霍躍

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司, 陜西， 西安 710000)

0 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，其在建筑、物流、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域得到越來(lái)越多的應(yīng)用。我國(guó)鐵路系統(tǒng)正向著信息化、智能化方向發(fā)展，從而提升鐵路運(yùn)輸與管理效率，因此,列車狀態(tài)的網(wǎng)絡(luò)化檢測(cè)與監(jiān)控對(duì)于保障列車運(yùn)行的可靠性具有重要意義[1]。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于列車狀態(tài)檢測(cè)將成為列車監(jiān)測(cè)的重要手段之一。本文對(duì)列車狀態(tài)監(jiān)測(cè)的網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行改進(jìn)，引入自適應(yīng)學(xué)習(xí)算法，以提升狀態(tài)檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)傳輸效率，并給出了具體的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)流程，通過(guò)性能測(cè)試驗(yàn)證了該網(wǎng)絡(luò)模型的有效性，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

1 物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)模型

為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠傳輸，結(jié)合列車空間分布特點(diǎn)，采取分布式拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)模型，對(duì)傳感器采集節(jié)點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化布置。物聯(lián)網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型如圖1所示。模型中的邊向量表示(u,v)∈E，設(shè)定溫度、適度、壓力等傳感器獲取的樣本集合滿足設(shè)定條件cjTc

(1)

式中，d1(x1,x2)表示當(dāng)x1處于候選簇的首位時(shí)x1和x2兩個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)間的距離值，d1(x2,x1)表示當(dāng)x2處于候選簇的首位時(shí)x1和x2兩個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)間的距離值。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型

假設(shè)t時(shí)刻中繼節(jié)點(diǎn)x1和x2的離散型采集序列表示為x1(t)和x2(t)，離散采集序列的推導(dǎo)公式[3]為

(2)

式中，ε表示離散信息，a表示疊加權(quán)系數(shù)。利用分布式結(jié)構(gòu)的路由布置方法，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)模型進(jìn)行模糊推斷和決策，獲得自適應(yīng)學(xué)習(xí)模型，推導(dǎo)公式為

(3)

物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)收發(fā)控制主要包括對(duì)終端節(jié)點(diǎn)和路由的數(shù)據(jù)收發(fā)和轉(zhuǎn)發(fā)控制。在物聯(lián)網(wǎng)分布模型的基礎(chǔ)上，選用自適應(yīng)輪換算法實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的調(diào)度，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的自適應(yīng)部署和定位，利用數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)特征值設(shè)計(jì)路由轉(zhuǎn)發(fā)控制協(xié)議[5]。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行自適應(yīng)輪換時(shí)，其優(yōu)化調(diào)度控制模型的描述公式為

(4)

式中，ω(t)表示控制數(shù)據(jù)收發(fā)轉(zhuǎn)換的系數(shù)值，通過(guò)自適應(yīng)學(xué)習(xí)，獲得網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的輸出數(shù)據(jù)特征值統(tǒng)計(jì)公式：

(5)

式中，ai表示網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)流量權(quán)重系數(shù)，z表示網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)目。利用自適應(yīng)輪換和深度學(xué)習(xí)算法，將物聯(lián)網(wǎng)模型的數(shù)據(jù)輸出控制問(wèn)題轉(zhuǎn)化成為對(duì)數(shù)據(jù)的二乘規(guī)劃問(wèn)題，從而提升網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸控制的穩(wěn)定性和自適應(yīng)能力[6]，其轉(zhuǎn)換映射關(guān)系為

(6)

2 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)主要由大量網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，其網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)主要包括路由器和終端采集節(jié)點(diǎn)兩類，一般將路由器和終端采集節(jié)點(diǎn)采用相似結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。路由器在網(wǎng)絡(luò)中充當(dāng)父節(jié)點(diǎn)的作用，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)深度不小于3時(shí)，路由器可對(duì)子節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和整合，轉(zhuǎn)發(fā)至協(xié)調(diào)器，同時(shí)可將協(xié)調(diào)器下發(fā)的信息分發(fā)至各個(gè)終端采集節(jié)點(diǎn)[7-8]。與路由器相比，終端采集節(jié)點(diǎn)基本電路組成類似，但不具備路由功能，僅負(fù)責(zé)傳感器的數(shù)據(jù)采集與傳輸。

圖2 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中的主控芯片選用TI公司的CC2530[9]，CC2530芯片及外圍電路如圖3所示。該芯片內(nèi)核集成了一個(gè)MCU處理器，具備8通道的ADC轉(zhuǎn)換模塊，擁有21個(gè)通用型的I/O端口，內(nèi)部配置了FLASH可編程存儲(chǔ)器。該芯片具有良好的信號(hào)收發(fā)靈敏度和低功耗特性，在射頻收發(fā)模塊中得到廣泛應(yīng)用。終端采集節(jié)點(diǎn)連接的傳感器主要包括溫濕度傳感器、壓力傳感器、紅外傳感器。其中，溫濕度傳感器選用信號(hào)為SHT75，負(fù)責(zé)對(duì)列車車廂中的空氣溫濕度采集，采用一根數(shù)據(jù)線和一根時(shí)鐘線，實(shí)現(xiàn)與CC2530的數(shù)據(jù)通信，利用時(shí)鐘信號(hào)線的同步，通過(guò)單根數(shù)據(jù)線實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)由溫濕度傳感器向CC2530的單向傳輸[10]。壓力傳感器選擇CYYZ16-P型號(hào)壓力傳感器，用于檢測(cè)列車軸承制動(dòng)氣壓值，其采集數(shù)據(jù)通過(guò)P0.7端口輸入至CC2530。紅外測(cè)溫傳感器選用型號(hào)為MLX90640，實(shí)現(xiàn)對(duì)軸承的非接觸測(cè)溫，有效測(cè)量溫度范圍是-70～380 ℃，測(cè)量精度可達(dá)到0.1 ℃。

