面向鋼軌監(jiān)測傳感網(wǎng)在線調(diào)試的網(wǎng)關研制

劉 沖 ，傅 昊 ，陳 義 ，徐 征 ，王天嬈

（1.大連理工大學 遼寧 大連 116023 2.蘇州鼎汗傳感網(wǎng)技術有限公司 江蘇 蘇州 215121）

面向鋼軌監(jiān)測傳感網(wǎng)在線調(diào)試的網(wǎng)關研制

劉 沖1，傅 昊1，陳 義1，徐 征1，王天嬈2

（1.大連理工大學 遼寧 大連 116023 2.蘇州鼎汗傳感網(wǎng)技術有限公司 江蘇 蘇州 215121）

針對工程應用中鋼軌監(jiān)測傳感網(wǎng)現(xiàn)場調(diào)試的實際需求，研制了一種可用于無線傳感網(wǎng)在線調(diào)試的網(wǎng)關，設計并實現(xiàn)了網(wǎng)關的硬件電路，開發(fā)了由數(shù)據(jù)接口層、業(yè)務邏輯層及用戶界面層組成的上位機在線調(diào)試軟件，制定了一種可減少現(xiàn)場數(shù)據(jù)丟失率的完整性維護策略。實驗結(jié)果表明：研制的在線調(diào)試網(wǎng)關數(shù)據(jù)傳輸可靠、響應速度快、體積小、便于攜帶，適用于鋼軌監(jiān)測傳感網(wǎng)現(xiàn)場的快速調(diào)試和維護。

鋼軌監(jiān)測；無線傳輸；在線調(diào)試；網(wǎng)關；數(shù)據(jù)完整性

鋼軌應力及動態(tài)特性是鐵路交通中影響行車安全的重要因素，若超出安全范圍將會導致鋼軌變形或斷裂。無線傳感器網(wǎng)絡(Wireless Sensor Networks，WSN)[1]是由大量部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的傳感節(jié)點以自組織方式構(gòu)成的傳感器網(wǎng)絡，具有低功耗、微型化、低成本、高度集成[2]等優(yōu)點，能夠協(xié)作地采集、處理和傳輸覆蓋區(qū)域內(nèi)監(jiān)測對象的信息[3-4]。將無線傳感器網(wǎng)絡技術應用于鋼軌監(jiān)測領域，不僅可以滿足大范圍長距離鋼軌的實時監(jiān)測需求，還能夠使技術人員在遠程監(jiān)控中心對數(shù)據(jù)進行處理分析，從而實現(xiàn)鋼軌安全預警等功能，確保行車安全。

目前，無線傳感器網(wǎng)絡技術在軍事、工業(yè)、環(huán)境監(jiān)測等眾多領域有著廣闊的應用前景[5]。但在實際使用中，面對數(shù)量眾多的傳感節(jié)點，需要對其進行頻繁地在線調(diào)試及日常維護。在現(xiàn)有的無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)中，技術人員大多通過遠程監(jiān)控中心對節(jié)點進行參數(shù)配置及軟件更新等操作，實時性和可操作性較低。而在鋼軌監(jiān)測傳感網(wǎng)中，由于多數(shù)時間內(nèi)都有列車運行，可用于在線調(diào)試的時間有限，如果不能對節(jié)點進行快速配置并及時反饋信息，節(jié)點的安裝和維護工作將耗費大量的人力物力成本。因此，需要一種可以準確、快捷獲取現(xiàn)場節(jié)點信息，并能夠?qū)崟r處理和顯示數(shù)據(jù)的在線調(diào)試工具。

針對工程實際中無線傳感節(jié)點快速安裝和維護的需求，本文研制了一種面向鋼軌監(jiān)測傳感網(wǎng)的在線調(diào)試網(wǎng)關，并基于此開發(fā)了應用于上位機的在線調(diào)試軟件。網(wǎng)關通過USB接口與上位機連接，在線調(diào)試軟件可對接收到的數(shù)據(jù)進行實時數(shù)字和曲線顯示，并具有數(shù)據(jù)存儲和查詢當前通信狀況等功能，便于技術人員對節(jié)點的在線調(diào)試。

