基于鏈狀無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的貨運(yùn)列車監(jiān)控系統(tǒng)

馬　樂，趙　銳，姚金飛，劉　言（.軍事交通學(xué)院　研究生管理大隊(duì)，天津　3006；.軍事交通學(xué)院　基礎(chǔ)部，天津　3006）

基于鏈狀無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的貨運(yùn)列車監(jiān)控系統(tǒng)

馬樂1，趙銳2，姚金飛1，劉言1
（1.軍事交通學(xué)院研究生管理大隊(duì)，天津300161；2.軍事交通學(xué)院基礎(chǔ)部，天津300161）

在分析鐵路貨物運(yùn)輸特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了基于無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的貨運(yùn)列車狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)。以雙模鏈狀無線Mesh網(wǎng)絡(luò)作為監(jiān)控信息傳輸?shù)耐ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)，研究設(shè)計(jì)了基于Raspberry Pi平臺(tái)的多媒體信息采集節(jié)點(diǎn)和智能的監(jiān)控軟件，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)輸人員在貨運(yùn)機(jī)車中對在運(yùn)物資的集中式、智能化監(jiān)控。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)能夠有效提高鐵路貨物運(yùn)輸?shù)陌踩院涂煽啃浴?/p>

鏈狀無線Mesh網(wǎng)絡(luò)；Raspberry Pi；貨運(yùn)列車監(jiān)控系統(tǒng)

0　引言

鐵路貨運(yùn)列車長期以來由于車體結(jié)構(gòu)限制，沒有基于總線結(jié)構(gòu)的車載通信系統(tǒng)，也不具備自帶電力設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)連接的條件，因此貨運(yùn)列車的安全監(jiān)控相對比較困難。一方面，鐵路平車運(yùn)輸?shù)拇笮驮O(shè)備在運(yùn)狀態(tài)得不到監(jiān)測；另一方面，棚車或集裝箱承運(yùn)的物資設(shè)備，經(jīng)常受到非法入侵和車廂環(huán)境狀態(tài)變化的威脅。如何進(jìn)一步提升鐵路貨運(yùn)的安全性成為熱點(diǎn)研究內(nèi)容。

國內(nèi)外學(xué)者提出的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的貨運(yùn)列車車廂安全監(jiān)測系統(tǒng)，將低成本、低功耗的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用在鐵路貨運(yùn)列車狀態(tài)的檢測上。但是低功率的無線傳感網(wǎng)絡(luò)不能有效地在電氣化鐵路條件下運(yùn)行。另外，基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控對象單一，只限于車門開關(guān)狀態(tài)、溫濕度等狀態(tài)數(shù)據(jù)的監(jiān)控，不能滿足特殊條件下圖像甚至視頻信息穩(wěn)定傳輸?shù)男枨螅?-2］。

無線Mesh網(wǎng)絡(luò)（Wireless Mesh Network，WMN）也稱多跳（multi-hop）網(wǎng)絡(luò)，是一種具有自愈合、自組織、多跳無線連接特性的寬帶無線網(wǎng)絡(luò)［3］。無線Mesh網(wǎng)絡(luò)最大的特點(diǎn)在于支持多跳通信，節(jié)點(diǎn)之間能夠按照一定的路由協(xié)議自動(dòng)建立和維護(hù)通信鏈路，極大地提高了網(wǎng)絡(luò)的可靠性。無線Mesh網(wǎng)絡(luò)因其大容量、高速率、高覆蓋、低成本等特點(diǎn)，在城域網(wǎng)、校園網(wǎng)、醫(yī)院等企事業(yè)單位獲得了發(fā)展與應(yīng)用。

1　監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文以Mesh組網(wǎng)技術(shù)、嵌入式技術(shù)為基礎(chǔ)，提出基于鏈狀無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的貨運(yùn)列車監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。監(jiān)控前端節(jié)點(diǎn)采集列車運(yùn)行狀態(tài)下的載運(yùn)物資多媒體狀態(tài)信息，監(jiān)控信息通過鏈狀Mesh網(wǎng)絡(luò)多跳傳輸至監(jiān)控終端，監(jiān)控終端實(shí)時(shí)接收、存儲(chǔ)和顯示各監(jiān)控點(diǎn)的車廂運(yùn)行狀態(tài)，并在危險(xiǎn)狀態(tài)下發(fā)出預(yù)警，從而實(shí)現(xiàn)對貨運(yùn)列車運(yùn)輸狀態(tài)的集中式一體化監(jiān)控［4］。

