基于WSN的鐵路客運站運營環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)

徐春婕，史天運，孫明慧

（1.中國鐵道科學(xué)研究院 電子計算技術(shù)研究所，北京100081；2.中國航天科工集團第二研究院706所，北京100854）

0 引 言

隨著鐵路客運站信息化的發(fā)展，支撐車站運營設(shè)備的日益增多，工作環(huán)境變得越來越復(fù)雜；電氣設(shè)備使用中出現(xiàn)的電氣設(shè)備過載、過熱、短路等不安全因素，具有不同程度的火災(zāi)隱患；鐵路客運車站作為人員密集場所，站內(nèi)空氣質(zhì)量也是影響旅客安全和舒適的重要影響因素。因此，通過智能化、網(wǎng)絡(luò)化的管理，以 “節(jié)能、舒適、安全”為原則，對車站運營環(huán)境的設(shè)備、結(jié)構(gòu)等客運站環(huán)境參數(shù)進行監(jiān)控，對故障區(qū)域及設(shè)備和人員進行實時性準確定位，實現(xiàn)節(jié)能減排，提高突發(fā)事故的反應(yīng)能力，對保障客運站的安全運營具有重要的研究意義和現(xiàn)實意義。

目前，各車站根據(jù)本單位的工作實際，開發(fā)了不同層次的監(jiān)控系統(tǒng)，按其功能劃分主要包括FAS（防災(zāi)報警系統(tǒng)）、信號機房環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)、機電設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)和車站供電設(shè)備監(jiān)控等。車站采用的有線防災(zāi)報警系統(tǒng)，通過自動化的手段實現(xiàn)早期火災(zāi)探測、火災(zāi)自動報警及消防設(shè)備聯(lián)動控制。信號機房環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)［2］通過遠端監(jiān)測單元（RTU）由智能一體化采集器及環(huán)境傳感器 （溫／濕度、煙霧、水浸、門禁、空調(diào)控制等）等構(gòu)成，對溫度、濕度、煙霧、水浸、門禁、UPS設(shè)備、蓄電池組、機房空調(diào)等進行監(jiān)測，從而實現(xiàn)對電源設(shè)備、機房環(huán)境的監(jiān)控。機電設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)主要包括車站上水、空調(diào)設(shè)備的智能檢測和控制。上水系統(tǒng)集中監(jiān)測客車上水排干管控制閥門的開關(guān)狀態(tài)，自動監(jiān)測上水管網(wǎng)的壓力、上水流量，根據(jù)列車到發(fā)狀況自動控制上水排干管控制閥門的開關(guān)，當(dāng)控制線路出現(xiàn)故障時，改用手動上水；空調(diào)控制系統(tǒng)監(jiān)測風(fēng)機手／自動轉(zhuǎn)換狀態(tài)，控制車站風(fēng)機組、空調(diào)機組和冷水機組群，將車站空氣的溫度、濕度、流動速度和潔凈度等控制在一定范圍之內(nèi)；車站供電設(shè)備 （SCADA）監(jiān)控主要實現(xiàn)全線的電力設(shè)備和各變電所設(shè)備運行狀態(tài)的集中監(jiān)控。

但是已有的監(jiān)測系統(tǒng)基本是基于有線的數(shù)據(jù)傳輸方式，使得系統(tǒng)在建設(shè)過程中存在如下問題：①車站在建設(shè)過程中存在大量的預(yù)埋管和管內(nèi)穿線工作，且車站環(huán)境監(jiān)測的參數(shù)多、分布廣、布線復(fù)雜、后期測試困難；②維護不方便；③對臨時增加的監(jiān)測場景，尤其是對車站引入新設(shè)備的監(jiān)控不能方便得進行系統(tǒng)接入；④在實際運行過程中由于線路故障，影響信息傳輸，出現(xiàn)漏報的問題［1］；⑤無法滿足車站移動設(shè)備 （如移動售票車）監(jiān)測和人員定位的需求。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò) （wireless sensor networks，WSN）［3］綜合了傳感器、嵌入式系統(tǒng)、計算機網(wǎng)絡(luò)、無線通信及分布式信息處理等技術(shù)，利用大量的微型傳感器和嵌入式處理器節(jié)點，通過無線通信方式組成多跳自組織網(wǎng)絡(luò)，對監(jiān)測對象信息進行采集、感知、處理和傳輸。其具有冗余性、無需布線、自組織性和抗毀性強、成本和能耗低等特性。因此本文將WSN技術(shù)應(yīng)用于車站運營環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中，一方面可以取代有線傳輸方式，進行通信和組網(wǎng)，便于系統(tǒng)的快速部署和實時信息的動態(tài)傳輸，降低系統(tǒng)復(fù)雜度，減少布線成本，提高系統(tǒng)實時性和可靠性；另一方面可以利用嵌入在傳感器中的無線模塊，組成一個兼有無線追蹤定位功能的傳感器網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)掌握站內(nèi)設(shè)備和人員的分布信息，從而為車站設(shè)備的自動控制提供依據(jù)，提升車站管理水平，非常適用于鐵路客運車站的運營環(huán)境監(jiān)測。