1 鋼軌監(jiān)測傳感網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

鋼軌監(jiān)測傳感網(wǎng)由無線傳感節(jié)點、網(wǎng)關、服務器及監(jiān)控客戶端等組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。沿軌道分布的無線傳感節(jié)點作為系統(tǒng)的前端，負責按設定的參數(shù)采集鋼軌溫度、應力或加速度等相關信息，并將采集到的數(shù)據(jù)在預處理后經(jīng)由Zigbee網(wǎng)絡上傳至其所屬的網(wǎng)關基站，網(wǎng)關將匯聚到的數(shù)據(jù)進行協(xié)議轉(zhuǎn)換后，通過3G網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)傳輸至遠程接入服務器，并存儲在數(shù)據(jù)庫中，遠程監(jiān)控中心可以通過因特網(wǎng)訪問數(shù)據(jù)庫。技術人員可對數(shù)據(jù)進行監(jiān)測、處理及后續(xù)分析，從而實現(xiàn)對鋼軌狀態(tài)的實時判讀，保證鋼軌安全。

圖1 鋼軌監(jiān)測傳感網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig. 1 System Architecture of Rail Monitoring Sensor Network

本文所研制的在線調(diào)試網(wǎng)關可將接收到的無線傳感節(jié)點數(shù)據(jù)通過USB接口傳輸至上位機，無需與遠程監(jiān)控中心進行數(shù)據(jù)通訊，可縮短節(jié)點的調(diào)試周期，提高調(diào)試效率。上位機在線調(diào)試軟件具有數(shù)據(jù)存儲、解析、實時數(shù)字顯示和曲線顯示等功能，并可下發(fā)節(jié)點控制指令，設置節(jié)點參數(shù)，從而方便技術人員在現(xiàn)場對無線傳感節(jié)點進行在線調(diào)試。

2 在線調(diào)試網(wǎng)關的設計實現(xiàn)

2.1 網(wǎng)關硬件原理與組成

本文研制的網(wǎng)關主要針對鋼軌監(jiān)測傳感網(wǎng)中無線傳感節(jié)點的現(xiàn)場調(diào)試與維護。網(wǎng)關硬件原理框圖如圖2所示，主要由Zigbee模塊、FT232RL接口轉(zhuǎn)換芯片、L1117電壓轉(zhuǎn)換芯片以及通信指示模塊組成。

圖2 網(wǎng)關硬件原理框圖Fig. 2 Hardware Schematic Diagram of Gateway

圖3 網(wǎng)關軟件架構(gòu)圖Fig. 3 Software Architecture Diagram

網(wǎng)關以Digi公司的XBee-Pro系列Zigbee模塊為核心。Zigbee模塊工作頻率為2.4 GHz，RF數(shù)據(jù)傳輸率為250 kbps，工作溫度范圍在-40～85 ℃，符合室外工作的環(huán)境需求。理想狀態(tài)下，通訊距離最遠可達1 600 m，可滿足沿鐵路線分布式、大范圍、長距離組網(wǎng)的需要。每個Zigbee模塊擁有唯一的64位物理地址，網(wǎng)關與節(jié)點間即通過該物理地址相互識別。該模塊可自動選擇一個未被占用的、干擾較小的信道建立網(wǎng)絡，并允許網(wǎng)絡號(PANID)相同的節(jié)點加入該網(wǎng)絡。節(jié)點加入后，網(wǎng)關對各節(jié)點分配動態(tài)網(wǎng)絡地址，從而完成Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡的組建。

網(wǎng)關選用的FT232RL芯片具有從USB到串行UART接口轉(zhuǎn)換的功能，可用于實現(xiàn)Zigbee模塊與上位機間的通信。選用的L1117電壓轉(zhuǎn)換芯片可將USB輸出的5 V電壓轉(zhuǎn)化為3.3 V，用于Zigbee模塊的供電，從而實現(xiàn)在線調(diào)試網(wǎng)關通過USB與上位機通信的功能。通信指示模塊用于指示調(diào)試網(wǎng)關當前的工作狀態(tài)，如數(shù)據(jù)的接收、發(fā)送及當前信號強度的顯示等。

2.2 在線調(diào)試軟件設計

為便于現(xiàn)場調(diào)試，上位機通過USB接口獲取到網(wǎng)關傳輸?shù)臄?shù)據(jù)后，需通過在線調(diào)試軟件對數(shù)據(jù)進行存儲、解析、數(shù)字和曲線顯示，方便實時查看節(jié)點數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡狀況。在線調(diào)試軟件采用面向?qū)ο蟮木幊碳夹g，軟件架構(gòu)主要由通訊接口層 、業(yè)務邏輯層和用戶界面層3部分構(gòu)成，如圖3所示。

