一種用于鐵路安全的無線自組網(wǎng)協(xié)議＊

欒厚斌 孫長國 李含輝

（1.大連造船廠軍代室 大連 123456）（2.92117部隊(duì) 北京 100072）（3.武漢船舶通信研究所 武漢 430079）

1 引言

低功耗無線電通信技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、微型傳感器技術(shù)及集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展和日益成熟，使得大量的、低成本的微型傳感器通過無線鏈路自組織成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)成為現(xiàn)實(shí)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠通過各類集成化的微型傳感器協(xié)作地實(shí)施監(jiān)測、感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，這些信息通過無線方式被發(fā)送，并以自組多跳的網(wǎng)絡(luò)方式傳送到用戶終端。

目前，鐵路物資押運(yùn)防盜在國內(nèi)尚處于空白狀態(tài)，將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于物資押運(yùn)，保證物資在鐵路運(yùn)輸過程中的安全，并降低押運(yùn)人員工作強(qiáng)度，是十分有意義的。

2 自組織協(xié)議用于鐵路運(yùn)輸安全的優(yōu)勢

鐵路系統(tǒng)棚式貨運(yùn)列車均為鐵制，且滿掛時達(dá)數(shù)百米，因此，要求無線通信能夠長距離傳輸數(shù)據(jù)，并能有效克服金屬（列車車體）的影響。金屬對于無線通訊的影響非常大。能否有效克服金屬影響是實(shí)現(xiàn)整套系統(tǒng)的自動傳輸?shù)年P(guān)鍵，因?yàn)樗苯雨P(guān)系到各個節(jié)點(diǎn)之間的組網(wǎng)性能。

目前，成熟的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議主要就是ZigBee協(xié)議，該協(xié)議為免費(fèi)協(xié)議。ZigBee技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)傳輸速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)。在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，由許多個小型的節(jié)點(diǎn)所構(gòu)成，以這些工作節(jié)點(diǎn)為依托，通過無線通信組成各種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。為降低成本，系統(tǒng)中大部分的節(jié)點(diǎn)為子節(jié)點(diǎn)，從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上看，他們只是其功能的一個子集，稱為RFD（精簡功能設(shè)備），這種設(shè)備不具有路由的功能；另外還有一些節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)與控制子節(jié)點(diǎn)通信、匯集數(shù)據(jù)和發(fā)布控制，或起到通信路由的作用，稱為FFD［1，5］。ZigBee協(xié)議設(shè)備部署示意圖如圖1所示。

圖1 ZigBee協(xié)議結(jié)構(gòu)圖

隨著ZigBee技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用，國內(nèi)現(xiàn)有各種基于ZigBee技術(shù)的報(bào)警系統(tǒng)。國際上，ZigBee技術(shù)支持868MHz、915MHz和2.4GHz三個頻段，但在國內(nèi)只能工作在2.4GHz頻段［2］。物資運(yùn)輸沿途環(huán)境復(fù)雜，要求單跳傳輸距離遠(yuǎn)、繞射障礙物能力好、抗干擾能力強(qiáng)等。2.4GHz頻段，其半波長僅為幾厘米，近似直線傳播，繞射能力很差；高頻導(dǎo)致傳播損耗大，傳輸距離短；另外，工作在該頻段的設(shè)備很多，如 WiFi、藍(lán)牙等，頻段擁擠，通信可靠性大大降低。綜合上述，采用ZigBee協(xié)議不適合應(yīng)用于鐵路運(yùn)輸安全。

在物資押運(yùn)列車安全監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中，監(jiān)控節(jié)點(diǎn)采用電池供電，無人看守，節(jié)點(diǎn)能量有限。通信距離是影響能量消耗的主要因素，減少單次傳輸半徑就可以降低功耗，但會帶來覆蓋范圍的降低，因此系統(tǒng)必須支持多跳中繼來傳輸數(shù)據(jù)，因此，高效路由協(xié)議的開發(fā)是降低節(jié)點(diǎn)功耗的關(guān)鍵。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，路由協(xié)議和應(yīng)用背景密切相關(guān)，對不同的應(yīng)用需求，需要使用特定專用協(xié)議?？紤]到物資押運(yùn)列車的各個節(jié)點(diǎn)的位置相對固定，可以考慮采用基于位置信息的路由協(xié)議，節(jié)點(diǎn)的位置信息可以作為路由設(shè)計(jì)的輔助條件，用來改善路由算法的性能，減少泛洪帶來的數(shù)據(jù)無效傳輸問題，這為設(shè)計(jì)高效可靠的物資安全運(yùn)輸報(bào)警監(jiān)控系統(tǒng)專用協(xié)議提供了可能性。

