面向鋼軌監測傳感網在線調試的網關研制

劉 沖 ，傅 昊 ，陳 義 ，徐 征 ，王天嬈

（1.大連理工大學 遼寧 大連 116023 2.蘇州鼎汗傳感網技術有限公司 江蘇 蘇州 215121）

面向鋼軌監測傳感網在線調試的網關研制

劉 沖1，傅 昊1，陳 義1，徐 征1，王天嬈2

（1.大連理工大學 遼寧 大連 116023 2.蘇州鼎汗傳感網技術有限公司 江蘇 蘇州 215121）

針對工程應用中鋼軌監測傳感網現場調試的實際需求，研制了一種可用于無線傳感網在線調試的網關，設計并實現了網關的硬件電路，開發了由數據接口層、業務邏輯層及用戶界面層組成的上位機在線調試軟件，制定了一種可減少現場數據丟失率的完整性維護策略。實驗結果表明：研制的在線調試網關數據傳輸可靠、響應速度快、體積小、便于攜帶，適用于鋼軌監測傳感網現場的快速調試和維護。

鋼軌監測；無線傳輸；在線調試；網關；數據完整性

鋼軌應力及動態特性是鐵路交通中影響行車安全的重要因素，若超出安全范圍將會導致鋼軌變形或斷裂。無線傳感器網絡(Wireless Sensor Networks，WSN)[1]是由大量部署在監測區域內的傳感節點以自組織方式構成的傳感器網絡，具有低功耗、微型化、低成本、高度集成[2]等優點，能夠協作地采集、處理和傳輸覆蓋區域內監測對象的信息[3-4]。將無線傳感器網絡技術應用于鋼軌監測領域，不僅可以滿足大范圍長距離鋼軌的實時監測需求，還能夠使技術人員在遠程監控中心對數據進行處理分析，從而實現鋼軌安全預警等功能，確保行車安全。

目前，無線傳感器網絡技術在軍事、工業、環境監測等眾多領域有著廣闊的應用前景[5]。但在實際使用中，面對數量眾多的傳感節點，需要對其進行頻繁地在線調試及日常維護。在現有的無線傳感器網絡系統中，技術人員大多通過遠程監控中心對節點進行參數配置及軟件更新等操作，實時性和可操作性較低。而在鋼軌監測傳感網中，由于多數時間內都有列車運行，可用于在線調試的時間有限，如果不能對節點進行快速配置并及時反饋信息，節點的安裝和維護工作將耗費大量的人力物力成本。因此，需要一種可以準確、快捷獲取現場節點信息，并能夠實時處理和顯示數據的在線調試工具。

針對工程實際中無線傳感節點快速安裝和維護的需求，本文研制了一種面向鋼軌監測傳感網的在線調試網關，并基于此開發了應用于上位機的在線調試軟件。網關通過USB接口與上位機連接，在線調試軟件可對接收到的數據進行實時數字和曲線顯示，并具有數據存儲和查詢當前通信狀況等功能，便于技術人員對節點的在線調試。

1 鋼軌監測傳感網系統結構

鋼軌監測傳感網由無線傳感節點、網關、服務器及監控客戶端等組成，系統結構如圖1所示。沿軌道分布的無線傳感節點作為系統的前端，負責按設定的參數采集鋼軌溫度、應力或加速度等相關信息，并將采集到的數據在預處理后經由Zigbee網絡上傳至其所屬的網關基站，網關將匯聚到的數據進行協議轉換后，通過3G網絡將數據傳輸至遠程接入服務器，并存儲在數據庫中，遠程監控中心可以通過因特網訪問數據庫。技術人員可對數據進行監測、處理及后續分析，從而實現對鋼軌狀態的實時判讀，保證鋼軌安全。

