徐春婕，史天運(yùn)，孫明慧

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

0 引 言

隨著鐵路客運(yùn)站信息化的發(fā)展，支撐車站運(yùn)營(yíng)設(shè)備的日益增多，工作環(huán)境變得越來(lái)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(yùn)車站作為人員密集場(chǎng)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(duì)車站運(yùn)營(yíng)環(huán)境的設(shè)備、結(jié)構(gòu)等客運(yùn)站環(huán)境參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，對(duì)故障區(qū)域及設(shè)備和人員進(jìn)行實(shí)時(shí)性準(zhǔn)確定位，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，提高突發(fā)事故的反應(yīng)能力，對(duì)保障客運(yùn)站的安全運(yùn)營(yíng)具有重要的研究意義和現(xiàn)實(shí)意義。

目前，各車站根據(jù)本單位的工作實(shí)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(bào)警系統(tǒng)）、信號(hào)機(jī)房環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)、機(jī)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(bào)警系統(tǒng)，通過自動(dòng)化的手段實(shí)現(xiàn)早期火災(zāi)探測(cè)、火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警及消防設(shè)備聯(lián)動(dòng)控制。信號(hào)機(jī)房環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)［2］通過遠(yuǎn)端監(jiān)測(cè)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(duì)溫度、濕度、煙霧、水浸、門禁、UPS設(shè)備、蓄電池組、機(jī)房空調(diào)等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電源設(shè)備、機(jī)房環(huán)境的監(jiān)控。機(jī)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(cè)和控制。上水系統(tǒng)集中監(jiān)測(cè)客車上水排干管控制閥門的開關(guān)狀態(tài)，自動(dòng)監(jiān)測(cè)上水管網(wǎng)的壓力、上水流量，根據(jù)列車到發(fā)狀況自動(dòng)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(shí)，改用手動(dòng)上水；空調(diào)控制系統(tǒng)監(jiān)測(cè)風(fēng)機(jī)手／自動(dòng)轉(zhuǎn)換狀態(tài)，控制車站風(fēng)機(jī)組、空調(diào)機(jī)組和冷水機(jī)組群，將車站空氣的溫度、濕度、流動(dòng)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(shí)現(xiàn)全線的電力設(shè)備和各變電所設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的集中監(jiān)控。

但是已有的監(jiān)測(cè)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(cè)的參數(shù)多、分布廣、布線復(fù)雜、后期測(cè)試?yán)щy；②維護(hù)不方便；③對(duì)臨時(shí)增加的監(jiān)測(cè)場(chǎng)景，尤其是對(duì)車站引入新設(shè)備的監(jiān)控不能方便得進(jìn)行系統(tǒng)接入；④在實(shí)際運(yùn)行過程中由于線路故障，影響信息傳輸，出現(xiàn)漏報(bào)的問題［1］；⑤無(wú)法滿足車站移動(dòng)設(shè)備 （如移動(dòng)售票車）監(jiān)測(cè)和人員定位的需求。

無(wú)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(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、無(wú)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(diǎn)，通過無(wú)線通信方式組成多跳自組織網(wǎng)絡(luò)，對(duì)監(jiān)測(cè)對(duì)象信息進(jìn)行采集、感知、處理和傳輸。其具有冗余性、無(wú)需布線、自組織性和抗毀性強(qiáng)、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(yùn)營(yíng)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，一方面可以取代有線傳輸方式，進(jìn)行通信和組網(wǎng)，便于系統(tǒng)的快速部署和實(shí)時(shí)信息的動(dòng)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(shí)時(shí)性和可靠性；另一方面可以利用嵌入在傳感器中的無(wú)線模塊，組成一個(gè)兼有無(wú)線追蹤定位功能的傳感器網(wǎng)絡(luò)，實(shí)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(dòng)控制提供依據(jù)，提升車站管理水平，非常適用于鐵路客運(yùn)車站的運(yùn)營(yíng)環(huán)境監(jiān)測(cè)。

1 基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的鐵路客運(yùn)站運(yùn)營(yíng)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鐵路客運(yùn)站運(yùn)營(yíng)環(huán)境監(jiān)測(cè)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、嵌入式系統(tǒng)等技術(shù)，集中監(jiān)測(cè)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(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)。

1.1 系統(tǒng)組網(wǎng)方案設(shè)計(jì)

