基于無線傳感器網(wǎng)絡的城軌列車智能監(jiān)測系統(tǒng)

呂曉穎， 陳少華， 石桂名， 周 迪

(1大連科技學院電氣工程系 大連 116052 2大連交通大學電氣信息學院 大連 116028)

引 言

地鐵、輕軌交通是現(xiàn)代城市基礎設施建設的重要項目，是推動和加快地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展的重要基礎工程。目前的城軌列車在整體控制方面的技術發(fā)展很好，但是輔助信息系統(tǒng)方面還不是很完善，特別是軌道交通通信調度、綜合信息傳輸?shù)溶嚨亻g無線通信技術方面還有待提高[1]。本文設計的無線智能監(jiān)測技術不僅解決了目前依靠人工力量進行列車關鍵設備巡檢的困境，提高了設備巡檢頻度，還在傳統(tǒng)地通過調度中心統(tǒng)一監(jiān)控列車運行狀態(tài)的基礎上，實現(xiàn)車與監(jiān)測中心、車與車之間同時傳輸GPS位置信息等重要參數(shù)，保證了在非常調度情況下調度員、列車司機對列車運行狀態(tài)的一致性知情權，從而有效地保證了列車設備的運行安全。本文利用無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點進行數(shù)據(jù)采集，使得該智能監(jiān)測系統(tǒng)具有一定的先進性、實時性、低成本、安全性及信息傳輸處理智能化的特點，具有較高的實際應用價值。

1 城軌列車關鍵設備無線智能監(jiān)測平臺

城軌列車關鍵設備無線智能監(jiān)測平臺采用無線傳感器網(wǎng)絡(WSN)與移動通信公眾網(wǎng)絡(GSM/GPRS/CDMA)相結合。使用無線傳感器網(wǎng)絡來完成列車關鍵設備的參數(shù)信息采集，降低了監(jiān)測節(jié)點的功耗，減少了傳感器有線采集的布線工程，而監(jiān)測數(shù)據(jù)匯聚、處理后的遠程傳輸則采用公眾網(wǎng)絡，既避免了全部采用移動通信公眾網(wǎng)絡(GSM/GPRS/CDMA)的運行費用，又簡化了監(jiān)測傳感器數(shù)據(jù)采集的布線，不破壞原先設備結構，保證了系統(tǒng)可靠性。

本文所設計的無線智能監(jiān)測系統(tǒng)如圖1所示。該無線智能監(jiān)測平臺主要包括無線傳感器監(jiān)測節(jié)點、GPS定位終端、數(shù)據(jù)采集匯聚處理模塊、移動通信公眾網(wǎng)絡(GSM/GPRS/CDMA)、監(jiān)控中心等。無線傳感器監(jiān)測節(jié)點主要由數(shù)據(jù)采集模塊和2.4GHz無線通信模塊組成，負責對列車關鍵設備上的信息進行采集，然后通過無線網(wǎng)關將各個監(jiān)測節(jié)點、GPS無線定位模塊以及關鍵設備故障告警模塊上采集到的數(shù)據(jù)信息進行匯聚、處理，再通過數(shù)字移動通信網(wǎng)絡(GSM/GPRS/CDMA)傳輸?shù)奖O(jiān)測中心，這樣監(jiān)測中心就可以對這些信息進行及時處理。

圖1 無線智能監(jiān)測系統(tǒng)

2 LPS-MAC協(xié)議

無線傳感器網(wǎng)絡實際應用的主要限制就是能量。節(jié)點一般是以干電池、鈕扣電池等提供能量，而電池的能量很有限又通常難以補充[2]。在無線傳感器中，無線通信是傳感器能量的主要消耗，其中MAC協(xié)議的主要功能就是實現(xiàn)信道的復用，同時保障鏈路通信的可靠性。所以，MAC協(xié)議要盡可能地節(jié)約能源，如減少沖突和串音、最小化控制開銷、降低占空比和盡量避免長距離通信等。由于目前節(jié)點的能量供應問題并沒有得到很好解決，節(jié)能就成為傳感器網(wǎng)絡MAC協(xié)議設計首要考慮的因素。

本文在S-MAC協(xié)議的基礎上，提出了一種低控制開銷的 MAC協(xié)議——LPS-MAC協(xié)議(LP表示Low Power)。在S-MAC協(xié)議中，傳感器節(jié)點需要每個周期都交換SYNC幀，從而交換鄰居列表和保持時間的同步，并使用四次握手機制RTSCTSDATAACK來保證數(shù)據(jù)幀的有效傳輸[3]。無線傳感器節(jié)點無線通信模塊的狀態(tài)包括發(fā)送、接收、偵聽和睡眠等。單位時間內(nèi)消耗的能量按照上述順序依次減少:發(fā)送狀態(tài)耗能最多，睡眠狀態(tài)耗能最少，接收狀態(tài)和偵聽狀態(tài)下的能量消耗稍小于發(fā)送狀態(tài)。可見，SYNC幀的使用雖然保持了每個周期的時間同步，但也消耗了大量的能量，而且使監(jiān)聽時間延長。

本文設計的LPS-MAC協(xié)議也是采用周期性的偵聽睡眠機制，但是只在網(wǎng)絡初始化時節(jié)點才發(fā)送SYNC幀，在接下來的N-2個周期內(nèi)節(jié)點不發(fā)送SYNC幀，為了防止網(wǎng)絡出現(xiàn)相鄰節(jié)點找不到對方的情況，第N個周期用于相鄰節(jié)點搜尋[4]。圖2、圖3分別是S-MAC的周期性偵聽機制和LPS-MAC的周期性偵聽機制。比較二者可以看出:LPS-MAC協(xié)議有調度周期1和調度周期2，調度周期1包括了同步時間、數(shù)據(jù)監(jiān)聽時間、睡眠時間，調度周期2則沒有同步時間，將同步時間用于節(jié)點的睡眠，這樣就減少了信道的控制開銷，使節(jié)點可以有更多的睡眠時間。