圖1 鋼軌監測傳感網系統結構Fig. 1 System Architecture of Rail Monitoring Sensor Network

本文所研制的在線調試網關可將接收到的無線傳感節點數據通過USB接口傳輸至上位機，無需與遠程監控中心進行數據通訊，可縮短節點的調試周期，提高調試效率。上位機在線調試軟件具有數據存儲、解析、實時數字顯示和曲線顯示等功能，并可下發節點控制指令，設置節點參數，從而方便技術人員在現場對無線傳感節點進行在線調試。

2 在線調試網關的設計實現

2.1 網關硬件原理與組成

本文研制的網關主要針對鋼軌監測傳感網中無線傳感節點的現場調試與維護。網關硬件原理框圖如圖2所示，主要由Zigbee模塊、FT232RL接口轉換芯片、L1117電壓轉換芯片以及通信指示模塊組成。

圖2 網關硬件原理框圖Fig. 2 Hardware Schematic Diagram of Gateway

圖3 網關軟件架構圖Fig. 3 Software Architecture Diagram

網關以Digi公司的XBee-Pro系列Zigbee模塊為核心。Zigbee模塊工作頻率為2.4 GHz，RF數據傳輸率為250 kbps，工作溫度范圍在-40～85 ℃，符合室外工作的環境需求。理想狀態下，通訊距離最遠可達1 600 m，可滿足沿鐵路線分布式、大范圍、長距離組網的需要。每個Zigbee模塊擁有唯一的64位物理地址，網關與節點間即通過該物理地址相互識別。該模塊可自動選擇一個未被占用的、干擾較小的信道建立網絡，并允許網絡號(PANID)相同的節點加入該網絡。節點加入后，網關對各節點分配動態網絡地址，從而完成Zigbee無線傳感器網絡的組建。

網關選用的FT232RL芯片具有從USB到串行UART接口轉換的功能，可用于實現Zigbee模塊與上位機間的通信。選用的L1117電壓轉換芯片可將USB輸出的5 V電壓轉化為3.3 V，用于Zigbee模塊的供電，從而實現在線調試網關通過USB與上位機通信的功能。通信指示模塊用于指示調試網關當前的工作狀態，如數據的接收、發送及當前信號強度的顯示等。

2.2 在線調試軟件設計

為便于現場調試，上位機通過USB接口獲取到網關傳輸的數據后，需通過在線調試軟件對數據進行存儲、解析、數字和曲線顯示，方便實時查看節點數據和網絡狀況。在線調試軟件采用面向對象的編程技術，軟件架構主要由通訊接口層 、業務邏輯層和用戶界面層3部分構成，如圖3所示。

1）通訊接口層主要實現數據流的輸入/輸出控制，包括數據的接收、校驗、幀提取及數據發送，網關通過串口與上位機進行數據交互；

2）用戶界面層主要實現人機信息交互，一方面根據用戶控制需求將命令數據幀下發，另一方面將節點與網關之間的在線狀態及上傳的數據顯示給用戶；

3）業務邏輯層是監控軟件的核心，主要實現對用戶界面層提交的業務請求和對通信接口層接收到的數據按照協議進行處理，包括數據幀的生成、解析和數據傳輸完整性維護策略等。

為實現對多節點的監控，軟件采用的內存管理技術是在C#自帶的垃圾回收器的基礎上，開辟數據接收緩沖區。緩沖區采用Arraylist對系統申請的動態內存進行管理。同時運用多線程并發數據處理機制，創建數據接收和數據處理子線程：接收子線程負責將接收到的數據進行幀提取，并將完整的數據幀添加到Arraylist對象的尾部；處理子線程負責從Arraylist對象的頭部提取數據幀進行處理。

上位機軟件的實際監控效果界面如圖4所示：包括主視圖區、菜單欄、工具欄、日志顯示區等。主視圖區用于顯示當前在線的節點信息，同時可通過數字顯示和曲線顯示兩種方式實現對節點上傳數據的實時監測。菜單欄和工具欄用于提示操作人員選用相關功能，使操作更加便捷。日志顯示區可以實時顯示網關與節點之間的通信情況，包括控制命令的

