一種用于鐵路安全的無線自組網協議＊

欒厚斌 孫長國 李含輝

（1.大連造船廠軍代室 大連 123456）（2.92117部隊 北京 100072）（3.武漢船舶通信研究所 武漢 430079）

1 引言

低功耗無線電通信技術、嵌入式計算技術、微型傳感器技術及集成電路技術的飛速發展和日益成熟，使得大量的、低成本的微型傳感器通過無線鏈路自組織成無線傳感器網絡成為現實。無線傳感器網絡能夠通過各類集成化的微型傳感器協作地實施監測、感知和采集各種環境或監測對象的信息，這些信息通過無線方式被發送，并以自組多跳的網絡方式傳送到用戶終端。

目前，鐵路物資押運防盜在國內尚處于空白狀態，將無線傳感器網絡應用于物資押運，保證物資在鐵路運輸過程中的安全，并降低押運人員工作強度，是十分有意義的。

2 自組織協議用于鐵路運輸安全的優勢

鐵路系統棚式貨運列車均為鐵制，且滿掛時達數百米，因此，要求無線通信能夠長距離傳輸數據，并能有效克服金屬（列車車體）的影響。金屬對于無線通訊的影響非常大。能否有效克服金屬影響是實現整套系統的自動傳輸的關鍵，因為它直接關系到各個節點之間的組網性能。

目前，成熟的無線傳感器網絡協議主要就是ZigBee協議，該協議為免費協議。ZigBee技術是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數據傳輸速率、低成本的雙向無線通信技術。在ZigBee網絡中，由許多個小型的節點所構成，以這些工作節點為依托，通過無線通信組成各種網絡拓撲結構。為降低成本，系統中大部分的節點為子節點，從網絡結構上看，他們只是其功能的一個子集，稱為RFD（精簡功能設備），這種設備不具有路由的功能；另外還有一些節點負責與控制子節點通信、匯集數據和發布控制，或起到通信路由的作用，稱為FFD［1，5］。ZigBee協議設備部署示意圖如圖1所示。

圖1 ZigBee協議結構圖

隨著ZigBee技術的開發和應用，國內現有各種基于ZigBee技術的報警系統。國際上，ZigBee技術支持868MHz、915MHz和2.4GHz三個頻段，但在國內只能工作在2.4GHz頻段［2］。物資運輸沿途環境復雜，要求單跳傳輸距離遠、繞射障礙物能力好、抗干擾能力強等。2.4GHz頻段，其半波長僅為幾厘米，近似直線傳播，繞射能力很差；高頻導致傳播損耗大，傳輸距離短；另外，工作在該頻段的設備很多，如 WiFi、藍牙等，頻段擁擠，通信可靠性大大降低。綜合上述，采用ZigBee協議不適合應用于鐵路運輸安全。

在物資押運列車安全監控網絡中，監控節點采用電池供電，無人看守，節點能量有限。通信距離是影響能量消耗的主要因素，減少單次傳輸半徑就可以降低功耗，但會帶來覆蓋范圍的降低，因此系統必須支持多跳中繼來傳輸數據，因此，高效路由協議的開發是降低節點功耗的關鍵。在無線傳感器網絡中，路由協議和應用背景密切相關，對不同的應用需求，需要使用特定專用協議。考慮到物資押運列車的各個節點的位置相對固定，可以考慮采用基于位置信息的路由協議，節點的位置信息可以作為路由設計的輔助條件，用來改善路由算法的性能，減少泛洪帶來的數據無效傳輸問題，這為設計高效可靠的物資安全運輸報警監控系統專用協議提供了可能性。

3 協議框架

為了監控整個列車，無線傳感器網絡需要在列車沿線布置一定數量的電子鎖終端節點以達到對整個列車的覆蓋。多把電子鎖協調工作，實現列車車廂狀態的采集和傳輸，還需要一個手持終端。因此，硬件上系統包括一定數量的電子鎖終端節點、一個手持終端組成［4，6］。

其拓撲結構如圖2所示。

圖2 自組織協議拓撲結構圖

·電子鎖終端節點：傳感器終端節點主要負責網絡的形成，數據的采集，并將數據通過多跳傳輸到匯聚節點。

·手持終端：實際上就是后臺監控設備，主要負責數據的處理，網絡拓撲的控制，網絡的監護工作。其內部集成了網絡的主節點，也稱為匯聚節點［3］。是無線傳感器網絡的中心節點，負責網絡的發起，拓撲的形成與維護，網絡數據的匯集與處理，與后臺監控系統的通信與信息交互［7，14］。匯聚節點是傳感器終端節點中能力較強的一種。