圖2 S-MAC的周期性偵聽機制

圖3 LPS-MAC的周期性偵聽機制

LPS-MAC協(xié)議改變了S-MAC協(xié)議周期性監(jiān)聽的睡眠機制，采用了兩個調度周期，即調度周期1和調度周期2，節(jié)點只在調度周期1進行節(jié)點之間SYNC幀的交換，而在調度周期2直接進行數(shù)據(jù)的收發(fā)，將調度周期1中SYNC幀交換的時間用于節(jié)點的睡眠，增加了節(jié)點的睡眠時間，節(jié)省了能量。具體的協(xié)議流程如圖4所示。

網(wǎng)絡初始化時，所有的監(jiān)測節(jié)點進入監(jiān)聽狀態(tài)，節(jié)點之間開始相互發(fā)送SYNC幀，節(jié)點收到SYNC幀后提取幀中距離下次睡眠的時間并進行計算，同時發(fā)現(xiàn)鄰居節(jié)點并完成時間同步，計時器到期進入Sleep1階段，即完成調度周期1。調度周期1的Sleep1狀態(tài)結束后就進入調度周期2，直接進入數(shù)據(jù)監(jiān)聽階段而無需相互發(fā)送SYNC幀，計時器到期后進入Sleep2(tSleep2=tSleep1+tSYNC)階段。檢驗調度周期2是否達到N-3個周期，若達到則進入相鄰節(jié)點搜尋階段，否則返回到調度周期2進行重新監(jiān)聽。

圖4 LPS-MAC協(xié)議流程

3 LPS-MAC協(xié)議節(jié)能測試

為了驗證LPS-MAC的可行性，本文自行搭建了一個以測量溫度為目的的無線傳感器網(wǎng)絡。該網(wǎng)絡由三個無線傳感器節(jié)點和一個網(wǎng)關節(jié)點組成，其中無線傳感器節(jié)點包括了傳感器單元DS18B20、微處理單元C8051F996以及無線收發(fā)單元nRF905，網(wǎng)關節(jié)點則采用C8051F020微控制器來控制液晶顯示器和nRF905無線收發(fā)芯片。

將無線傳感器節(jié)點與加載LPS-MAC協(xié)議的網(wǎng)關節(jié)點布置于走廊和教室內(nèi)，呈線性分布。節(jié)點設置:3.6V(1600mAh)鋰電池，高度為0.5m的收發(fā)天線，增益為3dB，發(fā)射功率為10dBm。根據(jù)LPS-MAC協(xié)議的內(nèi)容，設置調度周期、For SYNC、For RTS/CTS的時間分別為60s、30ms和500ms，C8051F996的漂移時間與時鐘精度分別為0.05s和8ppm，N取100[5]。三個無線傳感器節(jié)點周期性地向網(wǎng)關節(jié)點發(fā)送溫度測試數(shù)據(jù)，網(wǎng)關節(jié)點記錄并顯示溫度數(shù)據(jù)。

圖5為在一個月的時間內(nèi)測量的無線傳感器監(jiān)測節(jié)點的工作電壓和發(fā)射瞬時電壓的變化曲線。

從圖5觀察發(fā)現(xiàn)節(jié)點電池的工作電壓與發(fā)射瞬時電壓的變化趨勢平緩，電量減少不明顯，無線傳感器監(jiān)測節(jié)點能夠一直保持良好的工作狀態(tài)，且監(jiān)測節(jié)點電壓從1號的3.6V變化為30號的 3.56V，僅減少了0.04V，耗電量為1.11%。而使用 S-MAC協(xié)議，監(jiān)測節(jié)點電壓從1號的3.6V減少到30號的 2.14V?？梢?，LPSMAC協(xié)議的節(jié)能性能更加優(yōu)越，協(xié)議設計達到了較少能耗的目的，延長了整個網(wǎng)絡的使用周期。

圖5 節(jié)點電壓測量情況

4 結束語

本文主要完成基于無線傳感器網(wǎng)絡的城軌列車關鍵設備智能監(jiān)測系統(tǒng)及低控制開銷MAC協(xié)議的研究。采用無線傳感器監(jiān)測節(jié)點對城軌列車關鍵設備的信息進行采集，并設計一種低控制開銷的MAC協(xié)議——LPS-MAC協(xié)議，實現(xiàn)了突發(fā)活動事件的準確遠程傳輸，有效地節(jié)約能源，延長整個網(wǎng)絡的使用周期，擴展了無線傳感器網(wǎng)絡的實際應用。

[1]胡冬冬.無線傳感器網(wǎng)絡在列車監(jiān)控系統(tǒng)中的應用研究[D].北京交通大學，2010:1～70.

[2]朱徐來，吳東升.一種改進的無線傳感器網(wǎng)絡MAC協(xié)議[J].安徽建筑工業(yè)學院學報(自然科學版)，2011，19(2):74～77.

[3]孫利明，李建中，等.無線傳感器網(wǎng)絡[M].北京:清華大學出版社，2005.

[4]Dam T V，Langendoen K.An Adaptive Energy-efficient MAC Protocol for Wireless Sensor Networks[C].Proceedings of the First International Conference on Embedded Networked Sensor Systems，Los Angeles，2003:65 ～72.

[5]史文彬.城軌無線傳感器網(wǎng)絡監(jiān)測系統(tǒng)MAC協(xié)議研究與應用[D].大連交通大學，2012:44～50.