趙 帥

（中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東青島 266112）

0 引言

短距離無線通信技術(shù)（Wireless Communication）是利用電磁波信號可以在自由空間內(nèi)傳播的特性，進(jìn)行信息交換的一種通信方式。目前主流的無線通信技術(shù)有紅外、藍(lán)牙、ZigBee、WiFi 等，免費(fèi)的無線信號頻段有315 MHz、433 MHz、470 MHz 和2.4 GHz 頻段等。

（1）紅外是短距離無線通信方式的一種，其特征是點(diǎn)對點(diǎn)無線傳輸，但距離不能太遠(yuǎn)，且要對準(zhǔn)方向，中間不能有障礙物。

（2）藍(lán)牙是一種使設(shè)備支持短距離通信（一般在10 m 以內(nèi)）的無線電技術(shù)。藍(lán)牙采用分散式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及快跳頻和短包技術(shù)，支持點(diǎn)對點(diǎn)和點(diǎn)對多點(diǎn)通信方式，其數(shù)據(jù)速率為1 Mbps。采用時分雙工實(shí)現(xiàn)全雙工傳輸。

（3）WiFi 是一種可以將個人電腦、手持設(shè)備（PDA、手機(jī)）等終端以無線方式互相連接的技術(shù)。

（4）433 MHz、470 MHz 和2.4 GHz 無線數(shù)據(jù)傳輸，因其簡單高效而被廣泛應(yīng)用于各種監(jiān)控、遙測、無線485 數(shù)據(jù)通信、無線數(shù)據(jù)采集、遙控、無線組網(wǎng)車輛等領(lǐng)域。

隨著我國城市人口和經(jīng)濟(jì)的快速增長，國家對公共建設(shè)政策措施的強(qiáng)力推動，我國城市軌道交通建設(shè)已經(jīng)進(jìn)入了一個快速發(fā)展階段。城市軌道車輛車門系統(tǒng)在輕軌與地鐵車輛運(yùn)營過程中扮演著及其重要的角色。車門形式的設(shè)計(jì)，車門開關(guān)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及加工制造與控制系統(tǒng)都直接影響著城市軌道車輛的安全運(yùn)營。采用短距離無線通信技術(shù)對軌道車輛車門系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時傳輸與匯集，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對其運(yùn)行狀況的實(shí)時監(jiān)控。在實(shí)際運(yùn)營的地鐵上，較短距離（10 m 以內(nèi)）的信息傳輸可以采用紅外、藍(lán)牙、WiFi、470/433 MHz和2.4 GHz 頻段，但如果實(shí)現(xiàn)中遠(yuǎn)距離的信息傳輸，要求無線通信距離盡可能遠(yuǎn)，這種情況下只能選用470/433 MHz 頻段和2.4 GHz 頻段的無線信號傳輸方式。

1 無線組網(wǎng)技術(shù)

1.1 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)類型

短距離無線通信設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)類型有3 種，分別是中心節(jié)點(diǎn)（Coordinator）、中繼路由（Router）和終端節(jié)點(diǎn)（End Device）。

（1）中心節(jié)點(diǎn)，又稱網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，它包含所有的網(wǎng)絡(luò)信息，是3 種設(shè)備類型中最復(fù)雜的一種。其發(fā)送網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)、建立和維護(hù)一個網(wǎng)絡(luò)、管理網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、尋找一對節(jié)點(diǎn)間的路由信息，不斷地接收信息。即使中心節(jié)點(diǎn)掉電，中繼路由仍然保持網(wǎng)絡(luò)，因此中繼路由與中繼路由之間仍然能夠通信，即使中心節(jié)點(diǎn)掉電，當(dāng)有新的節(jié)點(diǎn)加入時，仍然能夠通過現(xiàn)有的中繼路由組建網(wǎng)絡(luò)，加入網(wǎng)絡(luò)。