圖3 CC2530模塊電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件包括路由器節(jié)點(diǎn)軟件和終端采集節(jié)點(diǎn)軟件2個(gè)主要部分，采用IAR開(kāi)發(fā)軟件和協(xié)議棧對(duì)2部分的程序進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.1 協(xié)調(diào)器程序設(shè)計(jì)

在ZigBee物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中，協(xié)調(diào)器起到節(jié)點(diǎn)間互相協(xié)調(diào)和通信的中轉(zhuǎn)介質(zhì)作用，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的加入和剔除，管理信號(hào)傳輸信道，控制對(duì)其他終端節(jié)點(diǎn)的參數(shù)配置和通斷。通過(guò)事件的輪詢管理，在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中保持協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)處于工作狀態(tài)。當(dāng)其檢測(cè)到終端采集節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)時(shí)，則會(huì)調(diào)用接收函數(shù)，并將接收到的數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送至GPRS模塊，將其傳送至遠(yuǎn)程的上位機(jī)PC端，協(xié)調(diào)器程序流程如圖4所示。

圖4 路由器程序流程

3.2 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)包括路由器和終端節(jié)點(diǎn)2種形式。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)加入物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)后，則執(zhí)行輪詢函數(shù)，當(dāng)?shù)竭_(dá)數(shù)據(jù)彩金時(shí)刻，路由器和采集終端執(zhí)行傳感器數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送，并將數(shù)據(jù)最終發(fā)送至協(xié)調(diào)器。充當(dāng)路由的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)除了具備傳感器數(shù)據(jù)采集的功能外，同時(shí)作為中繼節(jié)點(diǎn)，還具有與協(xié)調(diào)器相同的信息接收機(jī)制，通過(guò)運(yùn)行接收函數(shù)，將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)程序流程如圖5所示。

圖5 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)程序流程

4 系統(tǒng)性能測(cè)試

為測(cè)試網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和傳輸速度，搭建數(shù)據(jù)包傳輸測(cè)試平臺(tái)，以模擬列車車廂間的數(shù)據(jù)傳輸效果。模擬系統(tǒng)共配置5個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)定為協(xié)調(diào)器，另一個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)定為路由器，其他3個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)定為終端采集節(jié)點(diǎn)。利用TI公司發(fā)布的Packet Sniffer數(shù)據(jù)包測(cè)試軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸性能測(cè)試。

為測(cè)試數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，對(duì)相同發(fā)送狀態(tài)下的數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)20 h的抓包測(cè)試，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膩G包率。在不同通信距離情況下，統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)丟包率如表1所示。由統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，在通信距離50 m內(nèi)，數(shù)據(jù)丟包率保證在0.1%，列車的

通信距離/m丟包率/%15<0.130<0.150<0.1100<0.4200<0.6

每節(jié)車廂長(zhǎng)度在15 m左右，該系統(tǒng)可滿足相鄰車廂中網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的通信穩(wěn)定性。

數(shù)據(jù)傳輸速率是無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的另一個(gè)重要性能指標(biāo)，為測(cè)試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率，對(duì)比測(cè)試本文網(wǎng)絡(luò)模型與傳統(tǒng)方法的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間開(kāi)銷，統(tǒng)計(jì)時(shí)間開(kāi)銷與傳輸數(shù)據(jù)量之間的關(guān)系，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，本系統(tǒng)采用了自適應(yīng)輪換調(diào)度，與傳統(tǒng)方法相比，數(shù)據(jù)傳輸消耗的時(shí)間更短，傳輸效率明顯得到提高。

圖6 時(shí)間開(kāi)銷測(cè)試結(jié)果

5 總結(jié)

本文通過(guò)自適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)模型實(shí)現(xiàn)對(duì)列車狀態(tài)信息的實(shí)時(shí)采集和傳輸，實(shí)現(xiàn)對(duì)列車信息的網(wǎng)絡(luò)化管理與控制，從而提升對(duì)列車狀態(tài)監(jiān)測(cè)的穩(wěn)定性和高效性。本文給出了具體的網(wǎng)絡(luò)模型和關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)方案，該方案具有靈活性、低功耗和網(wǎng)絡(luò)容量大的優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)模擬測(cè)試驗(yàn)證了方案的穩(wěn)定性和快速性，具備一定的工程參考價(jià)值。