1引言

1.1選題背景及研究意義
現(xiàn)今的鐵路控制系統(tǒng)，列車指揮和行車控制系統(tǒng)等系統(tǒng)的設(shè)備大量使用了微電子控制，為了不對這些系統(tǒng)造成干擾，就要消除室內(nèi)及鐵路沿線各電氣設(shè)備與接地極的電位差，以保證電氣系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運行；同時，為減少雷電對控制設(shè)備的影響，使大量的雷擊電流在侵入控制設(shè)備前就能被迅速有效地釋放。綜合貫通地線的出現(xiàn)解決了上述問題，它是一種將鐵路系統(tǒng)上電氣設(shè)備統(tǒng)一接地的電纜，使得在很大范圍內(nèi)的鐵路電氣設(shè)備的接地電位保持一致，消除了由接地電位差引起的不平衡電流，快速消除了各種電磁干擾，并且迅速釋放了雷擊電流，實現(xiàn)了對人員及設(shè)備的安全的有效防護。在鐵路上使用綜合貫通地線己經(jīng)得到了鐵路電務(wù)同行的廣泛認可[1]。
綜合貫通地線內(nèi)部的芯線為銅質(zhì)材料，由于其價格昂貴，而且貫通地線在一般情況下帶電很小，一些不法分子利用此點想盡辦法從電纜溝里將貫通地線抽出或割斷。尤其在鐵路沿線的橋粱及隨道區(qū)段，綜合貫通地線無法埋地鋪設(shè)，使得上述現(xiàn)象頻繁發(fā)生。失去綜合貫通地線會對列車的行車安全造成極大的威脅，因為鐵路上所有電氣設(shè)備都是連接到綜合貫通地線上，一旦被抽出或割斷就會失去其所有的防護功能。有分析表明，如果某一區(qū)段的綜合貫通地線被割斷，則原本應(yīng)該流過貫通地線的電流會先經(jīng)過電纜再流向貫通地線，導(dǎo)致了該區(qū)段中因電纜電流過大而燒毀。為了防止上述危險的情況發(fā)生，就需要在鋪設(shè)貫通地線時同時安裝監(jiān)測裝置并設(shè)計有效的貫通地線監(jiān)測方案，使得一旦貫通地線被盜，相關(guān)人員能在第一時間趕往現(xiàn)場對被盜處進行重連，以保證列車的行車安全。
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1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
由于我國國情的特殊性，鐵路綜合貫通地線被盜的現(xiàn)象在我國較為常見，但是針對該問題的研究卻很少。所以這里綜合了國內(nèi)外的電力行業(yè)對電纜的監(jiān)測及對貫通地線的監(jiān)測防盜所做的研宄，其中幾個比較有代表性的研宄成果如下：
(1)電壓電流檢測法
通過監(jiān)測電纜中流過的電流和電壓來判斷該電纜是否處于正常工作的狀態(tài)，如果監(jiān)測的數(shù)據(jù)顯示電纜上有電壓但是沒有電流，就可以判斷被監(jiān)測的電纜發(fā)生了損壞或被盜的情況[2]。
對于貫通地線的監(jiān)測，本方法的弊端在于其只適合監(jiān)測長期通電的電纜，而鐵路綜合貫通地線是多點接地的，其上的電壓及流過的電流與接入它的電氣設(shè)備的工作情況和列車的運行情況有關(guān)，所以電壓電流檢測法不能直接應(yīng)用于對貫通地線的監(jiān)測。
(2)電容探測法
利用一對空置電纜，將其終端短路，始端接入一諧振振蕩器。在這對空置電纜未受到損壞時，不會引起諧振振蕩器的振動。而當(dāng)這對空置電纜被截斷時，該對電纜就成為了電容量大小與截斷位置有關(guān)的電容，此時諧振振蕩器輸出信號的頻率與其電容量大小相關(guān)。利用輸出信號的頻率和電容量大小的關(guān)系進行計算，就可以相對準(zhǔn)確地得到空置電纜被截斷的位置[2]。這種方法的弊端在于需要添加一對額外的空置電纜，增加了成本上的負擔(dān)。并且現(xiàn)有的鐵路綜合貫通地線一般只有一根銅芯線，再無額外的空置電纜，實現(xiàn)起來也有很大難度，所以此方法也不能直接應(yīng)用于對貫通地線的監(jiān)測。
(3)電流傳感器配合
GSM短消息的監(jiān)測方案該方法是在不接觸綜合貫通地線的情況下，將監(jiān)測裝置上的無源電流傳感器環(huán)套在貫通地線上，傳感器上的感應(yīng)電流大小隨貫通地線上流過的電流的變化而變化。將感應(yīng)電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，再通過A/D轉(zhuǎn)換器變成數(shù)字信號輸入到監(jiān)測裝置的微處理器中。微處理器經(jīng)過運算將輸入的信號還原為真實的貫通地線電流大小數(shù)據(jù)，并通過GSM短消息將監(jiān)測數(shù)據(jù)及時發(fā)送到遠程監(jiān)控微機。這種監(jiān)測裝置在貫通地線沿線多點鋪設(shè)，這樣若只有某一監(jiān)測點發(fā)來的數(shù)據(jù)為0，而其他監(jiān)測點正常時，即可判斷該點處貫通地線出現(xiàn)了損壞或盜竊[3]。
該方案是專門針對貫通地線監(jiān)測而提出的，基本實現(xiàn)了對貫通地線狀態(tài)的有效監(jiān)測。不過該方案實際應(yīng)用起來依然有著一定的弊端，比如GSM模塊的耗電量較大，若沒有有效的功耗管理就需要頻繁地為設(shè)備更換電源，極大浪費人力；再者一些遠離基站的鐵路沿線或險道內(nèi)并沒有GSM網(wǎng)絡(luò)的覆蓋或信號微弱，在這樣的條件下監(jiān)測數(shù)據(jù)能否有效且及時地發(fā)送到遠程監(jiān)控微機就成了問題。
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2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)性能主要為穩(wěn)定性高，發(fā)送延遲低，接入延遲低，吞吐量高等等，而其中最為關(guān)鍵的性能為低功耗。由于無限傳感器節(jié)點設(shè)備的工作環(huán)境較為惡劣、更換電源比較困難，所以最大限度降低它的功耗就顯得非常關(guān)鍵。另外，由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)沒有統(tǒng)一的控制中心，節(jié)點設(shè)備也都是分布式工作的，因此無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能主要取決于各節(jié)點設(shè)備的性能。但是由于節(jié)點設(shè)備易受周圍環(huán)境影響，再加上對功耗嚴格的限制，這些特性也給無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳輸協(xié)議設(shè)計帶來了諸多挑戰(zhàn)。