（2）中繼路由，又稱全功能設(shè)備（FFD），可以擔(dān)任網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，維護(hù)整個網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行，形成網(wǎng)絡(luò)，讓其他的中繼路由或者精簡功能裝置（RFD）連接，中繼路由具備控制器功能，起到數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)功能和自動尋找最捷徑的路由表，也能用作終端設(shè)備。

（3）終端節(jié)點(diǎn)，又稱精簡功能設(shè)備（RFD），附帶有限的功能來控制成本和復(fù)雜性，在網(wǎng)絡(luò)中通常用作終端設(shè)備。通常定義為電池供電設(shè)備，可周期性喚醒并執(zhí)行設(shè)定的任務(wù)，終端節(jié)點(diǎn)通常在周期性醒來時，檢索自己的父節(jié)點(diǎn)是否傳輸給自己的數(shù)據(jù)，并執(zhí)行設(shè)定的任務(wù)。

1.2 無線組網(wǎng)模型

結(jié)合無線通信設(shè)備的三種網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)類型，其無線組網(wǎng)模型主要有三種：星狀網(wǎng)絡(luò)、樹狀網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)（對等網(wǎng)，無中心）。

（1）星狀網(wǎng)絡(luò)模型：由一個中心節(jié)點(diǎn)和若干個終端節(jié)點(diǎn)組成，中心節(jié)點(diǎn)與終端節(jié)點(diǎn)直接進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互，無需中繼路由，其組網(wǎng)方式如圖1 所示。該網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)簡單，數(shù)據(jù)傳輸效率較高，但網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展性差，距離有限。

圖1 星狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意

（2）樹狀網(wǎng)絡(luò)模型：由一個中心節(jié)點(diǎn)、若干個中繼路由和若干個終端節(jié)點(diǎn)共同組成，路由節(jié)點(diǎn)通過路由算法管理相應(yīng)的終端節(jié)點(diǎn)，中心節(jié)點(diǎn)與終端節(jié)點(diǎn)之間的信息交互可以通過中繼路由進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，也可以直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。具有擴(kuò)展性較強(qiáng)、傳輸距離較長、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。但可能會增加數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間，從而降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾?。其結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 樹狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意

（3）網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)模型：只有路由節(jié)點(diǎn)組成的網(wǎng)絡(luò)模型，相鄰節(jié)點(diǎn)之間能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，無中心節(jié)點(diǎn)自治網(wǎng)絡(luò)。其優(yōu)點(diǎn)是可靠性高、資源管理性優(yōu)越等。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意

2 中繼路由的功能

中繼路由是網(wǎng)絡(luò)的中間設(shè)備，在網(wǎng)絡(luò)中扮演著重要的角色，其可以選擇已有的網(wǎng)絡(luò)加入，入網(wǎng)后可以允許其他設(shè)備加入或者離開網(wǎng)絡(luò)，具有路由、啟動路由發(fā)現(xiàn)和路由修復(fù)功能，每一個無線網(wǎng)絡(luò)中可以有多個路由器。短距離無線通信網(wǎng)絡(luò)具有自組網(wǎng)和多跳功能，其中最關(guān)鍵的技術(shù)是路由和路由發(fā)現(xiàn)，路由器具備的這些功能都是通過路由算法來實(shí)現(xiàn)的。

中繼路由采用AODV（Ad hoc On Demand Distance Vetor，源驅(qū)動路由協(xié)議）算法，也稱為按需矢量算法。每一個路由器維護(hù)一張路由表，并定期與其相鄰的路由器交換路由信息，根據(jù)最小路由矢量更新自己的路由表。表中存儲的路由信息包括目標(biāo)地址（destination address）、下一跳地址（next hop address）和該條目狀態(tài)（status）。狀態(tài)包括活動（active）、非活動（inactive）、路由發(fā)現(xiàn)中（under discover）和路由發(fā)現(xiàn)失?。╠iscover failed）。路由算法邏輯如圖4 所示。