1 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的鐵路客運站運營環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

鐵路客運站運營環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng) （the monitoring system for railway station operation environment，MSRSOE）是綜合應(yīng)用軟、硬件技術(shù)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、嵌入式系統(tǒng)等技術(shù)，集中監(jiān)測車站內(nèi)部的電力、照明、空調(diào)、防災(zāi)、視頻監(jiān)控及環(huán)境控制等的大型的綜合自動化監(jiān)控系統(tǒng)。

1.1 系統(tǒng)組網(wǎng)方案設(shè)計

WSN按接入方式可分為全無線接入和部分接入方式兩類。部分接入方式是指無線和有線通信并存。鑒于鐵路車站運營環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)需要監(jiān)控的設(shè)備和參數(shù)非常多，布線非常復(fù)雜，且車站環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)、消防報警子系統(tǒng)、車站結(jié)構(gòu)監(jiān)測、車站機電設(shè)備監(jiān)測等的原始數(shù)據(jù)來自于溫、濕度、電流、電壓等傳感器，因此，可以采用傳感器網(wǎng)絡(luò)代替現(xiàn)有的有線網(wǎng)絡(luò)；但對于一些保護、測量、監(jiān)控等設(shè)備數(shù)量相對較少，如電力設(shè)備監(jiān)控的間隔層設(shè)備繼電保護裝置、測控裝置及故障錄波等設(shè)備，布線更加方便，采用業(yè)已成熟的有線通信方式更加理想。因此，系統(tǒng)WSN宜采用部分接入方式，多個傳感器節(jié)點通過無線網(wǎng)關(guān)接入車站主干網(wǎng)絡(luò)，WSN主要作為移動人員、移動設(shè)備的定位和信息采集和傳輸?shù)耐ǖ溃c有線共同組成監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，也可以作為當(dāng)前車站環(huán)境監(jiān)控的補充和冗余設(shè)計，有效提高系統(tǒng)的可靠性。

目前部分車站已經(jīng)建立了WIFI無線網(wǎng)絡(luò)。由于ZigBee技術(shù)具有低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率的、低成本、安全性高等特點，可以滿足車站環(huán)境、機電設(shè)備、FAS、車站結(jié)構(gòu)等監(jiān)控要求，但對于智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)要求傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量大，傳輸?shù)乃俣缺容^快，可以采用WIFI無線通信技術(shù)。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)采用簇的分層結(jié)構(gòu)，將無線傳感器節(jié)點分為多個簇，簇內(nèi)節(jié)點組成ZigBee網(wǎng)絡(luò)，由簇頭節(jié)點對簇內(nèi)傳感器采集的原始數(shù)據(jù)進行初步處理后，通過802.15.4通信協(xié)議將數(shù)據(jù)匯聚到網(wǎng)關(guān)節(jié)點，由網(wǎng)關(guān)節(jié)點將協(xié)議轉(zhuǎn)化為WIFI無線通信協(xié)議802.11.b后，通過車站內(nèi)部WIFI將數(shù)據(jù)傳送至監(jiān)測平臺。用戶通過監(jiān)測平臺采集監(jiān)測數(shù)據(jù)，發(fā)布監(jiān)測任務(wù)，對傳感器節(jié)點進行配置和管理。由于無線通信的傳輸介質(zhì)和有線通信存在諸多的安全性問題［4］，因此，設(shè)計嚴格按照數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議所規(guī)定的密鑰建立、密鑰傳送、幀保護等安全服務(wù)方法，設(shè)備的健壯性和用戶身份的驗證，基于地址和協(xié)議的流量過濾，無線和有線區(qū)域的監(jiān)控和入侵檢測等多層防御措施［5］。