2.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述
近些年來，無線傳感器和無線通信的技術(shù)突飛猛進，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也隨之迅速發(fā)展，現(xiàn)在的很多企業(yè)和科研機構(gòu)都會使用一些成本很低的傳感器來做監(jiān)測并取得需要的數(shù)據(jù)信息，進而進行更深入的研究和預(yù)測。通過這樣的方式可以避免由于人們親身去獲取數(shù)據(jù)所帶來的危險。當(dāng)然，人們使用無線傳感網(wǎng)絡(luò)的時也需要考慮它自身的一些限制，比如有限的能量資源供應(yīng)，有限的信道資源等等。下面就對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)特點及協(xié)議特點進行介紹。
2.1.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)特點
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由許多個傳感器節(jié)點設(shè)備組成的監(jiān)測區(qū)域、負責(zé)收集并處理數(shù)據(jù)的中心節(jié)點設(shè)備以及后臺與之相關(guān)的處理部分組成，它們協(xié)同工作，共同完成對網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測和對數(shù)據(jù)的收集等任務(wù)。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點設(shè)備用來收集監(jiān)測的數(shù)據(jù)信息，然后把信息發(fā)送給中心節(jié)點設(shè)備，最后中心節(jié)點通過因特網(wǎng)將收集的數(shù)據(jù)發(fā)送給遠程微機。
節(jié)點設(shè)備是無線傳感網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵組成部分，它要負責(zé)完成所有的數(shù)據(jù)監(jiān)測和采集，如果節(jié)點設(shè)備失效，嚴重時可能會造成整個網(wǎng)絡(luò)的崩潰。節(jié)點設(shè)備是一個包括傳感器、微處理器和功耗管理模塊的嵌入式系統(tǒng)設(shè)備。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)最大的特點就是監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的節(jié)點數(shù)量巨大，這也就要求了節(jié)點設(shè)備的成本要相對較低。所以，節(jié)點設(shè)備的運算能力、通信能力和數(shù)據(jù)儲存能力也相應(yīng)較低。一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)就是由許多這樣的節(jié)點設(shè)備組成，因此相較其它的無線通信網(wǎng)絡(luò)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有著自身的一些特點，如節(jié)點設(shè)備數(shù)量巨大、功耗被限制較低、網(wǎng)絡(luò)拓撲方式變化靈活，并且網(wǎng)絡(luò)是由自組織方式構(gòu)成的，可以自主配置和自主維護[4]。
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2.2IEEE802.15.4/ZigBee 協(xié)議概述
IEEE802.15.4/ZigBee是一個新興的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)在已經(jīng)在各種實際需求中有了廣泛的應(yīng)用。它主要的特點是傳輸距離短，傳輸速率低。IEEE802.15.4/ZigBee技術(shù)的基礎(chǔ)是ffiEE802.15.4部分，正EE802.15.4處理的是物理層協(xié)議和MAC層協(xié)議。后來ZigBee聯(lián)盟成立，ZigBee聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)化了協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)層和API，同時還開發(fā)了協(xié)議的安全層。IEEE802.15.4/ZigBee協(xié)議具有簡潔緊湊、功能實現(xiàn)簡單的優(yōu)點，因此在許多行業(yè)都得到了廣泛應(yīng)用。完整的ffiEE802.15.4/ZigBee協(xié)議模型如圖2-2所示。