3 協(xié)議框架

為了監(jiān)控整個列車，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要在列車沿線布置一定數(shù)量的電子鎖終端節(jié)點(diǎn)以達(dá)到對整個列車的覆蓋。多把電子鎖協(xié)調(diào)工作，實(shí)現(xiàn)列車車廂狀態(tài)的采集和傳輸，還需要一個手持終端。因此，硬件上系統(tǒng)包括一定數(shù)量的電子鎖終端節(jié)點(diǎn)、一個手持終端組成［4，6］。

其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 自組織協(xié)議拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

·電子鎖終端節(jié)點(diǎn)：傳感器終端節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的形成，數(shù)據(jù)的采集，并將數(shù)據(jù)通過多跳傳輸?shù)絽R聚節(jié)點(diǎn)。

·手持終端：實(shí)際上就是后臺監(jiān)控設(shè)備，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的處理，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞目刂?，網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)護(hù)工作。其內(nèi)部集成了網(wǎng)絡(luò)的主節(jié)點(diǎn)，也稱為匯聚節(jié)點(diǎn)［3］。是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)起，拓?fù)涞男纬膳c維護(hù)，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的匯集與處理，與后臺監(jiān)控系統(tǒng)的通信與信息交互［7，14］。匯聚節(jié)點(diǎn)是傳感器終端節(jié)點(diǎn)中能力較強(qiáng)的一種。

系統(tǒng)的工作流程為列車車廂上鎖后，由手持終端獲取該電子鎖的ID信息、車廂信息、相對于主節(jié)點(diǎn)的位置等信息。在整個列車完成部署完成后，手持終端內(nèi)就存儲了各個節(jié)點(diǎn)的位置信息，從而完成路由基礎(chǔ)信心的建立。手持終端發(fā)布組網(wǎng)命令，系統(tǒng)進(jìn)入監(jiān)控狀態(tài)。若某個電子鎖被破壞，則相應(yīng)的信息缺失，系統(tǒng)報(bào)警，實(shí)現(xiàn)了押運(yùn)過程的實(shí)時監(jiān)控。

每列火車可以自行組成一個封閉的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，也可以與鐵路方統(tǒng)一設(shè)立的監(jiān)控中心聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控。一旦發(fā)生重大盜搶事件，監(jiān)控中心可以在第一時間做出反應(yīng)，調(diào)集相關(guān)力量進(jìn)行后續(xù)應(yīng)對。

4 協(xié)議設(shè)計(jì)

4.1 協(xié)議的層次結(jié)構(gòu)

針對物資押運(yùn)的特點(diǎn)，提出了基于位置信息的高效的專用協(xié)議。圖2給出了協(xié)議的層次結(jié)構(gòu)圖。包括射頻層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。通信及信息傳輸由射頻層完成［8～9］，網(wǎng)絡(luò)的組織、管理及維護(hù)都由網(wǎng)絡(luò)層完成，應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)用戶功能。協(xié)議的每一層都以函數(shù)庫的形式提供給上一層［9］，由上一層調(diào)用。

4.2 協(xié)議幀格式

圖4給出了協(xié)議的幀格式。在射頻層中，前導(dǎo)碼、同步字、RSSI（接收強(qiáng)度指示）和CRC（校驗(yàn)值）均由無線單片機(jī)硬件自動添加，長度字節(jié)用于指示網(wǎng)絡(luò)層中數(shù)據(jù)的長度，n＝15字節(jié)。在網(wǎng)絡(luò)層中，目的地址和源地址用于收發(fā)識別，標(biāo)志位用于ACK驗(yàn)證，應(yīng)用層數(shù)據(jù)長度為m＝12字節(jié)。在應(yīng)用層中，ID1、ID2兩級識別號用于多個系統(tǒng)同時應(yīng)用時電子鎖身份認(rèn)證；幀號用于區(qū)分不同的工作周期；命令字用于指示該幀的不同功能，如開鎖、關(guān)鎖及狀態(tài)查詢等；同步信息用于各個電子鎖與手持終端在時間上的同步；應(yīng)用層中，（7）～（12）定義為電子鎖信息域，指示電子鎖自身地址、父節(jié)點(diǎn)地址、自身級別、接收父節(jié)點(diǎn)信息時的信號強(qiáng)度、鎖開合狀態(tài)信息、電子鎖對應(yīng)的車輛編號等［10］。