1.2 系統(tǒng)功能設(shè)計

鐵路客運站的運輸生產(chǎn)和組織監(jiān)控可靠性要求高，規(guī)模龐大、專業(yè)分工細致，需要多方面協(xié)調(diào)，這就要求運營環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)作為車站安全、高效運行的視聽指揮中心。因此，鐵路客運站運營環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)是以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點采集的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以具有良好容錯性能和人性化的人機界面為前提，可以實時反映車站運營狀態(tài)和設(shè)備運行狀態(tài)信息，按需配置監(jiān)測參數(shù)及采集的信息，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一的存儲和管理。系統(tǒng)從功能角度可以劃分為消防報警子系統(tǒng)、機電設(shè)備監(jiān)控子系統(tǒng)、電氣設(shè)備監(jiān)測子系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)、車站結(jié)構(gòu)檢測子系統(tǒng)、智能視頻監(jiān)控子系統(tǒng)和旅客設(shè)備監(jiān)測子系統(tǒng)。

（1）車站環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)

環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)分析車站區(qū)域內(nèi)的環(huán)境質(zhì)量，采集空氣溫度、濕度、CO2含量、噪音、顆粒物等方面的條件，對進行數(shù)據(jù)整理、分析統(tǒng)計，實現(xiàn)車站衛(wèi)生條件監(jiān)控，并為火災(zāi)、空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)及光照系統(tǒng)提供相應(yīng)的環(huán)境參數(shù)。

（2）消防報警子系統(tǒng) （FAS）

FAS以火災(zāi)檢測為目標，具有火災(zāi)信號探測、火災(zāi)位置定位和信號傳送等功能，通過對車站空氣質(zhì)量檢測信息、煙霧濃度和三維加速度等多源物理參數(shù)變化信息進行探測，并將探測信息傳送到監(jiān)控中心，對可能發(fā)生或正在發(fā)生的火災(zāi)狀態(tài)進行預(yù)測預(yù)警。為了提高報警的準確率，設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)閾值，當(dāng)參數(shù)達到一定閾值時，系統(tǒng)及時報警，并通過短信方式通知相應(yīng)的車站管理人員，實現(xiàn)火災(zāi)的實時監(jiān)控。

（3）機電設(shè)備監(jiān)控子系統(tǒng) （BAS）

BAS［5，6］監(jiān)測車站區(qū)域內(nèi)的通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、自動扶梯、電梯等機電設(shè)備的運行狀態(tài)，通過監(jiān)測設(shè)備狀態(tài)的管理、參數(shù)設(shè)定等，實現(xiàn)現(xiàn)場控制機、傳感器等設(shè)備的監(jiān)測，并為自動控制提供數(shù)據(jù)支持。其中監(jiān)控內(nèi)容包括：①通過機電設(shè)備運行的速度、加速度、振動、噪聲及其使用環(huán)境的溫度、壓力、流量、液位等物理參數(shù)檢測，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的預(yù)警規(guī)則，對采集的狀態(tài)量進行異常判斷，并根據(jù)判斷結(jié)果控制現(xiàn)場狀態(tài)指示燈及報警器的狀態(tài)，實現(xiàn)機電設(shè)備狀態(tài)、運行參數(shù)及故障情況的檢測；②通過采集電梯的加速度、溫度、電壓、電流、噪音、振動、壓力等多種性能參數(shù)，監(jiān)測自動扶梯、電梯的運行情況及故障狀態(tài)，當(dāng)出現(xiàn)故障時，通過無線報警模塊予以報警；③采集水泵電機的溫度、電流、電壓以及水泵流量、壓力、水位等數(shù)據(jù)，實現(xiàn)設(shè)備運行狀態(tài)、狀態(tài)檢測與報警；④采集車站送風(fēng)、站廳排風(fēng)等信息，結(jié)合空氣質(zhì)量檢測參數(shù)，監(jiān)測空調(diào)車站風(fēng)機組、空調(diào)機組等空調(diào)設(shè)備運行狀態(tài)，并進行故障報警。