圖2-2 IEEE802.15.4/ZigBee協(xié)議模型示意圖
Figure 2-2 The System Structure of IEEE802.15.4/ZigBee Protocol
由圖 2-2 可知，IEEE802.15.4/ZigBee 協(xié)議是由 ffiEE802.15.4 小組和 ZigBee 聯(lián)盟兩個組織共同制定完成的協(xié)議規(guī)范-其中IEEE802.15.4小組主要負責(zé)制定MAC層和物理層標(biāo)準(zhǔn)，而ZigBee聯(lián)盟則負責(zé)制定網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層和安全層等標(biāo)準(zhǔn)。下面就對物理層、MAC層、網(wǎng)絡(luò)層以及應(yīng)用層的功能進行簡單介紹。
2.2.1 物理層（PHY)
2.2.1.1物理層概述
物理層（PHY)定義了無線信道的接口，為物理層的數(shù)據(jù)和管理提供了相關(guān)服務(wù)。物理層（PHY)的數(shù)據(jù)服務(wù)主要負責(zé)在無線信道上對數(shù)據(jù)的收發(fā)，物理層(PHY)的管理服務(wù)主要負責(zé)對一個由物理層的有關(guān)數(shù)據(jù)構(gòu)成的數(shù)據(jù)庫進行維護。
物理層的數(shù)據(jù)服務(wù)功能包括以下五個方面：
(1)激活和休眠射頻收發(fā)機；
(2)檢測信道能量；
(3)檢測接收到數(shù)據(jù)的鏈路質(zhì)量指示；(4)對空閑信道的評估；(5)無線收發(fā)數(shù)據(jù)。
(4)對信道能量的檢測為網(wǎng)絡(luò)層提供了選擇信道的依據(jù)。它主要是對目標(biāo)信道中的信號功率強度進行測量，由于能量檢測不具備解碼功能，所以檢測的結(jié)果是同時包含信號和噪聲功率的總功率。
對空閑信道的評估是用來判斷信道是否處于空閑狀態(tài)。IEEE802.15.4規(guī)范定義了三種空閑信道的評估方式：第一種是判斷信道的信號能量大小，當(dāng)信號能量大小低于某一設(shè)定的限值就會認為該信道空閑；第二種是判斷信道中無線信號的兩方面特征，即載波頻率和擴頻信號的特征；第三種是對前兩種方式的綜合，同時對信號強度大小和特征進行檢測，來判斷信道是否空閑。
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2.2.1.2物理層載波調(diào)制和DSSS技術(shù)
物理層定義了兩個標(biāo)準(zhǔn)和三個載波頻段用于無線收發(fā)數(shù)據(jù)，三個頻段分別為868MHz、915MHz和2.4GHz。這三個載波頻段共提供了 27個信道：其中868MHz頻段有1個信道，915MHz頻段有10個信道，2.4GHz頻段有16個信道。具體的頻率和信道分配示意圖如圖2-3所示。

