劉 沖， 陳 義， 徐 征， 張志新， 解永平， 王天嬈

(1.大連理工大學(xué) 遼寧省微納米技術(shù)及系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116085；2.大連大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116622；3.大連理工大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，遼寧 大連 116023；4.蘇州鼎汗傳感網(wǎng)技術(shù)有限公司，江蘇 蘇州 215121)

面向鋼軌監(jiān)測(cè)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)與性能測(cè)試*

劉 沖1， 陳 義1， 徐 征1， 張志新2， 解永平3， 王天嬈4

(1.大連理工大學(xué) 遼寧省微納米技術(shù)及系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116085；2.大連大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116622；3.大連理工大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，遼寧 大連 116023；4.蘇州鼎汗傳感網(wǎng)技術(shù)有限公司，江蘇 蘇州 215121)

針對(duì)我國(guó)鐵路鋼軌實(shí)時(shí)廣域監(jiān)測(cè)的重大需求，通過(guò)研究異構(gòu)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSNs)通信技術(shù)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于Zig Bee—3G通信的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)。進(jìn)行了通信電路設(shè)計(jì)和電磁兼容設(shè)計(jì)，并在WinCE操作系統(tǒng)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了Zig Bee網(wǎng)絡(luò)與3G網(wǎng)絡(luò)之間的互聯(lián)，開發(fā)了網(wǎng)關(guān)遠(yuǎn)程維護(hù)管理模塊。對(duì)網(wǎng)關(guān)設(shè)備分別進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò)傳輸性能測(cè)試和電磁兼容測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明：此網(wǎng)關(guān)傳輸效率高、抗電磁干擾能力強(qiáng)，能夠滿足鐵路軌道監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用要求。

鋼軌監(jiān)測(cè)； 網(wǎng)關(guān)； Zig Bee—3G； 遠(yuǎn)程訪問(wèn)；電磁兼容

0 引 言

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor networks，WSNs)能夠?qū)崿F(xiàn)廣域數(shù)據(jù)的無(wú)線采集、傳輸、處理、融合[1],在軍事偵測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療診斷等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[2]。軌道監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中可利用WSNs技術(shù)，在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)廣泛布設(shè)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)，對(duì)鋼軌相應(yīng)信息進(jìn)行采集，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼軌狀態(tài)的全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)控。目前，WSNs技術(shù)在軌道監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用已初見(jiàn)端倪，例如：Costa B J A等人[3]利用光纖傳感器采集鐵路橋的結(jié)構(gòu)應(yīng)變值，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)，用于動(dòng)態(tài)評(píng)估鐵路橋的結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度；Back B M等人[4]開發(fā)了由溫度傳感器、Sink網(wǎng)關(guān)、數(shù)據(jù)中心及客戶端組成的WSNs監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，應(yīng)用于英國(guó)西海岸鐵路線的軌溫監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)采用GSM數(shù)據(jù)通信模式，適用于監(jiān)測(cè)軌溫等變化緩慢的對(duì)象；吳寅等人[5]開發(fā)了基于WSNs的軌道壓力無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用CAN總線的傳輸模式，用于監(jiān)測(cè)列車的行車狀態(tài)和鋼軌振動(dòng)。