WSN按接入方式可分為全無(wú)線接入和部分接入方式兩類。部分接入方式是指無(wú)線和有線通信并存。鑒于鐵路車站運(yùn)營(yíng)環(huán)境監(jiān)測(cè)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(bào)警子系統(tǒng)、車站結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)、車站機(jī)電設(shè)備監(jiān)測(cè)等的原始數(shù)據(jù)來(lái)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(duì)于一些保護(hù)、測(cè)量、監(jiān)控等設(shè)備數(shù)量相對(duì)較少，如電力設(shè)備監(jiān)控的間隔層設(shè)備繼電保護(hù)裝置、測(cè)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(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)通過無(wú)線網(wǎng)關(guān)接入車站主干網(wǎng)絡(luò)，WSN主要作為移動(dòng)人員、移動(dòng)設(shè)備的定位和信息采集和傳輸?shù)耐ǖ?，與有線共同組成監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，也可以作為當(dāng)前車站環(huán)境監(jiān)控的補(bǔ)充和冗余設(shè)計(jì)，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(wú)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(diǎn)，可以滿足車站環(huán)境、機(jī)電設(shè)備、FAS、車站結(jié)構(gòu)等監(jiān)控要求，但對(duì)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(wú)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(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)分為多個(gè)簇，簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)組成ZigBee網(wǎng)絡(luò)，由簇頭節(jié)點(diǎn)對(duì)簇內(nèi)傳感器采集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)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(diǎn)，由網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)將協(xié)議轉(zhuǎn)化為WIFI無(wú)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(cè)平臺(tái)。用戶通過監(jiān)測(cè)平臺(tái)采集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)布監(jiān)測(cè)任務(wù)，對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行配置和管理。由于無(wú)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(jì)嚴(yán)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(hù)等安全服務(wù)方法，設(shè)備的健壯性和用戶身份的驗(yàn)證，基于地址和協(xié)議的流量過濾，無(wú)線和有線區(qū)域的監(jiān)控和入侵檢測(cè)等多層防御措施［5］。

1.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

鐵路客運(yùn)站的運(yùn)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(xì)致，需要多方面協(xié)調(diào)，這就要求運(yùn)營(yíng)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作為車站安全、高效運(yùn)行的視聽指揮中心。因此，鐵路客運(yùn)站運(yùn)營(yíng)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)是以無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以具有良好容錯(cuò)性能和人性化的人機(jī)界面為前提，可以實(shí)時(shí)反映車站運(yùn)營(yíng)狀態(tài)和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息，按需配置監(jiān)測(cè)參數(shù)及采集的信息，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一的存儲(chǔ)和管理。系統(tǒng)從功能角度可以劃分為消防報(bào)警子系統(tǒng)、機(jī)電設(shè)備監(jiān)控子系統(tǒng)、電氣設(shè)備監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)、車站結(jié)構(gòu)檢測(cè)子系統(tǒng)、智能視頻監(jiān)控子系統(tǒng)和旅客設(shè)備監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)。

（1）車站環(huán)境監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)

環(huán)境監(jiān)測(cè)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(duì)進(jìn)行數(shù)據(jù)整理、分析統(tǒng)計(jì)，實(shí)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(bào)警子系統(tǒng) （FAS）

FAS以火災(zāi)檢測(cè)為目標(biāo)，具有火災(zāi)信號(hào)探測(cè)、火災(zāi)位置定位和信號(hào)傳送等功能，通過對(duì)車站空氣質(zhì)量檢測(cè)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(jìn)行探測(cè)，并將探測(cè)信息傳送到監(jiān)控中心，對(duì)可能發(fā)生或正在發(fā)生的火災(zāi)狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)警。為了提高報(bào)警的準(zhǔn)確率，設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)閾值，當(dāng)參數(shù)達(dá)到一定閾值時(shí)，系統(tǒng)及時(shí)報(bào)警，并通過短信方式通知相應(yīng)的車站管理人員，實(shí)現(xiàn)火災(zāi)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

（3）機(jī)電設(shè)備監(jiān)控子系統(tǒng) （BAS）

BAS［5，6］監(jiān)測(cè)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(dòng)扶梯、電梯等機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，通過監(jiān)測(cè)設(shè)備狀態(tài)的管理、參數(shù)設(shè)定等，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)控制機(jī)、傳感器等設(shè)備的監(jiān)測(cè)，并為自動(dòng)控制提供數(shù)據(jù)支持。其中監(jiān)控內(nèi)容包括：①通過機(jī)電設(shè)備運(yùn)行的速度、加速度、振動(dòng)、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(cè)，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的預(yù)警規(guī)則，對(duì)采集的狀態(tài)量進(jìn)行異常判斷，并根據(jù)判斷結(jié)果控制現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)指示燈及報(bào)警器的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)機(jī)電設(shè)備狀態(tài)、運(yùn)行參數(shù)及故障情況的檢測(cè)；②通過采集電梯的加速度、溫度、電壓、電流、噪音、振動(dòng)、壓力等多種性能參數(shù)，監(jiān)測(cè)自動(dòng)扶梯、電梯的運(yùn)行情況及故障狀態(tài)，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，通過無(wú)線報(bào)警模塊予以報(bào)警；③采集水泵電機(jī)的溫度、電流、電壓以及水泵流量、壓力、水位等數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、狀態(tài)檢測(cè)與報(bào)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(cè)參數(shù)，監(jiān)測(cè)空調(diào)車站風(fēng)機(jī)組、空調(diào)機(jī)組等空調(diào)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，并進(jìn)行故障報(bào)警。