圖4 路由算法

網(wǎng)絡(luò)層接收到的數(shù)據(jù)幀來自應(yīng)用層，則首先判斷是否是廣播信息，即該數(shù)據(jù)幀是否傳輸給網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)，若是，則按照廣播信息的處理規(guī)則轉(zhuǎn)發(fā)信息，若數(shù)據(jù)幀來自下層則在廣播的同時將數(shù)據(jù)幀上傳到上一層。如果不是廣播地址，則將目標(biāo)地址與自己的網(wǎng)絡(luò)地址比較，相等則上傳到應(yīng)用層，不等則判斷目標(biāo)地址是否是自己的一個終端子設(shè)備的地址，如果是，則直接路由到目標(biāo)設(shè)備。否則，如果該設(shè)備不具備路由能力，而nwkUseTreeRouting=true 則按照樹結(jié)構(gòu)路徑轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，否則丟棄該數(shù)據(jù)幀。

3 地鐵內(nèi)無線組網(wǎng)方式研究

將短距離無線通信技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際運(yùn)營的地鐵車輛上，必須將地鐵運(yùn)營的實(shí)際環(huán)境和所選無線設(shè)備的性能相結(jié)合進(jìn)行考慮，地鐵內(nèi)的金屬屏蔽，人群的干擾以及其他電子設(shè)備發(fā)出的無線干擾信號等因素，這些就要求無線設(shè)備具有較好的穿透力，盡量避開其他通用電子設(shè)備的無線頻段。綜合考慮上述因素，本文將選用470 MHz 無線通信設(shè)備作為地鐵內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o線設(shè)備，其組網(wǎng)方式初步確定選用樹狀網(wǎng)絡(luò)模型。

3.1 無線傳輸性能測試

3.1.1 測試條件

無線通信設(shè)備串口波特率為115 200 bps，串口超時時間為2.2 s，數(shù)據(jù)幀大小為200 字節(jié)，幀與幀的發(fā)送間隔為2.2 s，32 幀作為1 包，共發(fā)送2 包，包與包發(fā)送間隔為5 s。環(huán)境分為遠(yuǎn)距離測試（30 m 間隔呈一字排列）和短距離測試（辦公室環(huán)境），組網(wǎng)方式為樹狀網(wǎng)絡(luò)模型。

3.1.2 測試結(jié)果

8 個路由節(jié)點(diǎn)（兼終端設(shè)備功能）同時向中心節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，在遠(yuǎn)距離和近距離兩種環(huán)境下，其丟包情況基本穩(wěn)定在0%，數(shù)據(jù)傳輸時間基本在71 s 左右（表1）。當(dāng)路由節(jié)點(diǎn)（兼終端設(shè)備功能）達(dá)到10～12 個，開始出現(xiàn)丟包情況，且隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加丟包情況也隨之嚴(yán)重，但其傳輸時間基本穩(wěn)定在71 s 左右。若將數(shù)據(jù)幀的大小減小，相應(yīng)的可以改善丟包率的情況，但數(shù)據(jù)的傳輸時間將會翻倍增加。

表1 無線通信傳輸性能試驗(yàn)測試結(jié)果

3.1.3 測試結(jié)論

測試結(jié)果表明，如果利用短距離無線通信技術(shù)在地鐵內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，且傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較大時，其網(wǎng)絡(luò)模型的選擇和路由節(jié)點(diǎn)（兼終端設(shè)備功能）對整傳輸網(wǎng)絡(luò)有著重大影響?；跍y試結(jié)果，本文提出一種適用于地鐵內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕M網(wǎng)方式。

3.2 組網(wǎng)方案設(shè)計(jì)

地鐵的結(jié)構(gòu)組成：以南京地鐵為例，南京地鐵為A 型車，其車輛有6 節(jié)車廂，每節(jié)車廂有10 個門，分布在兩側(cè)，每側(cè)5 個門，車廂長度為22 m，車輛總長為140 m，車廂內(nèi)車門等距離分布（4 m 左右），若在每個車門系統(tǒng)上安裝一臺無線通信設(shè)備，其安裝位置必須在金屬屏蔽罩內(nèi)，且車廂與車廂之間的外殼內(nèi)部不相通，中心節(jié)點(diǎn)安裝在車輛的中心位置。