（4）供電監(jiān)測子系統(tǒng)

車站供電監(jiān)測子系統(tǒng)主要是負責(zé)對車站供電系統(tǒng)主要設(shè)備 （包括UPS）和線路的運行狀態(tài)進行監(jiān)視、控制和測量，具有對供電系統(tǒng)用電量統(tǒng)計，供電系統(tǒng)質(zhì)量參數(shù) （電流、電壓、功率）及線路電纜漏電電流、過電流等信號監(jiān)測，故障線路位置定位、漏電線路上的電源切斷、數(shù)據(jù)極值統(tǒng)計及聲光信號報警提示等功能。

（5）車站結(jié)構(gòu)監(jiān)測子系統(tǒng)

車站結(jié)構(gòu)監(jiān)測子系統(tǒng)通過監(jiān)測車站結(jié)構(gòu)的振動速度、傾斜角度等結(jié)構(gòu)相關(guān)的物理量，應(yīng)用結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)變化量來判斷整個結(jié)構(gòu)損傷程度以及是否需要對存在損傷進行處理，確認結(jié)構(gòu)損傷的發(fā)生位置以及損傷程度等信息，在車站結(jié)構(gòu)損傷變形初期發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷變形位置、確認損傷變形程度方面提供有效的參考數(shù)據(jù)［7］。

（6）智能視頻監(jiān)控

智能視頻監(jiān)控通過圖像采集傳感器，實現(xiàn)車站客流量及遺留物、入侵等異常事件的監(jiān)測和定位，提高車站的安全預(yù)警能力。

（7）旅服系統(tǒng)設(shè)備監(jiān)測

旅服系統(tǒng)設(shè)備監(jiān)測實現(xiàn)閘機、自動售票機、自動取票機、查詢機、導(dǎo)向屏等設(shè)備的統(tǒng)一控制和故障管理功能，并通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)追蹤定位功能，實時了解車站設(shè)備、旅客在站內(nèi)的分布狀態(tài)，為車站客運組織提供條件。

1.3 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的鐵路客運站運營環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)功能設(shè)計需求，系統(tǒng)按層次劃分為表現(xiàn)層、業(yè)務(wù)處理層、數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡(luò)層和感知層5個層次。由于系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，要求具有較強的數(shù)據(jù)匯集能力，在系統(tǒng)采集和數(shù)據(jù)接入的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中，采用簇狀分層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。其系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

（1）表現(xiàn)層：表現(xiàn)層提供用戶所需要的各種功能系統(tǒng)，包括空氣質(zhì)量監(jiān)測、FAS、BAS、安保控制、車站結(jié)構(gòu)等業(yè)務(wù)的各應(yīng)用子系統(tǒng)。

（2）業(yè)務(wù)處理層：業(yè)務(wù)處理層包括系統(tǒng)控制、組網(wǎng)管理、數(shù)據(jù)解析、數(shù)據(jù)融合及定位、報警等功能模塊。根據(jù)實際需要通過系統(tǒng)配置模塊定義采樣間隔、采樣頻率、采樣次數(shù)、端口設(shè)置等命令的，讀取傳感器數(shù)據(jù)，設(shè)置傳感器休眠；通過多信標傳感器節(jié)點對感知信息的到達時間、信號強度等特性檢測，實現(xiàn)目標傳感器的實時定位和跟蹤。

（3）數(shù)據(jù)層：數(shù)據(jù)層是整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心，包括各類監(jiān)測數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)配置數(shù)據(jù)庫、節(jié)點位置信息等。

（4）網(wǎng)絡(luò)層：系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層包括WIFI無線網(wǎng)絡(luò)和有線局域網(wǎng)絡(luò)，感知層簇首節(jié)點傳送的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)關(guān)無線接入車站W(wǎng)IFI網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)業(yè)務(wù)處理層需要下發(fā)控制數(shù)據(jù)時，接入網(wǎng)關(guān)接收到數(shù)據(jù)時，通過簇首節(jié)點將數(shù)據(jù)發(fā)送給功能節(jié)點，從而實現(xiàn)信息的交互和轉(zhuǎn)發(fā)。