1）通訊接口層主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)流的輸入/輸出控制，包括數(shù)據(jù)的接收、校驗、幀提取及數(shù)據(jù)發(fā)送，網(wǎng)關通過串口與上位機進行數(shù)據(jù)交互；

2）用戶界面層主要實現(xiàn)人機信息交互，一方面根據(jù)用戶控制需求將命令數(shù)據(jù)幀下發(fā)，另一方面將節(jié)點與網(wǎng)關之間的在線狀態(tài)及上傳的數(shù)據(jù)顯示給用戶；

3）業(yè)務邏輯層是監(jiān)控軟件的核心，主要實現(xiàn)對用戶界面層提交的業(yè)務請求和對通信接口層接收到的數(shù)據(jù)按照協(xié)議進行處理，包括數(shù)據(jù)幀的生成、解析和數(shù)據(jù)傳輸完整性維護策略等。

為實現(xiàn)對多節(jié)點的監(jiān)控，軟件采用的內(nèi)存管理技術是在C#自帶的垃圾回收器的基礎上，開辟數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)。緩沖區(qū)采用Arraylist對系統(tǒng)申請的動態(tài)內(nèi)存進行管理。同時運用多線程并發(fā)數(shù)據(jù)處理機制，創(chuàng)建數(shù)據(jù)接收和數(shù)據(jù)處理子線程：接收子線程負責將接收到的數(shù)據(jù)進行幀提取，并將完整的數(shù)據(jù)幀添加到Arraylist對象的尾部；處理子線程負責從Arraylist對象的頭部提取數(shù)據(jù)幀進行處理。

上位機軟件的實際監(jiān)控效果界面如圖4所示：包括主視圖區(qū)、菜單欄、工具欄、日志顯示區(qū)等。主視圖區(qū)用于顯示當前在線的節(jié)點信息，同時可通過數(shù)字顯示和曲線顯示兩種方式實現(xiàn)對節(jié)點上傳數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測。菜單欄和工具欄用于提示操作人員選用相關功能，使操作更加便捷。日志顯示區(qū)可以實時顯示網(wǎng)關與節(jié)點之間的通信情況，包括控制命令的

下發(fā)以及回復，節(jié)點工作狀態(tài)等，方便技術人員的在線調(diào)試。

圖4 軟件監(jiān)控界面Fig. 4 Monitoring Interface of the Software

3 數(shù)據(jù)傳輸完整性維護

工程現(xiàn)場環(huán)境的限制及電磁干擾等不確定因素引發(fā)的通信中斷和數(shù)據(jù)丟失等現(xiàn)象降低了無線傳感網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)的完整性[6]，從而影響到對采集數(shù)據(jù)的正確分析和后續(xù)處理。為避免現(xiàn)場調(diào)試過程中的數(shù)據(jù)丟失，本文在保證傳輸效率的基礎上，提出了一種數(shù)據(jù)完整性維護策略，制定了基于應用層的通信協(xié)議并設計了丟失補包流程。

3.1 通信協(xié)議的制定

通信協(xié)議幀格式是無線傳感網(wǎng)完成通信或服務所必須遵循的規(guī)則和約定，合理的通信協(xié)議可以通過對信息單元的拓展和完善，保證數(shù)據(jù)順利、準確、高效地傳輸?shù)酱_定地點。

圖5 數(shù)據(jù)流走向示意圖Fig. 5 Schematic Diagram of Data Flow

網(wǎng)關與節(jié)點的通信過程中共存在3種類型的數(shù)據(jù)幀：命令、事件和采樣數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)流走向如圖5所示。命令是指由上位機向節(jié)點下發(fā)的指令，事件是指無線傳感網(wǎng)中各節(jié)點所發(fā)生的需要實時通知上位機和監(jiān)控人員的消息，采樣數(shù)據(jù)主要來自于工業(yè)現(xiàn)場的傳感器所采集的信息。

3 種類型的數(shù)據(jù)幀中，由于命令和事件兩種類型的數(shù)量較少，因此通訊時均采用發(fā)送-確認的傳輸方式，如果發(fā)送的數(shù)據(jù)未收到確認幀，則重新發(fā)送，直到收到確認或重傳次數(shù)超限為止。而采樣數(shù)據(jù)由于其數(shù)據(jù)量大且?guī)L較長，若采用發(fā)送-確認的方式將會增加數(shù)據(jù)傳輸?shù)暮臅r。因此，在保證數(shù)據(jù)傳輸效率的基礎上，我們制定了一種基于應用層的通信協(xié)議，協(xié)議幀格式如圖6所示。