（4）供電監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)

車站供電監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)主要是負(fù)責(zé)對(duì)車站供電系統(tǒng)主要設(shè)備 （包括UPS）和線路的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視、控制和測(cè)量，具有對(duì)供電系統(tǒng)用電量統(tǒng)計(jì)，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(hào)監(jiān)測(cè)，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(jì)及聲光信號(hào)報(bào)警提示等功能。

（5）車站結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)

車站結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)通過監(jiān)測(cè)車站結(jié)構(gòu)的振動(dòng)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(lái)判斷整個(gè)結(jié)構(gòu)損傷程度以及是否需要對(duì)存在損傷進(jìn)行處理，確認(rèn)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(rèn)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(shí)現(xiàn)車站客流量及遺留物、入侵等異常事件的監(jiān)測(cè)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(cè)

旅服系統(tǒng)設(shè)備監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)閘機(jī)、自動(dòng)售票機(jī)、自動(dòng)取票機(jī)、查詢機(jī)、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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)追蹤定位功能，實(shí)時(shí)了解車站設(shè)備、旅客在站內(nèi)的分布狀態(tài)，為車站客運(yùn)組織提供條件。

1.3 基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的鐵路客運(yùn)站運(yùn)營(yíng)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)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(gè)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(qiáng)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(jì)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(cè)、FAS、BAS、安?？刂?、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(bào)警等功能模塊。根據(jù)實(shí)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(biāo)傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)感知信息的到達(dá)時(shí)間、信號(hào)強(qiáng)度等特性檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)傳感器的實(shí)時(shí)定位和跟蹤。

（3）數(shù)據(jù)層：數(shù)據(jù)層是整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心，包括各類監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)，系統(tǒng)配置數(shù)據(jù)庫(kù)、節(jié)點(diǎn)位置信息等。

（4）網(wǎng)絡(luò)層：系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層包括WIFI無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和有線局域網(wǎng)絡(luò)，感知層簇首節(jié)點(diǎn)傳送的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)關(guān)無(wú)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(shí)，接入網(wǎng)關(guān)接收到數(shù)據(jù)時(shí)，通過簇首節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)發(fā)送給功能節(jié)點(diǎn)，從而實(shí)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(dòng)傳感器、噪音探測(cè)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(diǎn)組成。多個(gè)功能節(jié)點(diǎn)組成一個(gè)感知子域，每個(gè)感知子域至少具有一個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)，功能節(jié)點(diǎn)將環(huán)境采集信息初步分析和處理后通過簇首節(jié)點(diǎn)即網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)傳送至監(jiān)控平臺(tái)，并通過簇首節(jié)點(diǎn)接收和轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)控平臺(tái)的數(shù)據(jù)請(qǐng)求和指令。

1.4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.4.1 無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)

系統(tǒng)傳感器節(jié)點(diǎn)由傳感器模塊、微處理器模塊、無(wú)線通信模塊、存儲(chǔ)模塊、報(bào)警模塊和電源模塊組成。節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

本文的傳感器節(jié)點(diǎn)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(gè)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(diǎn)使用電池進(jìn)行供電。

圖1 基于WSN的鐵路客運(yùn)車站運(yùn)營(yíng)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)

圖2 無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

1.4.2 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的硬件主要由ZigBee的無(wú)線模塊CC2530、WIFI無(wú)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(diǎn)

圖3 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)中采用以有線控制為主，無(wú)線冗余的方式對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制?？刂乒?jié)點(diǎn)以無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)為基礎(chǔ)，由ARM9處理器模塊、無(wú)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(kuò)展板，集成不同類型的傳感器，采集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)是無(wú)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(shí)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(fù)責(zé)將收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換，實(shí)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(jì)可以分為兩個(gè)部分：ZigBee無(wú)線模塊程序設(shè)計(jì)和基于ARM9處理器程序設(shè)計(jì)，WIFI無(wú)線模塊的操作包含在ARM9處理器程序設(shè)計(jì)中。其運(yùn)行流程如圖4所示。