（5）感知層：信息感知層由溫、濕度傳感器、煙霧傳感器、氣體傳感器、振動傳感器、噪音探測傳感器、光照傳感器、紅外傳感器、傾角傳感器、電流傳感器、電壓傳感器、加速度傳感器等多類功能節(jié)點組成。多個功能節(jié)點組成一個感知子域，每個感知子域至少具有一個簇頭節(jié)點，功能節(jié)點將環(huán)境采集信息初步分析和處理后通過簇首節(jié)點即網(wǎng)關(guān)節(jié)點傳送至監(jiān)控平臺，并通過簇首節(jié)點接收和轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)控平臺的數(shù)據(jù)請求和指令。

1.4 系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.4.1 無線傳感器節(jié)點

系統(tǒng)傳感器節(jié)點由傳感器模塊、微處理器模塊、無線通信模塊、存儲模塊、報警模塊和電源模塊組成。節(jié)點結(jié)構(gòu)如圖2所示。

本文的傳感器節(jié)點采用支持IEEE802.15.4／ZigBee協(xié)議2.4GHz頻段的CC2530模塊或支持802.11bRS9110－N－11－22－05模塊、電源模塊接口、1與14位的A／D轉(zhuǎn)換串口模塊和LED部分。CC2530內(nèi)部已集成了一個8051微處理器與高性能的RF收發(fā)器，256KB可編程閃存和8KB的RAM。節(jié)點使用電池進行供電。

圖1 基于WSN的鐵路客運車站運營環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

圖2 無線傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu)

1.4.2 網(wǎng)關(guān)節(jié)點

網(wǎng)關(guān)節(jié)點的硬件主要由ZigBee的無線模塊CC2530、WIFI無線模塊和C8051F120微處理器組成，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1.4.3 控制節(jié)點

圖3 網(wǎng)關(guān)節(jié)點結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)中采用以有線控制為主，無線冗余的方式對設(shè)備進行控制?？刂乒?jié)點以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點為基礎(chǔ)，由ARM9處理器模塊、無線通信模塊、能量模塊和接口模塊組成。通過接口模塊可以添加擴展板，集成不同類型的傳感器，采集監(jiān)測數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 網(wǎng)關(guān)設(shè)計

網(wǎng)關(guān)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵，其作用是通過Zighee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議IEEE802.15.4與IEEE802.11協(xié)議轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)Zighee網(wǎng)絡(luò)與WIFI網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)。一方面承載著數(shù)據(jù)接收功能，另一方面負責(zé)將收到的數(shù)據(jù)進行協(xié)議轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)、分享和控制功能。因此網(wǎng)關(guān)程序設(shè)計可以分為兩個部分：ZigBee無線模塊程序設(shè)計和基于ARM9處理器程序設(shè)計，WIFI無線模塊的操作包含在ARM9處理器程序設(shè)計中。其運行流程如圖4所示。

圖4 網(wǎng)關(guān)程序運行流程

2.2 數(shù)據(jù)處理及數(shù)據(jù)融合

由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)部署的冗余性，且鐵路車站運營環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)要求時延小，傳輸數(shù)據(jù)量大，如果感知節(jié)點的冗余數(shù)據(jù)都通過路由節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)，必然導(dǎo)致消耗大量的能量致使網(wǎng)絡(luò)生命周期縮短，還會引起網(wǎng)絡(luò)擁塞而產(chǎn)生較大的數(shù)據(jù)延遲。因此，通過網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部相關(guān)節(jié)點的融合算法刪除冗余、無效和可信度較差的信息，提高監(jiān)測描述的魯棒性、準確性和實時性是鐵路車站運營環(huán)境監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵。

本文首先采用Grubbs準則［8］對數(shù)據(jù)進行分析處理，剔除干擾數(shù)據(jù)和錯誤數(shù)據(jù)；然后通過自適應(yīng)加權(quán)數(shù)據(jù)融合［9］的方法對同一時刻的有效數(shù)據(jù)進行計算，獲得各傳感器采集的精確值。其具體過程如下：

（1）設(shè)第i個傳感器采集的一組由小到大順序排列的測量值x1，x2，…，xn，計算其均值和方差σ2，其中＝統(tǒng)計值i＝1或i＝n，如果T大于查表得到的某一閾值g0（n，1－p）則予以剔除，其中n為測量數(shù)據(jù)的個數(shù)，p為置信概率，通常取值為0.95和0.99。