方案1：單網(wǎng)絡(luò)主動上報組網(wǎng)方式。采用兩個中心節(jié)點(diǎn)，每個中心節(jié)點(diǎn)管理1/2 列車輛的無線設(shè)備（30個），由于地鐵實(shí)際運(yùn)行過程中到站只開一側(cè)車門，所以每個中心節(jié)點(diǎn)每次只需要管理15 個路由節(jié)點(diǎn)（兼終端設(shè)備功能），這樣當(dāng)一側(cè)的設(shè)備工作時，另一側(cè)的設(shè)備不進(jìn)入休眠狀態(tài)，該側(cè)設(shè)備可以起到路由功能，這在一定程度上提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量。圖5 所示為1/2 列車廂，中心節(jié)點(diǎn)1 代表網(wǎng)絡(luò)編號為1 的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。

圖5 單網(wǎng)絡(luò)主動上報節(jié)點(diǎn)分布示意（1/2 列車為單位）

方案解析：該方案采用15 個節(jié)點(diǎn)同時向中心節(jié)點(diǎn)上報數(shù)據(jù)，其中每個發(fā)送設(shè)備需要配置為中繼路由節(jié)點(diǎn)（兼終端節(jié)點(diǎn)功能），其數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆窂饺鐖D5 中箭頭所示，這條傳輸路線只是隨機(jī)產(chǎn)生的一條，可能是環(huán)境最惡劣的條件下的傳輸路線，假如環(huán)境條件較好，也有可能在最左邊的無線設(shè)備直接傳輸至中心節(jié)點(diǎn)。根據(jù)測試結(jié)果可知其傳輸時間為71～80 s，該方案需要發(fā)送節(jié)點(diǎn)在本地將發(fā)送的數(shù)據(jù)按照表格形式存儲起來，數(shù)據(jù)上報結(jié)束后，中心節(jié)點(diǎn)設(shè)備進(jìn)行表格查詢，將丟掉的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行重新發(fā)送，進(jìn)行逐個補(bǔ)漏。該方案組網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡單，但需要強(qiáng)大的軟件功能配合實(shí)現(xiàn)，其主要工作重點(diǎn)是MCU 軟件的處理部分。

方案2：多網(wǎng)絡(luò)跳躍交叉組網(wǎng)方式。以實(shí)際測試的無線設(shè)備為例，存在8 個點(diǎn)同時向中心節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)時其丟包率基本可以穩(wěn)定在0%附近。結(jié)合整列地鐵的門數(shù)量，該方案采用4個中心節(jié)點(diǎn)組成4 個網(wǎng)絡(luò)，每個網(wǎng)絡(luò)管理15 個門系統(tǒng)的設(shè)備，因?yàn)榱熊囘\(yùn)行是單側(cè)開關(guān)門，所以實(shí)際上每個網(wǎng)絡(luò)里每次只有7 個或者8 個設(shè)備同時工作，而另外的設(shè)備不進(jìn)入休眠狀態(tài)，起到路由轉(zhuǎn)發(fā)和路由修復(fù)的功能。其節(jié)點(diǎn)分布如圖6 所示，其中中心節(jié)點(diǎn)1 為1 號網(wǎng)絡(luò)，依次類推，圖中所示的匯集設(shè)備上的中心節(jié)點(diǎn)可以按照實(shí)際的環(huán)境進(jìn)行分布。

圖6 多網(wǎng)絡(luò)跳躍交叉組網(wǎng)方式示意（1/2 列車為單位）

方案解析：該方案側(cè)重于利用短距離無線通信設(shè)備中繼路由的性能進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的拓展和數(shù)據(jù)的傳輸，路由算法AODV（按需矢量算法）可通過RSSI（Received Signal Strength Indication）進(jìn)行無線信號強(qiáng)度的評估，進(jìn)而優(yōu)化無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆窂剑▓D6）。以3 號網(wǎng)絡(luò)的傳輸路線為例，其可能是在環(huán)境最惡劣的情況下的傳輸路線，若環(huán)境較好，可能從左邊第1 節(jié)車廂直接通過第2 節(jié)車廂的路由進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)或者直接傳輸至中心節(jié)點(diǎn)，不經(jīng)過路由轉(zhuǎn)發(fā)。結(jié)合軟件重發(fā)機(jī)制的配合，該方案可以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量與傳輸效率，但是需要在匯集設(shè)備端進(jìn)行大量的硬件設(shè)計(jì)工作。