實(shí)際應(yīng)用中的WSNs并不總能以一個(gè)獨(dú)立的通信網(wǎng)絡(luò)形式存在，需要網(wǎng)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)與不同類型網(wǎng)絡(luò)之間的互聯(lián)。在WSNs系統(tǒng)中，網(wǎng)關(guān)主要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)間協(xié)議的轉(zhuǎn)換、不同網(wǎng)絡(luò)類型的網(wǎng)絡(luò)路由、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)聚集、存儲(chǔ)、處理及轉(zhuǎn)發(fā)等重要功能。面向鋼軌監(jiān)測(cè)的WSNs網(wǎng)關(guān)布設(shè)在軌道沿線附近，信號(hào)系統(tǒng)處在一個(gè)復(fù)雜的電磁環(huán)境中，網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)通信受到嚴(yán)重影響。因此,用于軌道監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的網(wǎng)關(guān)應(yīng)具有快速布設(shè)、可遠(yuǎn)程維護(hù)、抗電磁干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。國(guó)內(nèi)蔡皓等人[6]設(shè)計(jì)了一種具有多種通信方式的WSNs網(wǎng)關(guān)，能通過(guò)以太網(wǎng)等途徑進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)；Hwang K[7]等人結(jié)合WEB服務(wù)設(shè)計(jì)了一種WSNs網(wǎng)關(guān)，用戶可以遠(yuǎn)程登陸網(wǎng)關(guān)的WEB服務(wù)器，管理該網(wǎng)關(guān)下的傳感節(jié)點(diǎn)；Emara K A等人[8]提出了一種網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)框架，該框架能實(shí)現(xiàn)WSNs與IP網(wǎng)絡(luò)之間的透明交互，不需要進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換。上述網(wǎng)關(guān)研究都集中在不同類型網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的實(shí)現(xiàn)方式上，而對(duì)網(wǎng)關(guān)的遠(yuǎn)程維護(hù)方案和電磁兼容性設(shè)計(jì)方面涉及甚少，難以直接在鋼軌監(jiān)測(cè)WSNs中直接應(yīng)用。

本文針對(duì)鐵路軌道現(xiàn)場(chǎng)需求特點(diǎn)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于Zig Bee—3G通信的WSNs網(wǎng)關(guān),給出了網(wǎng)關(guān)通信電路和電磁兼容性設(shè)計(jì)方案，并在WinCE操作系統(tǒng)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了Zig Bee網(wǎng)絡(luò)與3G網(wǎng)絡(luò)之間的互聯(lián)，開發(fā)了網(wǎng)關(guān)遠(yuǎn)程維護(hù)管理模塊，對(duì)網(wǎng)關(guān)設(shè)備分別進(jìn)行了電磁兼容測(cè)試和網(wǎng)絡(luò)傳輸性能測(cè)試。

1 WSNs系統(tǒng)

面向鋼軌監(jiān)測(cè)的WSNs系統(tǒng)由無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)(以下簡(jiǎn)稱節(jié)點(diǎn))、網(wǎng)關(guān)、接入服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)及監(jiān)控客戶端等組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。WSNs節(jié)點(diǎn)分布布設(shè)在監(jiān)控區(qū)域的鋼軌軌腰上，按設(shè)定的參數(shù)采集鋼軌溫度、應(yīng)變及振動(dòng)信號(hào)等，采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)處理后通過(guò)Zig Bee網(wǎng)絡(luò)上傳至節(jié)點(diǎn)所屬的網(wǎng)關(guān)；網(wǎng)關(guān)對(duì)匯聚到的數(shù)據(jù)進(jìn)行提取和協(xié)議轉(zhuǎn)換后，通過(guò)3G網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸至互聯(lián)網(wǎng)，由遠(yuǎn)程接入服務(wù)器接收并存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中；遠(yuǎn)程監(jiān)控中心可以通過(guò)因特網(wǎng)訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、處理及后續(xù)分析，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼軌狀態(tài)的實(shí)時(shí)判讀。

圖1 面向鐵路鋼軌監(jiān)測(cè)的WSNs系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig 1 System architecture of WSNs for rail monitoring

2 網(wǎng)關(guān)硬件與電磁兼容設(shè)計(jì)

本文中網(wǎng)關(guān)的硬件設(shè)計(jì)建立在核心處理器的基礎(chǔ)上，通過(guò)擴(kuò)展Zig Bee模塊和3G模塊實(shí)現(xiàn)WSNs與外部網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)傳輸與控制。網(wǎng)關(guān)主要由通信層和供電層組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中通信層為網(wǎng)關(guān)主功能部分，包括核心處理器模塊、Zig Bee模塊、3G模塊。