（2）設(shè)m個傳感器對同一環(huán)境的溫度進行測量，這m的傳感器的方差，j＝1，…，m，計算最優(yōu)加權(quán)因子wj＝得 到 數(shù) 據(jù) 融 合 估 計 值 x ＝其中為第j個傳感器采集的一組可信數(shù)據(jù)的均值。

2.3 定位技術(shù)

鐵路車站運營環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)兼有定位追蹤功能，適用于車站設(shè)備、人員及故障的位置追蹤，本文采用基于RSSI［10］的定位算法，路由節(jié)點作為信標節(jié)點安裝到固定的室內(nèi)位置，感知區(qū)域節(jié)點作為目標節(jié)點，由目標節(jié)點向信標節(jié)點發(fā)送射頻信號，通過信標節(jié)點以無線方式轉(zhuǎn)發(fā)給匯聚節(jié)點，匯聚節(jié)點計算目標節(jié)點與信標節(jié)點的距離，并通過串口通信傳送給監(jiān)控系統(tǒng)，其算法流程如圖5所示。

圖5 基于RSSI定位算法流程

信號傳播模型采用公式如下所示

式中：PL（d）——與發(fā)射端距離為d處的信號強度，單位為dBm，d0——一個固定基準距離，n——一個與傳輸介質(zhì)有關(guān)的常數(shù)，其值為實際環(huán)境測得的數(shù)據(jù)，xσ——一個高斯分布隨機變量。

最后采用極大似然估計算法［9］實現(xiàn)位置定位。

2.4 實驗分析

（1）數(shù)據(jù)融合仿真實驗

設(shè)傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇后的簇內(nèi)的3個傳感器節(jié)點，采集的數(shù)據(jù)服從分布：ci＝x＋vi，E（vi）＝0；D（v1）＝1；D（v2）＝5；D（v3）＝10。

監(jiān)控車站站臺風(fēng)速目標呈穩(wěn)態(tài)變化，即x＝3.5。在matlab仿真環(huán)境下，通過Grubbs準則將剔除干擾數(shù)據(jù)如圖6（a）～ （c）所示，采用自適應(yīng)加權(quán)融合后的結(jié)果如圖6（d）所示。

圖6 傳感器節(jié)點仿真數(shù)據(jù)及融合結(jié)果

由圖6可以看出，數(shù)據(jù)融合后的精度小于等于σ2＝1的數(shù)據(jù)精度。雖然傳感器數(shù)據(jù)中測量誤差為σ2為1，5，10，幅值范圍為－2.5～2.5，－14.5～14.5，25.5～25.5，融合后的幅值范圍為－2.3～2.3，說明融合的數(shù)據(jù)精度得以提高。

（2）定位實驗分析

本文搭建了一個4個信標節(jié)點位置如圖7（a）所示，測試節(jié)點位置在坐標 （3.5，3.5）處，通過多次測試，定位結(jié)構(gòu)如圖7（b）所示。

圖7 傳感器節(jié)點信標及定位效果

經(jīng)過測試，通過調(diào)整n的取值，n∈［2，4］，實測數(shù)據(jù)的平均誤差在2.26 m，最大誤差達到4.8 m。該誤差控制在系統(tǒng)可接受范圍3 m內(nèi)。由于車站工作人員位置定位要求較低，可以滿足系統(tǒng)要求。引起誤差的原因包括空氣密度、溫度等環(huán)境噪聲等，可以進一步進行優(yōu)化，對定位要求較高的設(shè)備，可以設(shè)計不同的定位方法。

3 結(jié)束語

本文針對鐵路車站運營環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)測量參數(shù)多和布線難等問題，利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)設(shè)計了新一代車站運營環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，減少了車站建設(shè)中的布線，降低了監(jiān)控的成本，提高了系統(tǒng)的靈活性和可維護性。系統(tǒng)通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對無線傳感器進行配置和網(wǎng)絡(luò)管理，實時采集車站的人員、設(shè)備、環(huán)境等狀態(tài)參數(shù)，實現(xiàn)鐵路客運車站環(huán)境、消防、機電設(shè)備、供電設(shè)備及車站結(jié)構(gòu)狀態(tài)等的實時監(jiān)測，通過數(shù)據(jù)融合提高了數(shù)據(jù)的精度，利用傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)可迅速定位故障設(shè)備及人員到崗管理，為車站的安全運營提供了可靠的科學(xué)的理論依據(jù)。而如何提高定位的精度將是下一步研究工作的重點。

