呂曉穎， 陳少華， 石桂名， 周 迪

(1大連科技學(xué)院電氣工程系 大連 116052 2大連交通大學(xué)電氣信息學(xué)院 大連 116028)

引 言

地鐵、輕軌交通是現(xiàn)代城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要項(xiàng)目，是推動(dòng)和加快地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)工程。目前的城軌列車在整體控制方面的技術(shù)發(fā)展很好，但是輔助信息系統(tǒng)方面還不是很完善，特別是軌道交通通信調(diào)度、綜合信息傳輸?shù)溶嚨亻g無線通信技術(shù)方面還有待提高[1]。本文設(shè)計(jì)的無線智能監(jiān)測(cè)技術(shù)不僅解決了目前依靠人工力量進(jìn)行列車關(guān)鍵設(shè)備巡檢的困境，提高了設(shè)備巡檢頻度，還在傳統(tǒng)地通過調(diào)度中心統(tǒng)一監(jiān)控列車運(yùn)行狀態(tài)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)車與監(jiān)測(cè)中心、車與車之間同時(shí)傳輸GPS位置信息等重要參數(shù)，保證了在非常調(diào)度情況下調(diào)度員、列車司機(jī)對(duì)列車運(yùn)行狀態(tài)的一致性知情權(quán)，從而有效地保證了列車設(shè)備的運(yùn)行安全。本文利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，使得該智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有一定的先進(jìn)性、實(shí)時(shí)性、低成本、安全性及信息傳輸處理智能化的特點(diǎn)，具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 城軌列車關(guān)鍵設(shè)備無線智能監(jiān)測(cè)平臺(tái)

城軌列車關(guān)鍵設(shè)備無線智能監(jiān)測(cè)平臺(tái)采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)與移動(dòng)通信公眾網(wǎng)絡(luò)(GSM/GPRS/CDMA)相結(jié)合。使用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來完成列車關(guān)鍵設(shè)備的參數(shù)信息采集，降低了監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的功耗，減少了傳感器有線采集的布線工程，而監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)匯聚、處理后的遠(yuǎn)程傳輸則采用公眾網(wǎng)絡(luò)，既避免了全部采用移動(dòng)通信公眾網(wǎng)絡(luò)(GSM/GPRS/CDMA)的運(yùn)行費(fèi)用，又簡(jiǎn)化了監(jiān)測(cè)傳感器數(shù)據(jù)采集的布線，不破壞原先設(shè)備結(jié)構(gòu)，保證了系統(tǒng)可靠性。

本文所設(shè)計(jì)的無線智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖1所示。該無線智能監(jiān)測(cè)平臺(tái)主要包括無線傳感器監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)、GPS定位終端、數(shù)據(jù)采集匯聚處理模塊、移動(dòng)通信公眾網(wǎng)絡(luò)(GSM/GPRS/CDMA)、監(jiān)控中心等。無線傳感器監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)主要由數(shù)據(jù)采集模塊和2.4GHz無線通信模塊組成，負(fù)責(zé)對(duì)列車關(guān)鍵設(shè)備上的信息進(jìn)行采集，然后通過無線網(wǎng)關(guān)將各個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)、GPS無線定位模塊以及關(guān)鍵設(shè)備故障告警模塊上采集到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行匯聚、處理，再通過數(shù)字移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)(GSM/GPRS/CDMA)傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)中心，這樣監(jiān)測(cè)中心就可以對(duì)這些信息進(jìn)行及時(shí)處理。

圖1 無線智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

2 LPS-MAC協(xié)議

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)際應(yīng)用的主要限制就是能量。節(jié)點(diǎn)一般是以干電池、鈕扣電池等提供能量，而電池的能量很有限又通常難以補(bǔ)充[2]。在無線傳感器中，無線通信是傳感器能量的主要消耗，其中MAC協(xié)議的主要功能就是實(shí)現(xiàn)信道的復(fù)用，同時(shí)保障鏈路通信的可靠性。所以，MAC協(xié)議要盡可能地節(jié)約能源，如減少?zèng)_突和串音、最小化控制開銷、降低占空比和盡量避免長(zhǎng)距離通信等。由于目前節(jié)點(diǎn)的能量供應(yīng)問題并沒有得到很好解決，節(jié)能就成為傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議設(shè)計(jì)首要考慮的因素。

本文在S-MAC協(xié)議的基礎(chǔ)上，提出了一種低控制開銷的 MAC協(xié)議——LPS-MAC協(xié)議(LP表示Low Power)。在S-MAC協(xié)議中，傳感器節(jié)點(diǎn)需要每個(gè)周期都交換SYNC幀，從而交換鄰居列表和保持時(shí)間的同步，并使用四次握手機(jī)制RTSCTSDATAACK來保證數(shù)據(jù)幀的有效傳輸[3]。無線傳感器節(jié)點(diǎn)無線通信模塊的狀態(tài)包括發(fā)送、接收、偵聽和睡眠等。單位時(shí)間內(nèi)消耗的能量按照上述順序依次減少:發(fā)送狀態(tài)耗能最多，睡眠狀態(tài)耗能最少，接收狀態(tài)和偵聽狀態(tài)下的能量消耗稍小于發(fā)送狀態(tài)?？梢姡琒YNC幀的使用雖然保持了每個(gè)周期的時(shí)間同步，但也消耗了大量的能量，而且使監(jiān)聽時(shí)間延長(zhǎng)。