1）幀頭、幀長以及最后的校驗位用于確保接收模塊剔除錯誤的干擾數(shù)據(jù)，并保證單幀數(shù)據(jù)的完整性，準確地提取真實有效的數(shù)據(jù)幀。

圖6 通信協(xié)議幀格式Fig. 6 Format of Communication Protocol Frame

2）目標地址可以保證在一對多的無線傳感網(wǎng)絡通信中，將數(shù)據(jù)發(fā)送至指定的接收模塊。

3）數(shù)據(jù)信息部分是協(xié)議制定的關鍵所在，該部分擴充了功能碼，用于表達數(shù)據(jù)幀的功能含義。增加了總包號和當前包號信息，可以指示當前數(shù)據(jù)的傳輸進度，同時輔助丟失補包流程順利進行，保證數(shù)據(jù)的完整性。

3.2 數(shù)據(jù)丟失補包流程

數(shù)據(jù)丟失補包流程充分利用了協(xié)議中總包號和當前包號的信息，在一組數(shù)據(jù)傳輸完成之后，根據(jù)總包號和當前包號的關聯(lián)關系對數(shù)據(jù)進行逐包檢測，判斷傳輸過程中是否有數(shù)據(jù)包丟失。若有丟失，則命令節(jié)點補發(fā)丟失的數(shù)據(jù)包。

圖7 補包策略流程圖Fig. 7 Flowchart of Data Packet Complement Strategy

如圖7所示，數(shù)據(jù)傳輸開始后，節(jié)點與網(wǎng)關雙方的通信步驟為：

1）節(jié)點分多個數(shù)據(jù)包向網(wǎng)關發(fā)送此次采集的數(shù)據(jù)，網(wǎng)關依據(jù)協(xié)議逐包接收、提取。在第一次收到總包號信息時，分配內(nèi)存單元，用于記錄每一包數(shù)據(jù)的接收情況。接收到當前包號信息時，將相應的數(shù)據(jù)包標志位置1。

2）一組數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，節(jié)點向網(wǎng)關發(fā)送數(shù)據(jù)傳輸完成消息。

3）網(wǎng)關接收到該消息后，根據(jù)內(nèi)存單元中當前包號的標志位信息，逐包判斷是否發(fā)生數(shù)據(jù)包丟失現(xiàn)象。

4）若未丟包，則此次傳輸結(jié)束；若有丟包現(xiàn)象，則程序根據(jù)此時狀態(tài)判斷是否進行補包操作。

5）當需要補傳丟失數(shù)據(jù)包時，首先判斷丟包個數(shù)是否超限，若超限則該組數(shù)據(jù)全部重傳，否則只補傳丟失的數(shù)據(jù)包，同時補包次數(shù)加一；此外，為防止程序陷入補包死循環(huán)，對補包次數(shù)設定上限閾值，超過該值后放棄補包，此次數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束。

6）重復步驟2）～5），直到此次數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束。

4 實驗結(jié)果

4.1 數(shù)據(jù)傳輸丟失率測試

為了驗證數(shù)據(jù)完整性維護策略的效果，項目組在某鐵路實驗段進行了現(xiàn)場測試。實驗在工作現(xiàn)場常見的-80 dBm通訊質(zhì)量的條件下，以低采樣頻率的靜態(tài)應變節(jié)點、高采樣頻率的動態(tài)應變節(jié)點和加速度節(jié)點作為測試節(jié)點，進行數(shù)據(jù)丟失率測試。根據(jù)對節(jié)點采樣頻率、采樣時長、采樣間隔等相關參數(shù)的設置，可以計算出節(jié)點在一段時間內(nèi)采集的數(shù)據(jù)點個數(shù)。每個數(shù)據(jù)點占用2字節(jié)的內(nèi)存空間，由此可計算出每次采集的理論數(shù)據(jù)量Dt。上位機將接收到的數(shù)據(jù)存儲至本地硬盤，由此可獲得本次采集得到的實際數(shù)據(jù)量Da，從而計算得到本次傳輸數(shù)據(jù)的丟失率Rl=(Dt-Da)/Dt。

