5.

1.3 传感节点温漂实验66-68

5.

1.4 传感节点时漂实验68-69

5.2 网关性能测试69-73
5.

2.1 节点与网关组网测试69-71

5.

2.2 通讯距离测试71-73

5.3 某城际高速铁路现场测试73-74

5.4 本章小结74-75

结论75-77
参考文献77-80
攻读硕士学位期间发表学术论文状况80-81
致谢81-82