本文設(shè)計(jì)的LPS-MAC協(xié)議也是采用周期性的偵聽睡眠機(jī)制，但是只在網(wǎng)絡(luò)初始化時(shí)節(jié)點(diǎn)才發(fā)送SYNC幀，在接下來的N-2個(gè)周期內(nèi)節(jié)點(diǎn)不發(fā)送SYNC幀，為了防止網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)相鄰節(jié)點(diǎn)找不到對(duì)方的情況，第N個(gè)周期用于相鄰節(jié)點(diǎn)搜尋[4]。圖2、圖3分別是S-MAC的周期性偵聽機(jī)制和LPS-MAC的周期性偵聽機(jī)制。比較二者可以看出:LPS-MAC協(xié)議有調(diào)度周期1和調(diào)度周期2，調(diào)度周期1包括了同步時(shí)間、數(shù)據(jù)監(jiān)聽時(shí)間、睡眠時(shí)間，調(diào)度周期2則沒有同步時(shí)間，將同步時(shí)間用于節(jié)點(diǎn)的睡眠，這樣就減少了信道的控制開銷，使節(jié)點(diǎn)可以有更多的睡眠時(shí)間。

圖2 S-MAC的周期性偵聽機(jī)制

圖3 LPS-MAC的周期性偵聽機(jī)制

LPS-MAC協(xié)議改變了S-MAC協(xié)議周期性監(jiān)聽的睡眠機(jī)制，采用了兩個(gè)調(diào)度周期，即調(diào)度周期1和調(diào)度周期2，節(jié)點(diǎn)只在調(diào)度周期1進(jìn)行節(jié)點(diǎn)之間SYNC幀的交換，而在調(diào)度周期2直接進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)，將調(diào)度周期1中SYNC幀交換的時(shí)間用于節(jié)點(diǎn)的睡眠，增加了節(jié)點(diǎn)的睡眠時(shí)間，節(jié)省了能量。具體的協(xié)議流程如圖4所示。

網(wǎng)絡(luò)初始化時(shí)，所有的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)入監(jiān)聽狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)之間開始相互發(fā)送SYNC幀，節(jié)點(diǎn)收到SYNC幀后提取幀中距離下次睡眠的時(shí)間并進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)發(fā)現(xiàn)鄰居節(jié)點(diǎn)并完成時(shí)間同步，計(jì)時(shí)器到期進(jìn)入Sleep1階段，即完成調(diào)度周期1。調(diào)度周期1的Sleep1狀態(tài)結(jié)束后就進(jìn)入調(diào)度周期2，直接進(jìn)入數(shù)據(jù)監(jiān)聽階段而無需相互發(fā)送SYNC幀，計(jì)時(shí)器到期后進(jìn)入Sleep2(tSleep2=tSleep1+tSYNC)階段。檢驗(yàn)調(diào)度周期2是否達(dá)到N-3個(gè)周期，若達(dá)到則進(jìn)入相鄰節(jié)點(diǎn)搜尋階段，否則返回到調(diào)度周期2進(jìn)行重新監(jiān)聽。

圖4 LPS-MAC協(xié)議流程

3 LPS-MAC協(xié)議節(jié)能測(cè)試

為了驗(yàn)證LPS-MAC的可行性，本文自行搭建了一個(gè)以測(cè)量溫度為目的的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)由三個(gè)無線傳感器節(jié)點(diǎn)和一個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)組成，其中無線傳感器節(jié)點(diǎn)包括了傳感器單元DS18B20、微處理單元C8051F996以及無線收發(fā)單元nRF905，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)則采用C8051F020微控制器來控制液晶顯示器和nRF905無線收發(fā)芯片。

將無線傳感器節(jié)點(diǎn)與加載LPS-MAC協(xié)議的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)布置于走廊和教室內(nèi)，呈線性分布。節(jié)點(diǎn)設(shè)置:3.6V(1600mAh)鋰電池，高度為0.5m的收發(fā)天線，增益為3dB，發(fā)射功率為10dBm。根據(jù)LPS-MAC協(xié)議的內(nèi)容，設(shè)置調(diào)度周期、For SYNC、For RTS/CTS的時(shí)間分別為60s、30ms和500ms，C8051F996的漂移時(shí)間與時(shí)鐘精度分別為0.05s和8ppm，N取100[5]。三個(gè)無線傳感器節(jié)點(diǎn)周期性地向網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)送溫度測(cè)試數(shù)據(jù)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)記錄并顯示溫度數(shù)據(jù)。

圖5為在一個(gè)月的時(shí)間內(nèi)測(cè)量的無線傳感器監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的工作電壓和發(fā)射瞬時(shí)電壓的變化曲線。

從圖5觀察發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)電池的工作電壓與發(fā)射瞬時(shí)電壓的變化趨勢(shì)平緩，電量減少不明顯，無線傳感器監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)能夠一直保持良好的工作狀態(tài)，且監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)電壓從1號(hào)的3.6V變化為30號(hào)的 3.56V，僅減少了0.04V，耗電量為1.11%。而使用 S-MAC協(xié)議，監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)電壓從1號(hào)的3.6V減少到30號(hào)的 2.14V?？梢?，LPSMAC協(xié)議的節(jié)能性能更加優(yōu)越，協(xié)議設(shè)計(jì)達(dá)到了較少能耗的目的，延長(zhǎng)了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的使用周期。

圖5 節(jié)點(diǎn)電壓測(cè)量情況

4 結(jié)束語

本文主要完成基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的城軌列車關(guān)鍵設(shè)備智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及低控制開銷MAC協(xié)議的研究。采用無線傳感器監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)對(duì)城軌列車關(guān)鍵設(shè)備的信息進(jìn)行采集，并設(shè)計(jì)一種低控制開銷的MAC協(xié)議——LPS-MAC協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了突發(fā)活動(dòng)事件的準(zhǔn)確遠(yuǎn)程傳輸，有效地節(jié)約能源，延長(zhǎng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的使用周期，擴(kuò)展了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際應(yīng)用。

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