鐵路物資押運(yùn)專用無線自組網(wǎng)協(xié)議研究

程存學(xué) 孫長國 朱錦泉

（中國人民解放軍92117部隊(duì)北京 100072）

鐵路物資押運(yùn)專用無線自組網(wǎng)協(xié)議研究

程存學(xué) 孫長國 朱錦泉

（中國人民解放軍92117部隊(duì)北京 100072）

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，本文提出了一種用于鐵路物資押運(yùn)的無線自組網(wǎng)協(xié)議，并給出了協(xié)議的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、幀格式以及網(wǎng)絡(luò)的自組織過程，實(shí)現(xiàn)了一種低功耗的傳感器網(wǎng)絡(luò)。通過該協(xié)議將列車車門狀態(tài)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)匯集到押運(yùn)人員手中，實(shí)現(xiàn)押運(yùn)過程的監(jiān)控與報(bào)警。

鐵路運(yùn)輸安全 電子鎖 無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 自組織協(xié)議

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(duì)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(shì)

鐵路系統(tǒng)棚式貨運(yùn)列車均為鐵制，且滿掛時(shí)長達(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(duì)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(dòng)傳輸?shù)年P(guān)鍵，因?yàn)樗苯雨P(guān)系到各個(gè)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(gè)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(gè)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]。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(gè)頻段，但在國內(nèi)只能工作在2.4GHz頻段。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(huì)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(duì)不同的應(yīng)用需求，需要使用特定專用協(xié)議。考慮到物資押運(yùn)列車的各個(gè)節(jié)點(diǎn)的位置相對(duì)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(gè)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(duì)整個(gè)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(gè)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(gè)手持終端組成[2]。

其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

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(tái)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)。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(tái)監(jiān)控系統(tǒng)的通信與信息交互[3]。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。

圖2 自組織協(xié)議拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

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(duì)于主節(jié)點(diǎn)的位置等信息。在整個(gè)列車部署完成后，手持終端內(nèi)就存儲(chǔ)了各個(gè)節(jié)點(diǎn)的位置信息，從而完成路由基礎(chǔ)信息的建立。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(gè)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(shí)監(jiān)控。

每列火車可以自行組成一個(gè)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(shí)間做出反應(yīng)，調(diào)集相關(guān)力量進(jìn)行后續(xù)應(yīng)對(duì)。

4 協(xié)議設(shè)計(jì)

4.1 協(xié)議的層次結(jié)構(gòu)

針對(duì)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3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[4]，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,由上一層調(diào)用。

圖3 層次結(jié)構(gòu)

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(dòng)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(shí)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(jí)識(shí)別號(hào)用于多個(gè)系統(tǒng)同時(shí)應(yīng)用時(shí)電子鎖身份認(rèn)證；幀號(hào)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(gè)電子鎖與手持終端在時(shí)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(jí)別、接收父節(jié)點(diǎn)信息時(shí)的信號(hào)強(qiáng)度、鎖開合狀態(tài)信息、電子鎖對(duì)應(yīng)的車輛編號(hào)等[5]。

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。

首先，手持終端對(duì)各個(gè)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(hào)。編號(hào)由按前至后的方向順序編號(hào),并設(shè)押運(yùn)車輛編號(hào)為，電子鎖對(duì)應(yīng)車輛編號(hào)為。

在步驟102中，手持終端作為第0級(jí)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(hào)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(jí)別、接收信號(hào)強(qiáng)度、時(shí)鐘等，并計(jì)算信息回傳的延時(shí)。計(jì)算方法為：設(shè)延時(shí)為t,則。延時(shí)時(shí)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。

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(gè)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(jí)父節(jié)點(diǎn)。然后選擇一個(gè)電子鎖節(jié)點(diǎn)作為下一級(jí)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(hào)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(hào)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(hào)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(jí)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(jí)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(jí)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。

圖5 協(xié)議工作流程圖

5 結(jié)束語

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(hào)傳輸距離短、繞射障礙物能力差的不足，且信息傳輸實(shí)時(shí)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(gè)電子鎖節(jié)點(diǎn)可以任意部署到各個(gè)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(dòng)組網(wǎng)，實(shí)時(shí)性好，功耗低，可長時(shí)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希瑴p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。

[1]孫茂一,陳利學(xué).Zigbee技術(shù)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用[J].傳感器技術(shù).2008,(2):191-194.

[2]刁雪慧,徐德民.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)[J].機(jī)械與電子.2008,(5):65-67.

[3]王瑞榮，陳碧.低功耗自組織無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[J].計(jì)算機(jī)測量與控制,2005,13(9):881-883.

[4]吳光榮,全劍敏,章劍雄.基于CC1110的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)[J].電子工程師.2008,34(10):60-63.

[5]陳志,王汝傳,孫力娟.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自組織機(jī)制研究[J].電子學(xué)報(bào).2007,35(5):854-855.

A Self Organizing Wireless Protocol in Railway Transport Safety Applications

CHENG Cun-xue,SUN Chang-guo,ZHU Jin-quan
(People’s Liberation Army of 92117 Troops,Beijing 100072,China)

A method is proposed for the railway transporation security protocol for wireless sensor networks,and gives the protocol, network topology frame format and the self organization process,to achieve a low power sensor network.the train door status data will be collected realtinaly to the escorts of escort hands by the agreement,in order to adciece transportation process moitoring and alarm.

the railway transporation security;electronic locks;wireless sensor network;self-organizing protocol

]TP273.5

1008-1739（2015）01-71-03

定稿日期：2014-12-12