圖2-3頻率和信道分配示意圖
Figure 2-3 Distribution Channel and Frequency
物理層三個載波頻段都使用了直接序列擴頻(DSSS)技術(shù)，物理層數(shù)據(jù)包格式也都相同，而其區(qū)別在于傳輸速率、調(diào)制方式和頻碼片速率的不同。詳細見下表 2-1:

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3 基于IEEE802.15.4/ZigBee協(xié)議的多信道MAC方案設(shè)計......................12
3.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議概述..............................12
3.1.1無線傳感器MAC協(xié)議的分類.........................................12
3.1.2無線傳感器MAC協(xié)議所面臨的問題..............................13
3.2IEEE802.15.4/ZigBee 協(xié)議的接入機制.................................14
3.2.1時隙CSMA/CA機制介紹....................................14
3.2.2非時隙CSMA/CA機制介紹...................................16
3.3 隱藏終端和暴露終端.................................18
3.3.1 隱藏終端.............................18
3.3.2暴露終端...........................19
3.4 基于IEEE802.15.4/ZigBee的多信道MAC方案設(shè)計........................20
3.4.1基于IEEE802.15.4/ZigBee的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計...........................20
3.4.2基于IEEE802.15.4/ZigBee的多信道分配方式設(shè)計......................24
3.4.3基于CSMA/CA的自適應(yīng)MAC接入機制設(shè)計......................................32
3.5 本章小結(jié)....................................36
4  基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的貫通地線監(jiān)測方案.............................38
4.1單點監(jiān)測設(shè)備.................................38
4.1.1數(shù)據(jù)采集部分................................38
4.1.2數(shù)據(jù)發(fā)送部分...................................39
4.2 網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu).................................39
4.2.1鐵路貫通地線沿線的場景特點.........................40
4.2.2網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的設(shè)計...............................40
4.3 定時休眠機制......................................41
4.4 數(shù)據(jù)傳輸格式設(shè)計..................................41

4.4.1 ZigBee協(xié)議棧數(shù)據(jù)包格式................................41
4.4.2 ZigBee協(xié)議各層幀格式分析.............................43
4.4.3 APS凈荷數(shù)據(jù)格式的設(shè)計.................................45
4.5 本章小結(jié)................................................48