方案3：多網(wǎng)絡(luò)匯集雙天線跳躍組網(wǎng)方式。該方案最大特點(diǎn)在于以每個車廂為一個組網(wǎng)單位，并增加一個匯集設(shè)備，匯集設(shè)備上設(shè)計(jì)兩種節(jié)點(diǎn)，如圖7 所示，匯集節(jié)點(diǎn)作為本節(jié)車廂的數(shù)據(jù)匯集中心，另一個路由節(jié)點(diǎn)（兼終端節(jié)點(diǎn)功能）與中心節(jié)點(diǎn)組成網(wǎng)絡(luò)，其匯集節(jié)點(diǎn)的功能在于將數(shù)據(jù)匯總后再做發(fā)送處理，其中匯集設(shè)備兼有采集設(shè)備的功能?？紤]的地鐵運(yùn)行環(huán)境的復(fù)雜性，該方案需要在每節(jié)車廂放置一個路由節(jié)點(diǎn)（標(biāo)注為2 號網(wǎng)），該節(jié)點(diǎn)只對它進(jìn)行供電，使其只具有路由轉(zhuǎn)發(fā)功能。

圖7 多網(wǎng)絡(luò)匯集雙天線跳躍組網(wǎng)方式示意（1/2 列車為單位）

方案解析：結(jié)合地鐵環(huán)境的復(fù)雜性，該方案采用“小網(wǎng)絡(luò)匯集，大網(wǎng)絡(luò)傳輸”的形式進(jìn)行整列車的數(shù)據(jù)傳輸。小網(wǎng)絡(luò)匯集：一個匯集設(shè)備管理10 個節(jié)點(diǎn)，因?yàn)榈罔F門為單側(cè)工作，因而每次列車到站只有5 個節(jié)點(diǎn)在工作，這樣在較短距離內(nèi)保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性與可靠性；大網(wǎng)絡(luò)傳輸：一節(jié)車廂組成兩個大網(wǎng)，2 號網(wǎng)和5 號網(wǎng)，因?yàn)橐涣械罔F一共只有6 節(jié)車廂，每個大網(wǎng)每次只有6 個節(jié)點(diǎn)同時傳輸數(shù)據(jù)，為了避免長距離及其他干擾造成大網(wǎng)絡(luò)的傳輸性能下降，可以在數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆肪€經(jīng)過的車廂中間再布置一個路由節(jié)點(diǎn)，如圖7 中的2 號網(wǎng)絡(luò)路由節(jié)點(diǎn)，這樣可以避免多個節(jié)點(diǎn)同時發(fā)送而造成的數(shù)據(jù)碰撞。該方案綜合考慮了地鐵環(huán)境的復(fù)雜性和短距離無線通信技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，其可行性較高。該方案較其他方案的缺點(diǎn)是大大延遲了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間，但是可以通過軟件給整個傳輸系統(tǒng)增加一定的數(shù)據(jù)處理機(jī)制來彌補(bǔ)這一缺陷。

4 結(jié)束語

短距離無線通信技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)步入較為成熟的階段，本文針對地鐵環(huán)境的復(fù)雜性以及大數(shù)據(jù)量的傳輸要求，將短距離無線通信技術(shù)應(yīng)用到地鐵車廂內(nèi)的數(shù)據(jù)交互中，在此環(huán)境下的組網(wǎng)方式必須打破以往的傳統(tǒng)方式。本文介紹的組網(wǎng)方式不僅適用于地鐵環(huán)境，也可應(yīng)用到其他環(huán)境較為復(fù)雜的領(lǐng)域。