基于无线传感器网络的城轨列车运行能耗数据采集系统设计

摘要

随着城市轨道交通的快速发展，能源消耗总量也随之增长。我国城市轨道交通的能耗主要是电力消耗，其中列车牵引能耗占总能耗的50％左右。降低列车牵引能耗的方式很多，一般为了验证节能效果，需要准确采集列车运行能耗数据。获得列车运行能耗数据，是评估节能方法优劣，选择最佳节能措施的重要手段。目前国际上己开发了基于车地无线通信的列车运行能耗数据采集装备，而国内则利用现有故障检测装置进行电量的粗放式统计，该方式统计的数据不便于节能效果的评估，计量的结果也不符合电能计量标准。本文基于无线传感器网络设计了城轨列车运行能耗数据采集系统，通过采集符合电能计量标准的现场数据，并进行标准化处理，提供了一种评估列车运行能耗的工具，为城市轨道交通系统的节能运行研究创造了便利条件。
　　本文设计的数据采集系统以无线传感器网络为基础，采用ZigBee技术对列车牵引电压、电流数据进行采集，通过ZigBee-GPRS网关将数据经Internet传送至上位机，基于C++ Builder6.0设计的上位机界面提供数据的显示和查询功能。在此基础上根据实际列车环境设计了数据采集存储模块，实现能耗数据的采集与存储。主要工作包括以下几个方面:
　　首先，对课题的研究背景和研究意义进行了说明，对无线传感器网络、城轨能耗管理系统以及列车运行能耗计算的研究状况、发展趋势进行了阐述，分析了城轨列车牵引供电系统以及电能的计量，明确采集的数据对象，并提出数据采集系统设计的总体要求。
　　其次，对列车运行能耗数据采集系统总体结构设计以及系统的硬件、软件设计。根据系统的总体结构采用模块化思想对系统的硬件和软件分别进行设计，包括传感器模块、ZigBee网络模块、网关模块、上位机显示模块的设计。
　　再次，为了使系统符合实际应用的要求，对设计的列车运行能耗数据采集系统进行了改进，包括能量均衡的ZigBee路由算法的改进、ZigBee节点间时间同步的实现以及列车数据采集存储模块的设计。
　　最后，在实验室环境搭建平台对ZigBee网络的组建、网关数据的转发和上位机界面的显示进行了测试，测试表明方案可行，但存在传输速率低和传输延时大的问题。根据城轨列车实际环境确定互感器和存储模块的安装位置，构建列车模拟供电环境对数据采集存储模块进行数据采集、存储测试，结果表明模块能够很好的实现数据的采集和存储功能，但数据的精度需进一步提高，辅助功能需进一步完善。

目录

声明

致谢

摘要

1、引言

1．1 研究背景

1．2 国内外研究现状和发展趋势

1．3 目的和意义

1．4 主要研究内容

2、列车运行能耗数据采集系统的设计要求

2．1 列车运行能耗数据采集系统概述

2．2 城市轨道交通列车牵引供电系统

2．3 电能计量

2．4 数据采集系统总体要求

2．5 本章小结

3、列车运行能耗数据采集系统的设计

3．1 系统的总体设计

3．2 系统的硬件设计

3．2．1 传感器模块

3．2．2 ZigBee模块

3．2．3 网关模块

3．3 系统的软件设计

3．3．1 ZigBee程序设计

3．3．2 网关程序设计

3．3．3 上位机软件设计

3．4 本章小结

4、列车运行能耗数据采集系统的改进

4．1 ZigBee网络设计的改进

4．1．1 由算法的优化

4．1．2 时钟同步

4．2 数据采集存储模块设计

4．2．1 数据采集存储模块硬件要求

4．2．2 能耗数据存储格式

4．2．3 能耗计算的标准化

4．3 本章小结

5、系统测试及分析

5．1 实验室条件下系统测试

5．1．1 ZigBee组网测试

5．1．2 ZigBee网络传输质量测试

5．1．3 系统网关测试

5．1．4 上位机界面测试

5．1．5 系统整体测试

5．2 数据采集存储模块测试

5．2．1 互感器及模块安装位置选择

5．2．2 模拟测试环境的搭建

5．2．3 数据采集存储测试

5．3 测试结果的分析

5．3．1 实验室测试分析

5．3．2 数据存储模块测试分析

5．4 本章小结

6、总结与展望

参考文献

索引

作者简历

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