圖1　基于無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的貨運(yùn)列車監(jiān)控系統(tǒng)整體架構(gòu)

監(jiān)控前端即物資、裝備的狀態(tài)信息采集節(jié)點(diǎn)，監(jiān)控前端節(jié)點(diǎn)分布于載運(yùn)貨物的各類運(yùn)輸車廂內(nèi)。節(jié)點(diǎn)以嵌入式Linux開發(fā)板為平臺(tái)，由控制模塊、信息采集模塊、無線通信模塊和電源模塊4個(gè)功能模塊組成?？刂颇K是監(jiān)控前端節(jié)點(diǎn)的計(jì)算和控制核心，控制各模塊運(yùn)行；信息采集模塊通過溫度等各類傳感器采集在運(yùn)物資的狀態(tài)信息；無線通信模塊負(fù)責(zé)控制指令和監(jiān)控信息的收發(fā)；電源模塊為節(jié)點(diǎn)的運(yùn)作提供電能。

Mesh路由節(jié)點(diǎn)是整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行的關(guān)鍵，用來搭建鏈狀無線Mesh網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)現(xiàn)各監(jiān)控前端節(jié)點(diǎn)與監(jiān)控終端的實(shí)時(shí)通信。節(jié)點(diǎn)由路由設(shè)備和附屬設(shè)備組成，主要分布于運(yùn)輸車廂或運(yùn)輸裝備上，承擔(dān)數(shù)據(jù)傳輸骨干網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建和監(jiān)控前端無線網(wǎng)絡(luò)接入的AP功能。

監(jiān)控終端由移動(dòng)PC或定點(diǎn)監(jiān)控中心組成，終端實(shí)時(shí)接收、存儲(chǔ)監(jiān)控信息，并運(yùn)行監(jiān)控軟件智能顯示和預(yù)警監(jiān)控狀態(tài)。

2　雙模的鏈狀Mesh網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

車載鏈狀無線Mesh網(wǎng)絡(luò)有如下特點(diǎn)：（1）當(dāng)列車進(jìn)行甩掛編組作業(yè)或局部節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，原有的通信鏈路會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)必須具備在完全無需人工干預(yù)的條件下始終保持通信鏈路通暢和數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸?shù)哪芰Γ唬?）監(jiān)控信息傳輸涉及車廂之間信息的互通，即鏈狀Mesh網(wǎng)絡(luò)必須在車廂內(nèi)和車廂外形成穩(wěn)定的通路?；诖?，本系統(tǒng)中的鏈狀Mesh網(wǎng)絡(luò)采用雙模的傳輸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖2所示。該網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)路由節(jié)點(diǎn)有兩路射頻，一路射頻工作在IEEE802.11b/g標(biāo)準(zhǔn)2.4GHz頻段，另外一路射頻工作在IEEE802.11a標(biāo)準(zhǔn)的5.8GHz頻段，兩個(gè)射頻模塊獨(dú)立工作在不同的信道上，相互之間不存在干擾［5］。

圖2　雙模傳輸結(jié)構(gòu)

這種雙模鏈狀結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)之一是構(gòu)成實(shí)際“多鏈”結(jié)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)可以按照路由協(xié)議自由建立通信鏈路。當(dāng)節(jié)點(diǎn)順序發(fā)生變化或者某個(gè)節(jié)點(diǎn)失效時(shí)，節(jié)點(diǎn)重新進(jìn)行路由計(jì)算，從多條可用的通信路徑中選擇一條最優(yōu)路徑進(jìn)行信息傳輸，降低了對某單一節(jié)點(diǎn)的依賴性，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。雙模Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)合多天線技術(shù)，為2.4GHz和5.8GHz兩路頻率配置相應(yīng)的全向天線，并將兩路天線分別置于車廂內(nèi)和車廂外。通過節(jié)點(diǎn)本身的地址轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)車廂內(nèi)外信息的互通，信號(hào)不用穿透金屬車體即可回傳至骨干網(wǎng)絡(luò)，完全滿足鏈狀網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控信息的傳輸需求。

3　系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1監(jiān)控前端硬件設(shè)計(jì)