［1］WEI Liming，HAN Chenghao.Design of wireless fire alarm system based on ZigBee technology ［J］.Moder Architecture Electric，2012，6 （11）：21－24 （in Chinese）. ［魏立明，韓成浩.基于ZigBee技術(shù)的無線消防報警系統(tǒng)設(shè)計 ［J］.現(xiàn)代建筑電氣，2012，6 （11）：21－24.］

［2］LIU Daohuan.Research and design of railway signal equipment room environment monitoring system base on ARM9 ＿Vx－Works［D］.Nanchang：Nanchang University，2010 （in Chinese）.［劉道歡.基于ARM9－VxWorks的鐵路信號機房環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的研究與設(shè)計 ［D］.南昌：南昌大學(xué)，2010.］

［3］CHEN Min，WANG Bo，LI Junhua，et al.The wireless sensor networks principles and practice ［M］.Beijing：Chemical Industry Press，2011 （in Chinese）. ［陳敏，王擘，李軍華，等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)原理與實踐 ［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011.］

［4］YAO Peng，LIU Gang，LIU Yan，et al.Study and application on key technologies for air vehicle structural health monitoring system based on wireless sensor network ［J］.Modern Electronics Technique，2013，37 （11）：28－35 （in Chinese）.［姚鵬，劉剛，劉巖，等.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的飛行器結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用 ［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2013，37 （11）：28－35.］

［5］WU Hui.Design and implementation for metro electrical equipment monitoring system ［D］.Guangzhou：Guangdong University of Technology，2005 （in Chinese）. ［吳輝.地鐵機電設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) ［D］.廣州：廣東工業(yè)大學(xué)，2005.］

［6］US－CERT.Recommended practices guide for securing ZigBee wireless networks in process control system environments ［EB／OL］. ［2012－09－20］.http：／／www.us－cert.gov／control＿systems／practices／Recommended＿Practices.

［7］HE Pei.Research of building structure monitoring system based on wireless sensor network ［D］.Wuxi：Jiangnan University，2012（in Chinese）.［何佩.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的樓宇結(jié)構(gòu)的檢測系統(tǒng)的研究 ［D］.無錫：江南大學(xué)，2012.］

［8］QU Jianfeng.The research and applications of data fusion and target tracking in wireless sensor networks ［D］.Chongqing：Chongqing University，2009 （in Chinese）. ［屈劍鋒.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)融合與目標跟蹤研究及其應(yīng)用 ［D］.重慶：重慶大學(xué)，2009.］

［9］GAO Feng.Research on the automatic monitoring system based on wireless sensor networks for facility agriculture environment［D］.Hangzhou：Zhejiang University of Technology，2009（in Chinese）.［高峰.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境自動監(jiān)控系統(tǒng)研究 ［D］.杭州：浙江工業(yè)大學(xué)，2009.］

［10］YANG Feng，SHI Haoshan，ZHU Lingbo，et al.An intelligent localization system based on RSSI ranging technique for WSN ［J］.Chinese Journal of Sensors and Actuators，2008，21 （1）：135－140 （in Chinese）. ［楊風(fēng)，史浩山，朱靈波，等.一種基于測距的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)智能定位算法 ［J］.傳感技術(shù)學(xué)報，2008，21 （1）：135－140.］

［11］LI Xinchun，YANG Hong，YANG Yuancheng.Zigbee mesh network routing selection algorithm based on communication cost ［J］.Computer Engineering and Design，2013，34 （7）：2353－2357 （in Chinese）.［李新春，楊洪，李元誠.基于通信代價的Zigbee網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)路由選擇算法 ［J］.計算機工程與設(shè)計，2013，34 （7）：2353－2357.］

［12］ZHANG Lun，QU Jun，LU Yan，et al.Wireless sensor network model of urban railway transport ［J］.Urban Railway Transport，2007 （12）：28－32 （in Chinese）. ［張輪，瞿軍，陸琰，等.城市軌道交通的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型 ［J］.城市軌道交通，2007 （ 12）：28－32.］