圖4 網(wǎng)關(guān)程序運(yùn)行流程

2.2 數(shù)據(jù)處理及數(shù)據(jù)融合

由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)部署的冗余性，且鐵路車站運(yùn)營(yíng)環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)要求時(shí)延小，傳輸數(shù)據(jù)量大，如果感知節(jié)點(diǎn)的冗余數(shù)據(jù)都通過路由節(jié)點(diǎn)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(huì)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(diǎn)的融合算法刪除冗余、無(wú)效和可信度較差的信息，提高監(jiān)測(cè)描述的魯棒性、準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性是鐵路車站運(yùn)營(yíng)環(huán)境監(jiān)測(cè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵。

本文首先采用Grubbs準(zhǔn)則［8］對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，剔除干擾數(shù)據(jù)和錯(cuò)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(duì)同一時(shí)刻的有效數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)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(gè)傳感器采集的一組由小到大順序排列的測(cè)量值x1，x2，…，xn，計(jì)算其均值和方差σ2，其中＝統(tǒng)計(jì)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(cè)量數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)，p為置信概率，通常取值為0.95和0.99。

（2）設(shè)m個(gè)傳感器對(duì)同一環(huán)境的溫度進(jìn)行測(cè)量，這m的傳感器的方差，j＝1，…，m，計(jì)算最優(yōu)加權(quán)因子wj＝得 到 數(shù) 據(jù) 融 合 估 計(jì) 值 x ＝其中為第j個(gè)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(yùn)營(yíng)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的無(wú)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(diǎn)作為信標(biāo)節(jié)點(diǎn)安裝到固定的室內(nèi)位置，感知區(qū)域節(jié)點(diǎn)作為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，由目標(biāo)節(jié)點(diǎn)向信標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送射頻信號(hào)，通過信標(biāo)節(jié)點(diǎn)以無(wú)線方式轉(zhuǎn)發(fā)給匯聚節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)計(jì)算目標(biāo)節(jié)點(diǎn)與信標(biāo)節(jié)點(diǎn)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(hào)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(hào)強(qiáng)度，單位為dBm，d0——一個(gè)固定基準(zhǔn)距離，n——一個(gè)與傳輸介質(zhì)有關(guān)的常數(shù)，其值為實(shí)際環(huán)境測(cè)得的數(shù)據(jù)，xσ——一個(gè)高斯分布隨機(jī)變量。

最后采用極大似然估計(jì)算法［9］實(shí)現(xiàn)位置定位。

2.4 實(shí)驗(yàn)分析

（1）數(shù)據(jù)融合仿真實(shí)驗(yàn)

設(shè)傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇后的簇內(nèi)的3個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，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(tái)風(fēng)速目標(biāo)呈穩(wěn)態(tài)變化，即x＝3.5。在matlab仿真環(huán)境下，通過Grubbs準(zhǔn)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(diǎn)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(cè)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(shí)驗(yàn)分析

本文搭建了一個(gè)4個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)位置如圖7（a）所示，測(cè)試節(jié)點(diǎn)位置在坐標(biāo) （3.5，3.5）處，通過多次測(cè)試，定位結(jié)構(gòu)如圖7（b）所示。

圖7 傳感器節(jié)點(diǎn)信標(biāo)及定位效果

經(jīng)過測(cè)試，通過調(diào)整n的取值，n∈［2，4］，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的平均誤差在2.26 m，最大誤差達(dá)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(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)定位要求較高的設(shè)備，可以設(shè)計(jì)不同的定位方法。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)鐵路車站運(yùn)營(yíng)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)量參數(shù)多和布線難等問題，利用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)設(shè)計(jì)了新一代車站運(yùn)營(yíng)環(huán)境監(jiān)測(cè)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(hù)性。系統(tǒng)通過無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)無(wú)線傳感器進(jìn)行配置和網(wǎng)絡(luò)管理，實(shí)時(shí)采集車站的人員、設(shè)備、環(huán)境等狀態(tài)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)鐵路客運(yùn)車站環(huán)境、消防、機(jī)電設(shè)備、供電設(shè)備及車站結(jié)構(gòu)狀態(tài)等的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，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(yùn)營(yíng)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(diǎn)。

［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(wú)線消防報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì) ［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(hào)機(jī)房環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì) ［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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)原理與實(shí)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的飛行器結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)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(jī)電設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的樓宇結(jié)構(gòu)的檢測(cè)系統(tǒng)的研究 ［D］.無(wú)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)融合與目標(biāo)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境自動(dòng)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(cè)距的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)智能定位算法 ［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，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(chéng).基于通信代價(jià)的Zigbee網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)路由選擇算法 ［J］.計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型 ［J］.城市軌道交通，2007 （ 12）：28－32.］