圖3 層次結(jié)構(gòu)

圖4 幀格式

4.3 數(shù)據(jù)傳輸過程

圖5給出了協(xié)議的工作流程圖。

圖5 協(xié)議工作流程圖

首先，手持終端對各個電子鎖進(jìn)行初始化設(shè)置，獲取電子鎖相應(yīng)的車輛編號。編號由按前至后的方向順序編號，并設(shè)押運(yùn)車輛編號為npda，電子鎖對應(yīng)車輛編號為nLock。

在步驟102中，手持終端作為第0級父節(jié)點(diǎn)發(fā)送升序或者降序方向廣播幀，該廣播幀要求定向擴(kuò)散，即按車輛編號向著升序或者降序方向傳播。滿足方向要求的電子鎖成功接收該幀，根據(jù)廣播幀的內(nèi)容更新父節(jié)點(diǎn)地址、級別、接收信號強(qiáng)度、時鐘等，并計(jì)算信息回傳的延時。計(jì)算方法為：設(shè)延時為t，則t＝（nLock%10）＊10。延時時間到，電子鎖將自身信息（電子鎖信息域）發(fā)送至父節(jié)點(diǎn)，發(fā)送采用ACK方式，即發(fā)送后等待命令正確應(yīng)答，確保發(fā)送成功。

在步驟103中，父節(jié)點(diǎn)首先將在時間tp＝200ms內(nèi)收集的數(shù)據(jù)發(fā)送至上一級父節(jié)點(diǎn)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，若接收到的電子鎖節(jié)點(diǎn)數(shù)大于0，說明可能存在下一級節(jié)點(diǎn)。

經(jīng)過步驟104的分析，父節(jié)點(diǎn)收集的電子鎖節(jié)點(diǎn)個數(shù)大于0，因此，在步驟105，父節(jié)點(diǎn)首先將收集的數(shù)據(jù)發(fā)送至上一級父節(jié)點(diǎn)。然后選擇一個電子鎖節(jié)點(diǎn)作為下一級廣播的簇頭。簇頭設(shè)置方法為：在所有接收到節(jié)點(diǎn)中，去掉接收信號強(qiáng)度值低于－70dB的節(jié)點(diǎn)，然后取距離手持終端最遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)作為簇頭（若發(fā)送降序廣播幀，則最遠(yuǎn)節(jié)點(diǎn)就是車輛編號較小的，否則，發(fā)送升序廣播幀，則最遠(yuǎn)節(jié)點(diǎn)就是車輛編號較大的）。擔(dān)當(dāng)簇頭的電子鎖收到設(shè)置命令后，將廣播幀中級別值加1，繼續(xù)發(fā)送升序或者／降序方向廣播幀。

重復(fù)步驟103。

若在步驟104后，某一級父節(jié)點(diǎn)收到的節(jié)點(diǎn)數(shù)等于0，則說明已經(jīng)沒有未被查詢的電子鎖節(jié)點(diǎn)，則在步驟106，作為最后一級簇頭的電子鎖將向其父節(jié)點(diǎn)發(fā)送查詢結(jié)束命令，該命令最終到達(dá)手持終端，本輪查詢結(jié)束。

重復(fù)步驟102，發(fā)送相反方向廣播幀，直到步驟106。手持終端完成所有電子鎖數(shù)據(jù)的匯集。

5 結(jié)語

采用基于位置信息的專用協(xié)議進(jìn)行組網(wǎng)通信，克服了利用ZigBee等現(xiàn)有無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)信號傳輸距離短、繞射障礙物能力差的不足，且信息傳輸實(shí)時性好；且該協(xié)議僅由手持終端和一般電子鎖節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，各個電子鎖節(jié)點(diǎn)可以任意部署到各個運(yùn)輸車輛上，部署方便快捷；由該協(xié)議構(gòu)建的鐵路運(yùn)輸安全保障裝置具有較好的勤務(wù)適應(yīng)性，具有無線化、智能化、小型化、自動組網(wǎng)，實(shí)時性好，功耗低，可長時間工作等特點(diǎn)。應(yīng)用于鐵路運(yùn)輸過程，將使得鐵路安全運(yùn)輸更加信息化、智能化，押運(yùn)人員、物資運(yùn)輸?shù)陌踩缘玫接行ПＵ?，減少大量的押運(yùn)人力投入，降低押運(yùn)人員工作強(qiáng)度，具有良好的軍事和經(jīng)濟(jì)效益。

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