處理器模塊選用以Intel Atom N450處理器為核心的嵌入式主板作為網(wǎng)關(guān)的處理器模塊,它具有豐富的外設(shè)接口且處理能力較強(qiáng)，另外,該模塊可搭載Windows CE操作系統(tǒng)，可在此平臺(tái)上進(jìn)行應(yīng)用軟件的開發(fā)。網(wǎng)關(guān)的Zig Bee模塊采用協(xié)調(diào)器模式，負(fù)責(zé)Zig Bee網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)建和管理，另外,該模塊的外圍電路可擴(kuò)展出RS—232串口，實(shí)現(xiàn)與處理器模塊的數(shù)據(jù)通信。面向外部網(wǎng)絡(luò)的接入模塊選用3G路由器，該模塊具有掉線自動(dòng)重連、可遠(yuǎn)程監(jiān)管等特點(diǎn)，可通過(guò)網(wǎng)口實(shí)現(xiàn)與處理器模塊相連。同時(shí)，該模塊通過(guò)自動(dòng)撥號(hào)聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程接入服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)交互。供電層采用太陽(yáng)能板與交流電源協(xié)同供電方式設(shè)計(jì)，網(wǎng)關(guān)可以根據(jù)實(shí)際情況選擇供電方式。GSM短信遙控開關(guān)串聯(lián)在供電層主電路中，可通過(guò)短信遠(yuǎn)程控制網(wǎng)關(guān)通信層的電路通斷，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程重啟網(wǎng)關(guān)的功能。

圖2 網(wǎng)關(guān)硬件電路結(jié)構(gòu)框圖Fig 2 Structure block diagram of hardware circuit of gateway

本文還針對(duì)軌道監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境存在的電磁干擾進(jìn)行了如圖3設(shè)計(jì)。

圖3 網(wǎng)關(guān)電磁兼容設(shè)計(jì)Fig 3 Electromagnetic compatibility design of gateway

1)電路屏蔽:網(wǎng)關(guān)采用全封閉形式的箱體設(shè)計(jì)，箱體外殼運(yùn)用導(dǎo)電陽(yáng)極化工藝，使其可以充分接地；箱體內(nèi)部的金屬隔板，將箱體分為上、下兩層。

2)信號(hào)屏蔽:網(wǎng)關(guān)中通信模塊信號(hào)天線接口均布設(shè)在網(wǎng)關(guān)機(jī)箱外側(cè)，信號(hào)線從外部接入。另外,各信號(hào)天線均采用金屬網(wǎng)作為屏蔽層合理接地，避免信號(hào)線之間感應(yīng)耦合產(chǎn)生電磁干擾。

3)接地設(shè)計(jì):采用多點(diǎn)/就近混合接地的方式，在減少接地線的長(zhǎng)度和輻射的同時(shí)也可以降低接地點(diǎn)間電位差，增強(qiáng)了網(wǎng)關(guān)的抗干擾能力。

4)電源設(shè)計(jì)：外部電源通過(guò)電源濾波器抑制高頻信號(hào)干擾后，經(jīng)由開關(guān)穩(wěn)壓電源提供給網(wǎng)關(guān)。

3 網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的網(wǎng)關(guān)軟件基于Windows CE平臺(tái)開發(fā)，主要實(shí)現(xiàn)Zig Bee網(wǎng)絡(luò)與3G網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)傳輸控制、Zig Bee—3G間的協(xié)議幀和數(shù)據(jù)幀的轉(zhuǎn)換、Zig Bee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)管理等功能。軟件由外部接口、數(shù)據(jù)處理函數(shù)及內(nèi)存緩沖區(qū)三部分組成，其架構(gòu)如圖4所示。

外部接口部分為網(wǎng)關(guān)提供2個(gè)數(shù)據(jù)接口，負(fù)責(zé)與Zig Bee網(wǎng)絡(luò)和外部3G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)處理函數(shù)負(fù)責(zé)完成數(shù)據(jù)提取、協(xié)議轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。