系統的工作流程為列車車廂上鎖后，由手持終端獲取該電子鎖的ID信息、車廂信息、相對于主節點的位置等信息。在整個列車完成部署完成后，手持終端內就存儲了各個節點的位置信息，從而完成路由基礎信心的建立。手持終端發布組網命令，系統進入監控狀態。若某個電子鎖被破壞，則相應的信息缺失，系統報警，實現了押運過程的實時監控。

每列火車可以自行組成一個封閉的監控網絡，也可以與鐵路方統一設立的監控中心聯網監控。一旦發生重大盜搶事件，監控中心可以在第一時間做出反應，調集相關力量進行后續應對。

4 協議設計

4.1 協議的層次結構

針對物資押運的特點，提出了基于位置信息的高效的專用協議。圖2給出了協議的層次結構圖。包括射頻層、網絡層和應用層。通信及信息傳輸由射頻層完成［8～9］，網絡的組織、管理及維護都由網絡層完成，應用層實現用戶功能。協議的每一層都以函數庫的形式提供給上一層［9］，由上一層調用。

4.2 協議幀格式

圖4給出了協議的幀格式。在射頻層中，前導碼、同步字、RSSI（接收強度指示）和CRC（校驗值）均由無線單片機硬件自動添加，長度字節用于指示網絡層中數據的長度，n＝15字節。在網絡層中，目的地址和源地址用于收發識別，標志位用于ACK驗證，應用層數據長度為m＝12字節。在應用層中，ID1、ID2兩級識別號用于多個系統同時應用時電子鎖身份認證；幀號用于區分不同的工作周期；命令字用于指示該幀的不同功能，如開鎖、關鎖及狀態查詢等；同步信息用于各個電子鎖與手持終端在時間上的同步；應用層中，（7）～（12）定義為電子鎖信息域，指示電子鎖自身地址、父節點地址、自身級別、接收父節點信息時的信號強度、鎖開合狀態信息、電子鎖對應的車輛編號等［10］。

圖3 層次結構

圖4 幀格式

4.3 數據傳輸過程

圖5給出了協議的工作流程圖。

圖5 協議工作流程圖

首先，手持終端對各個電子鎖進行初始化設置，獲取電子鎖相應的車輛編號。編號由按前至后的方向順序編號，并設押運車輛編號為npda，電子鎖對應車輛編號為nLock。

在步驟102中，手持終端作為第0級父節點發送升序或者降序方向廣播幀，該廣播幀要求定向擴散，即按車輛編號向著升序或者降序方向傳播。滿足方向要求的電子鎖成功接收該幀，根據廣播幀的內容更新父節點地址、級別、接收信號強度、時鐘等，并計算信息回傳的延時。計算方法為：設延時為t，則t＝（nLock%10）＊10。延時時間到，電子鎖將自身信息（電子鎖信息域）發送至父節點，發送采用ACK方式，即發送后等待命令正確應答，確保發送成功。

在步驟103中，父節點首先將在時間tp＝200ms內收集的數據發送至上一級父節點，并對數據進行統計分析，若接收到的電子鎖節點數大于0，說明可能存在下一級節點。

經過步驟104的分析，父節點收集的電子鎖節點個數大于0，因此，在步驟105，父節點首先將收集的數據發送至上一級父節點。然后選擇一個電子鎖節點作為下一級廣播的簇頭。簇頭設置方法為：在所有接收到節點中，去掉接收信號強度值低于－70dB的節點，然后取距離手持終端最遠的節點作為簇頭（若發送降序廣播幀，則最遠節點就是車輛編號較小的，否則，發送升序廣播幀，則最遠節點就是車輛編號較大的）。擔當簇頭的電子鎖收到設置命令后，將廣播幀中級別值加1，繼續發送升序或者／降序方向廣播幀。

重復步驟103。

若在步驟104后，某一級父節點收到的節點數等于0，則說明已經沒有未被查詢的電子鎖節點，則在步驟106，作為最后一級簇頭的電子鎖將向其父節點發送查詢結束命令，該命令最終到達手持終端，本輪查詢結束。

重復步驟102，發送相反方向廣播幀，直到步驟106。手持終端完成所有電子鎖數據的匯集。

5 結語

采用基于位置信息的專用協議進行組網通信，克服了利用ZigBee等現有無線網絡技術信號傳輸距離短、繞射障礙物能力差的不足，且信息傳輸實時性好；且該協議僅由手持終端和一般電子鎖節點構成，各個電子鎖節點可以任意部署到各個運輸車輛上，部署方便快捷；由該協議構建的鐵路運輸安全保障裝置具有較好的勤務適應性，具有無線化、智能化、小型化、自動組網，實時性好，功耗低，可長時間工作等特點。應用于鐵路運輸過程，將使得鐵路安全運輸更加信息化、智能化，押運人員、物資運輸的安全性得到有效保障，減少大量的押運人力投入，降低押運人員工作強度，具有良好的軍事和經濟效益。

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