本文選用Raspberry Pi開發(fā)板作為監(jiān)控前端節(jié)點(diǎn)的嵌入式核心系統(tǒng)即節(jié)點(diǎn)的控制模塊。Raspberry Pi［6］是一個(gè)面積不超過信用卡大小卻具有強(qiáng)大的計(jì)算和處理能力的微型計(jì)算機(jī)。通過Raspberry Pi的GPIO口外接溫濕度傳感器、煙霧傳感器和紅外傳感器，USB接口接入攝像頭和無線網(wǎng)卡，Micro USB接口接入大容量移動(dòng)電源，構(gòu)建多媒體監(jiān)控前端節(jié)點(diǎn)硬件，硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　監(jiān)控前端硬件結(jié)構(gòu)

3.2軟件設(shè)計(jì)

溫、濕度檢測功能主要通過瑞士Sensirion公司推出的SHTxx單片數(shù)字溫濕度集成傳感器實(shí)現(xiàn)，主要根據(jù)傳感器輸出的數(shù)據(jù)，通過計(jì)算公式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的修正，最后通過軟件輸出；紅外傳感器通過紅外感應(yīng)模塊實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能，傳感器周圍紅外線輻射相對較強(qiáng)并超過或等于判定臨界值時(shí)，軟件設(shè)計(jì)輸出高電平，煙霧傳感器與紅外原理相同；圖像信號(hào)通過USB攝像頭獲取，Raspberry Pi開發(fā)板中的VENC模塊編碼通道實(shí)現(xiàn)H.264圖像壓縮，安裝圖像抓拍軟件fswebcam實(shí)現(xiàn)圖像實(shí)時(shí)監(jiān)測。

節(jié)點(diǎn)應(yīng)用軟件中網(wǎng)絡(luò)通信是基于套接字（Socket）的方式實(shí)現(xiàn)的。以TCP/IP通信協(xié)議為基礎(chǔ)，建立流式套接字（SOCK_STREAM）的網(wǎng)絡(luò)通信模式。網(wǎng)絡(luò)通信方式上，使用了多個(gè)線程去處理不同類型數(shù)據(jù)的傳輸。各個(gè)監(jiān)控前端主動(dòng)發(fā)起與終端的連接，不同類型的傳感器采集的數(shù)據(jù)通過不同的線程被發(fā)送至監(jiān)控終端的服務(wù)器中。當(dāng)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)異常時(shí)，系統(tǒng)主動(dòng)發(fā)起聲音和文字預(yù)警，待異常狀態(tài)解除后報(bào)警自動(dòng)解除，節(jié)點(diǎn)狀態(tài)重新回到“正?！?，實(shí)現(xiàn)了智能監(jiān)控的功能［7］。監(jiān)控終端軟件設(shè)計(jì)流程如圖4所示。

圖4　監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

4　實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

系統(tǒng)測試分網(wǎng)絡(luò)性能測試和監(jiān)控軟件測試兩部分。通過在貨運(yùn)列車上構(gòu)建鏈狀Mesh網(wǎng)絡(luò)，以方便安裝的網(wǎng)絡(luò)攝像頭為載體進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)性能測試，測試截圖如圖5所示。實(shí)驗(yàn)表明，鏈狀Mesh網(wǎng)絡(luò)在列車運(yùn)行中基本穩(wěn)定，能夠滿足監(jiān)控信息實(shí)時(shí)傳輸?shù)男枨蟆D6為實(shí)驗(yàn)室測試監(jiān)控軟件性能截圖，監(jiān)控界面能夠?qū)崟r(shí)顯示監(jiān)控信息，表明監(jiān)控系統(tǒng)軟件是可靠的。

5　結(jié)論

本文將無線Mesh網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于貨運(yùn)列車狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)中，提出基于鏈狀無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的貨運(yùn)列車監(jiān)控系統(tǒng)整體解決方案，研究構(gòu)建面向鐵路貨物運(yùn)輸中物資監(jiān)控信息穩(wěn)定傳輸?shù)耐ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)和智能化的監(jiān)控系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)表明，系統(tǒng)能夠滿足鐵路貨物運(yùn)輸多媒體實(shí)時(shí)監(jiān)控的需要，實(shí)現(xiàn)機(jī)車工作人員對整個(gè)列車所承運(yùn)物資的狀態(tài)和環(huán)境狀況的全方位監(jiān)控。

圖5　網(wǎng)絡(luò)性能測試監(jiān)控界面

圖6　監(jiān)控軟件界面

［1］ABOELELA E，EDBERGW，PAPAKONSTANTINOU C，et al.Wireless sensor network based model for secure railway operations［C］.Performance，Computing，and Communications Conference，IPCCC 2006，25th IEEE International，IEEE，2006：623-628.［2］鞠迎華.基于WSN和RFID的鐵路危險(xiǎn)品在途監(jiān)測技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)［D］.北京：北京交通大學(xué)，2012.