圖4 網(wǎng)關(guān)軟件架構(gòu)Fig 4 Architecture of gateway software

4 遠(yuǎn)程訪問(wèn)管理機(jī)制

為了降低維修難度和便于故障分析，制定了一種網(wǎng)關(guān)遠(yuǎn)程訪問(wèn)管理機(jī)制。該機(jī)制實(shí)現(xiàn)了監(jiān)控端與網(wǎng)關(guān)的遠(yuǎn)程連接，從而可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)軟件遠(yuǎn)程更新和文件管理。下面以遠(yuǎn)程更新網(wǎng)關(guān)軟件程序?yàn)槔治鼍W(wǎng)關(guān)遠(yuǎn)程訪問(wèn)管理機(jī)制，步驟如下：

1)接入服務(wù)器向網(wǎng)關(guān)發(fā)送訪問(wèn)命令，該命令包含遠(yuǎn)程監(jiān)控端的IP和端口號(hào)，網(wǎng)關(guān)接收到該命令后向接入服務(wù)器回復(fù)，接入服務(wù)器收到確認(rèn)消息后，遠(yuǎn)程訪問(wèn)的通信鏈路形成。

2)遠(yuǎn)程監(jiān)控端與網(wǎng)關(guān)連通后，網(wǎng)關(guān)向遠(yuǎn)程監(jiān)控端上傳其存儲(chǔ)的文件信息。上傳成功后遠(yuǎn)程監(jiān)控端可對(duì)網(wǎng)關(guān)文件進(jìn)行刪除、下載、上傳等操作。

3)選擇將要更新的目標(biāo)程序，并開始向網(wǎng)關(guān)發(fā)送程序代碼。為提高數(shù)據(jù)傳輸效率，遠(yuǎn)程監(jiān)控端將目標(biāo)程序代碼拆分成固定長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)幀單元，依次將所有代碼數(shù)據(jù)幀發(fā)送完畢。

4)遠(yuǎn)程監(jiān)控端將目標(biāo)程序發(fā)送完成后，繼續(xù)發(fā)送一條校驗(yàn)數(shù)據(jù)幀。網(wǎng)關(guān)會(huì)根據(jù)之前收到的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行校驗(yàn)位的計(jì)算，計(jì)算出的校驗(yàn)位與接收到的校驗(yàn)位比對(duì)，若校驗(yàn)位不一致，則認(rèn)為傳輸過(guò)程中出現(xiàn)錯(cuò)誤，在發(fā)送次數(shù)不超限的前提下，需要重新發(fā)送；當(dāng)持續(xù)不能發(fā)送成功，次數(shù)超限，則認(rèn)為發(fā)送失敗。若校驗(yàn)位一致，則認(rèn)為文件傳輸成功，網(wǎng)關(guān)向遠(yuǎn)程監(jiān)控端返回確認(rèn)信息，傳輸成功，上傳結(jié)束。

5 性能測(cè)試

按照國(guó)家EMC標(biāo)準(zhǔn)GB/T 24338.5，對(duì)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行電磁兼容測(cè)試，結(jié)果如表1所示，測(cè)試結(jié)果分4級(jí)，可見(jiàn)，在復(fù)雜的電磁干擾下網(wǎng)關(guān)仍能正常的工作。

表1 電磁兼容試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果Tab 1 Test result of EMC experiments

判據(jù)A：試驗(yàn)中EUT在規(guī)范極限值內(nèi)性能正常；判據(jù)B：試驗(yàn)中EUT功能或性能暫時(shí)降低或喪失，但能自行恢復(fù)；判據(jù)C：試驗(yàn)中EUT功能或性能暫時(shí)降低或喪失，但需操作者干預(yù)或系統(tǒng)重調(diào)(或復(fù)位)；判據(jù)D：試驗(yàn)中EUT因裝置(或元件)損壞而不可恢復(fù)的功能降低或喪失。

另外，對(duì)網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)傳輸耗時(shí)進(jìn)行了測(cè)試，實(shí)驗(yàn)在中國(guó)國(guó)家鐵道試驗(yàn)中心架設(shè)的鋼軌應(yīng)力監(jiān)測(cè)WSNs上開展，該傳感網(wǎng)能夠測(cè)試線路鋼軌鎖定軌溫、應(yīng)變、振動(dòng)加速度等指標(biāo)。無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)單元盒分別安裝在兩側(cè)軌道軌腰上，內(nèi)含4個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)：靜態(tài)應(yīng)變節(jié)點(diǎn)、溫度節(jié)點(diǎn)、動(dòng)態(tài)應(yīng)變節(jié)點(diǎn)、加速度節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)關(guān)安裝在軌道旁，通過(guò)交流電源分別給網(wǎng)關(guān)和單元盒供電。試驗(yàn)中每個(gè)網(wǎng)關(guān)與2個(gè)單元盒組成一個(gè)WSNs。