分別用不同數(shù)量的測試節(jié)點同時向網(wǎng)關發(fā)送數(shù)據(jù)，連續(xù)20次發(fā)送后求得數(shù)據(jù)丟失率的平均值，并與未加入完整性維護策略前的實驗作對比，結(jié)果如表1所示。采用該策略后，可以看到數(shù)據(jù)丟失率穩(wěn)定在0.2%范圍內(nèi)，明顯減少。

表1 數(shù)據(jù)丟失率統(tǒng)計結(jié)果Tab.1 Statistical Result of Data Loss Rate

4.2 數(shù)據(jù)傳輸耗時測試

對于周期性數(shù)據(jù)，需要防止無線傳輸?shù)暮臅r大于數(shù)據(jù)采樣的時間間隔。因此，數(shù)據(jù)傳輸過程加入完整性維護策略后，需要對傳輸耗時情況作測試。我們定義節(jié)點從開始傳輸數(shù)據(jù)到上位機接收完成的時間間隔為傳輸耗時。

分別以靜態(tài)應變節(jié)點、動態(tài)應變節(jié)點及加速度節(jié)點作為測試節(jié)點，并將其工作參數(shù)設定為現(xiàn)場工作參數(shù)，一組數(shù)據(jù)采集完成后發(fā)送給網(wǎng)關，網(wǎng)關再上傳至上位機。上位機與節(jié)點的時間同步后，節(jié)點開始傳輸數(shù)據(jù)時記錄此時的時間TS，上位機接收完成時記錄此時時間Te，則傳輸耗時 Tc約為Te-。分別測試不同節(jié)點的傳輸耗時，多次測試后求其平均值， 測試結(jié)果如表2所示。

不同類型節(jié)點的采樣頻率不同，故采集的數(shù)據(jù)點個數(shù)與傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量均不同。以采樣頻率最高的加速度節(jié)點為例，采樣頻率為5000 Hz，采樣時長為5 s，傳輸耗時均值TC=37.35 s。而鐵路現(xiàn)場傳感器的采樣時間間隔 約為15 min，遠大于數(shù)據(jù)傳輸?shù)暮臅r，因此不會造成耗時累加的情況出現(xiàn)，符合數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)囊蟆?/p>

表2 數(shù)據(jù)傳輸耗時測試Tab.2 Test Result of Data Transmission Time-consuming

5 結(jié) 論

文中針對鋼軌監(jiān)測傳感網(wǎng)現(xiàn)場調(diào)試的實際需求，開展了無線傳感網(wǎng)在線調(diào)試網(wǎng)關的研制工作：設計了網(wǎng)關的硬件電路，開發(fā)了應用于上位機的在線調(diào)試軟件。在建立的實驗平臺上進行測試，結(jié)果表明：在線調(diào)試網(wǎng)關能夠?qū)F(xiàn)場數(shù)據(jù)的丟失率控制在0.2%范圍以內(nèi)，數(shù)據(jù)傳輸完整性高；能夠保證數(shù)據(jù)傳輸耗時小于節(jié)點采樣的時間間隔，滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性要求；有效地解決了鋼軌監(jiān)測傳感網(wǎng)在線調(diào)試的實際問題。

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Development of site commissioning gateway for rail monitoring sensor network

LIU Chong1, FU Hao1, CHEN Yi1, XU Zheng1, WANG Tian-rao2
（1. Dalian University of Technology, Dalian 116024,China;2. Suzhou Ding-han Sensor Networks Technology Company, Suzhou 215121,China）

Aiming at the specific requirements of site commissioning for rail monitoring sensor network, a type of gateway for site commissioning is developed. Structure and composition of its hardware are designed. A data integrity maintenance strategy is proposed and a three-tier software architecture is set up, in which data interface layer, business logic layer and user interface layer are included. Field tests show that the site commissioning gateway is reliable in data transmission, fast in response, small in size and easy to carry, which make it suitable for quick commissioning and maintenance of the rail sensor network.

rail monitoring; wireless transmission; site commissioning; gateway; data integrity

TN711

A

1674-6236(2014)03-0052-04

2013–06–16 稿件編號：201306097

國家“十二五”科技支撐計劃資助項目(2011BAG05B02-03,2011BAG05B02-02)

劉 沖（1963—），男，重慶人，教授。研究方向：生化微傳感器、物聯(lián)網(wǎng)技術。