［3］AKYILDIZ I F，Wang Xudong.A survey on wireless mesh networks［J］.Communications Magazine，IEEE，2005，43（9）：23-30.

［4］姚國才.基于無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)［D］.北京：北京郵電大學(xué)，2011.

［5］STEFAN A，WOLFGANG S.Performance measurements in wireless 802.1lg multi-hop networks［D］.Sweden：University of Hogskolani Halmstad，2006.

［6］RICHARDSON M，WALLACE S.Gettingstartedwith Raspberry Pi［M］.O′Reilly Media，Inc.，2012.

［7］宋敬彬，孫海濱.Linux網(wǎng)絡(luò)編程［M］.清華大學(xué)出版社，2010.

武漢新芯3D NAND研發(fā)取得重要進(jìn)展

武漢新芯集成電路制造有限公司（XMC），一家迅速發(fā)展的300MM集成電路制造商，近日宣布其3D NAND項(xiàng)目研發(fā)取得突破性進(jìn)展，第一個(gè)具有9層結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)測試芯片通過存儲(chǔ)器功能的電學(xué)驗(yàn)證。

2014年年底，武漢新芯公司與存儲(chǔ)器領(lǐng)域的世界級研發(fā)團(tuán)隊(duì)Cypress（原Spansion）組建了聯(lián)合研發(fā)團(tuán)隊(duì)，開始了3D NAND項(xiàng)目的研發(fā)工作。通過各方團(tuán)隊(duì)的并肩合作和傾力攻堅(jiān)，該項(xiàng)目正按照原計(jì)劃高效地向前推進(jìn)，半年時(shí)間內(nèi)，在工藝制程開發(fā)及測試驗(yàn)證上取得了階段性的成功。

“憑借研發(fā)團(tuán)隊(duì)強(qiáng)大的技術(shù)能力和高效的執(zhí)行力，我相信3D NAND項(xiàng)目的后續(xù)研發(fā)及量產(chǎn)工作將繼續(xù)順利地進(jìn)行?！蔽錆h新芯執(zhí)行長楊士寧博士表示，“此次取得重大進(jìn)展，表明我們開始掌握世界最前沿科技領(lǐng)域的核心技術(shù)，并逐漸建立完全自主可控的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，邁入了國際3D NAND技術(shù)的競爭行列。我們有信心將自主研發(fā)的3D NAND產(chǎn)品按時(shí)推向市場。”

武漢新芯在研發(fā)團(tuán)隊(duì)的創(chuàng)新力與執(zhí)行力得益于長期與中科院微電子研究所展開緊密的合作。在3D NAND項(xiàng)目上，雙方采用了創(chuàng)新的合作模式，即將雙方的專家在研發(fā)項(xiàng)目與人力資源的管理上，在企業(yè)的平臺(tái)上合為一體。這一模式將中科院微電子所深厚的理論背景與武漢新芯豐富的制造和研發(fā)經(jīng)驗(yàn)有機(jī)地相結(jié)合，不僅增強(qiáng)了國際合作中的中方團(tuán)隊(duì)的實(shí)力，為研究成果共享奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，也為國內(nèi)推廣“產(chǎn)學(xué)研用”相結(jié)合，提供了方法科學(xué)且可行的樣板。

（武漢新芯供稿）

A freight train monitoring system based on chain wireless Mesh network

Ma Le1，Zhao Rui2，Yao Jinfei1，Liu Yan1
（1.Postgraduate Training Brigade，Military Transportation University，Tianjin 300161，China；2.General Courses Department，Military Transportation University，Tianjin 300161，China）

On the basis of analyzing the characteristics of railway freight transportation，this paper put forward the freight train monitoring system based on wireless Mesh network.Taking chain of dual-mode wireless Mesh network as the transmission network of monitoring information，a multimedia information collection node with the Raspberry Pi platform and intelligent monitoring software was designed.This system realized the centralized and intelligent monitoring of the freight in transportation by staff in the locomotive.Experiments show that the system can effectively improve the safety and reliability of railway freight transportation.

wireless chain Mesh network；Raspberry Pi；freight train monitoring system

TP368

A

1674-7720（2015）10-0074-03

2014-12-29）

馬樂（1990-），男，碩士研究生，主要研究方向：交通信息工程及控制。

趙銳（1957-），男，碩士，教授，主要研究方向：交通信息工程及控制。