定義WSNs節(jié)點(diǎn)從開始傳輸數(shù)據(jù)到接入服務(wù)器完成接收的時(shí)間間隔為傳輸耗時(shí)。試驗(yàn)過(guò)程中按實(shí)際工作情況對(duì)WSNs節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了參數(shù)設(shè)置，試驗(yàn)開始時(shí)同步接入服務(wù)器與節(jié)點(diǎn)的時(shí)間，節(jié)點(diǎn)開始傳輸數(shù)據(jù)時(shí)記錄此時(shí)的時(shí)間Ts，接入服務(wù)器完成接收時(shí)記錄此時(shí)時(shí)間Te，則傳輸耗時(shí)Tc約為Te-Ts。分別測(cè)試不同節(jié)點(diǎn)的傳輸耗時(shí)，結(jié)果如表2。

表2 數(shù)據(jù)傳輸耗時(shí)測(cè)試Tab 2 Time comsuming measurement of data transmission

6 結(jié) 論

本文面向鋼軌監(jiān)測(cè)WSNs現(xiàn)場(chǎng)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨螅岢霾?shí)現(xiàn)了一種用于鋼軌力學(xué)、環(huán)境等參數(shù)監(jiān)測(cè)的WSNs網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)的傳輸性能與電磁兼容測(cè)試結(jié)果表明：一個(gè)WSNs節(jié)點(diǎn)單元盒完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間為51.85 s，而監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔為15 min，遠(yuǎn)大于數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間，不會(huì)造成耗時(shí)累加情況，符合實(shí)時(shí)傳輸要求；網(wǎng)關(guān)電磁兼容測(cè)試結(jié)果達(dá)到判據(jù)A要求，確保了網(wǎng)關(guān)能在電磁環(huán)境復(fù)雜的軌道監(jiān)測(cè)正常工作。

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Design and performance test of WSNs gateway for rail monitoring*

LIU Chong1, CHEN Yi1, XU Zheng1, ZHANG Zhi-xin2, XIE Yong-ping3, WANG Tian-rao4

(1.Key Laboratory for Micro/Nano Technology and System of Liaoning Province,Dalian University of Technology,Dalian 116085,China; 2.School of Mechanical Engineering,Dalian University,Dalian 116622,China;3.School of Information and Communication Engineering,Dalian University of Technology,Dalian 116023,China;4.Suzhou Ding-han Sensor Networks Technology Company,Suzhou 215121,China)

Aiming at significant demand of railway real-time and wide-area monitoring,by studying communication technology of heterogeneous wireless sensor networks(WSNs),a type of WSNs gateway for rail monitoring based on Zig Bee—3G communication.Communication circuit and electromagnetic compatibility designs are carried out.On platform of WinCE operating system,interconnection between Zig Bee and 3G networks is achieved,and remote maintenance and management module of gateway is also developed.Network transmission performance and electromagnetic compatibility test on gateway device are carried out respectively,and test results show that the gateway has high transmision efficiency data and strong ability to resist electromagnetic interference,which make it suitable to be applied to rail monitoring.

rail monitoring; gateway; Zig Bee—3G; remote access; electromagnetic compatibility

10.13873/J.1000—9787(2014)12—0094—04

2014—04—28

國(guó)家“十二五”科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2011BAG05B02—03,2011BAG05B02—02)

U 285

A

1000—9787(2014)12—0094—04

劉 沖(1963-)，男，重慶人，教授，博士生導(dǎo)師,研究方向?yàn)槲鞲衅鳌⑽锫?lián)網(wǎng)技術(shù)及精密測(cè)試技術(shù)。