5 IEEE802.15.4/ZigBee協(xié)議的抗電磁干擾能力分析

在對貫通地線的實際監(jiān)測中，設(shè)備會遇到各種各樣的同頻電磁干擾，其中的干擾源主要以Wi-Fi和電氣化鐵道的射頻干擾為主。對于Wi-Fi的電磁干擾，可以通過建立網(wǎng)絡(luò)時對可用信道掃描，選擇無干擾的最佳信道搭建網(wǎng)絡(luò)以避免使用被Wi-Fi占用的信道。再通過第三章中提到的MAC層的CSMA/CA信道接入機制，即接入信道前對信道進行掃描，待信道空閑且無干擾時再接入進行數(shù)據(jù)傳輸，保證避幵了 Wi-Fi干擾的同時，也減弱了網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的干擾和沖突。
而對于電氣化鐵道的射頻干擾，首先要分析一下其干擾的特性。電氣化鐵路上弓網(wǎng)離線等問題引起的無線電磁干擾大致可以分為穩(wěn)態(tài)和脈沖兩種類型。電氣化射頻的脈沖干擾幅度較高，但持續(xù)時間相對較短，通常在1μs之內(nèi)。而穩(wěn)態(tài)電磁干擾的幅度可以參考EN50121-2[22]中鐵路系統(tǒng)對外界電磁發(fā)射限值的要求，由于目前規(guī)定的電磁頻率上限為IGHz，而2GHz頻段并未設(shè)要求，而且對應(yīng)的測試點距軌道中心有10m的距離。這里，依據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)中的限值曲線進行合理的推算，得出在30MHz時場強大小限值數(shù)據(jù)為lOOdB V/m，每10倍頻率下降20dB，貝ij在ZigBee工作頻帶3GHz附近的場強大小約為60dBPμV/m (相當(dāng)于ImV/m)。
從信噪比指標(biāo)上看，IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定2.4GHz無線設(shè)備的接受靈敏度最小值為-85dBm(本方案所使用的設(shè)備靈敏度為-97dBm)，相當(dāng)于l0dBμV/m(3.16/μV/m)。ZigBee模塊的信噪比為86.5dB，由上文可知環(huán)境中的干擾場強為60dBμV/m。由以上數(shù)據(jù)計算可知，ZigBee設(shè)備的信噪比及靈敏度指標(biāo)滿足在電氣化鐵路穩(wěn)態(tài)電磁干擾環(huán)境下正常使用。除此之外，ZigBee協(xié)議自身也有著一些非常有效的抗同頻電磁干擾的措施，對環(huán)境中的穩(wěn)態(tài)電磁干擾及脈沖電磁干擾都可以從容應(yīng)對，下面就對MAC層的差錯校驗編碼十六位CRC校驗以及物理層的直接序列擴頻通信方式進行詳細分析。5.1十六位CRC校驗的抗干擾性能分析
在本文上一章中提到過，在IEEE802.15.4/ZigBee協(xié)議的MAC層數(shù)據(jù)格式包含了傾校驗序列（FCS)，其使用的就是一組十六位的循環(huán)冗余校驗碼（CRC-16)，生成多項式為：g(x)=xi6+xi2+x5+l。CRC校驗是信息通信領(lǐng)域中最常用的差錯校驗編碼，其目的在于對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行檢驗，若發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)在傳輸過程中出現(xiàn)誤碼，則對出現(xiàn)誤碼的頓進行重傳，通過這樣的方式也可在一定程度上抵抗電氣化鐵路環(huán)境下的穩(wěn)態(tài)及脈沖等電磁干擾。
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6總結(jié)與展望

6.1總結(jié)
本論文首先提出了一種基于IEEE802.15.4/ZigBee協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)多信道MAC方案，意在解決在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中長期存在的隱形終端和暴露終端等問題。而后針對我國鐵路綜合貫通地線屢屢被盜這一問題，使用DEEE802.15.4/ZigBee協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)設(shè)計了一種對貫通地線的監(jiān)測方案。該方案解決了對綜合貫通地線的丟失或損壞無法及時得知和維修的問題，保證了列車的行車安全，同時使用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的方案解決了過去的監(jiān)測方案在實際實施中的一些弊端，為方案今后的真正應(yīng)用打下了堅實的基礎(chǔ)。最后對IEEE802.15.4/ZigBee協(xié)議的抗電磁干擾性能進行了分析，并通過仿真證明了其可靠性完全可以勝任對貫通地線的監(jiān)測。
本論文的主要研究成果如下：
(1)基于IEEE802.15.4/ZigBee協(xié)議提出了一種使用分簇網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的多信道MAC機制，從理論上解決了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)一直以來存在的隱形終端和暴露終端等問題；
(2)根據(jù)鐵路綜合貫通地線的現(xiàn)狀，提出一種基于IEEE802.15.4/ZigBee協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)貫通地線監(jiān)測方案，并就監(jiān)測設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)、定時休眠機制及數(shù)據(jù)傳輸格式幾方面對方案進行了詳細的設(shè)計；
(3)通過理論數(shù)據(jù)分析和Simulink仿真分析兩方面對BEEE802.15.4/ZigBee協(xié)議的抗干擾性能進行了分析，證明了其數(shù)據(jù)可以在電氣化鐵路環(huán)境的電磁干擾下可靠傳輸。
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參考文獻（略）