下發以及回復，節點工作狀態等，方便技術人員的在線調試。

圖4 軟件監控界面Fig. 4 Monitoring Interface of the Software

3 數據傳輸完整性維護

工程現場環境的限制及電磁干擾等不確定因素引發的通信中斷和數據丟失等現象降低了無線傳感網絡中數據的完整性[6]，從而影響到對采集數據的正確分析和后續處理。為避免現場調試過程中的數據丟失，本文在保證傳輸效率的基礎上，提出了一種數據完整性維護策略，制定了基于應用層的通信協議并設計了丟失補包流程。

3.1 通信協議的制定

通信協議幀格式是無線傳感網完成通信或服務所必須遵循的規則和約定，合理的通信協議可以通過對信息單元的拓展和完善，保證數據順利、準確、高效地傳輸到確定地點。

圖5 數據流走向示意圖Fig. 5 Schematic Diagram of Data Flow

網關與節點的通信過程中共存在3種類型的數據幀：命令、事件和采樣數據，數據流走向如圖5所示。命令是指由上位機向節點下發的指令，事件是指無線傳感網中各節點所發生的需要實時通知上位機和監控人員的消息，采樣數據主要來自于工業現場的傳感器所采集的信息。

3 種類型的數據幀中，由于命令和事件兩種類型的數量較少，因此通訊時均采用發送-確認的傳輸方式，如果發送的數據未收到確認幀，則重新發送，直到收到確認或重傳次數超限為止。而采樣數據由于其數據量大且幀長較長，若采用發送-確認的方式將會增加數據傳輸的耗時。因此，在保證數據傳輸效率的基礎上，我們制定了一種基于應用層的通信協議，協議幀格式如圖6所示。

1）幀頭、幀長以及最后的校驗位用于確保接收模塊剔除錯誤的干擾數據，并保證單幀數據的完整性，準確地提取真實有效的數據幀。

圖6 通信協議幀格式Fig. 6 Format of Communication Protocol Frame

2）目標地址可以保證在一對多的無線傳感網絡通信中，將數據發送至指定的接收模塊。

3）數據信息部分是協議制定的關鍵所在，該部分擴充了功能碼，用于表達數據幀的功能含義。增加了總包號和當前包號信息，可以指示當前數據的傳輸進度，同時輔助丟失補包流程順利進行，保證數據的完整性。

3.2 數據丟失補包流程

數據丟失補包流程充分利用了協議中總包號和當前包號的信息，在一組數據傳輸完成之后，根據總包號和當前包號的關聯關系對數據進行逐包檢測，判斷傳輸過程中是否有數據包丟失。若有丟失，則命令節點補發丟失的數據包。

圖7 補包策略流程圖Fig. 7 Flowchart of Data Packet Complement Strategy

如圖7所示，數據傳輸開始后，節點與網關雙方的通信步驟為：

1）節點分多個數據包向網關發送此次采集的數據，網關依據協議逐包接收、提取。在第一次收到總包號信息時，分配內存單元，用于記錄每一包數據的接收情況。接收到當前包號信息時，將相應的數據包標志位置1。

2）一組數據發送完成后，節點向網關發送數據傳輸完成消息。

3）網關接收到該消息后，根據內存單元中當前包號的標志位信息，逐包判斷是否發生數據包丟失現象。

4）若未丟包，則此次傳輸結束；若有丟包現象，則程序根據此時狀態判斷是否進行補包操作。

5）當需要補傳丟失數據包時，首先判斷丟包個數是否超限，若超限則該組數據全部重傳，否則只補傳丟失的數據包，同時補包次數加一；此外，為防止程序陷入補包死循環，對補包次數設定上限閾值，超過該值后放棄補包，此次數據傳輸結束。

6）重復步驟2）～5），直到此次數據傳輸結束。

4 實驗結果

4.1 數據傳輸丟失率測試

為了驗證數據完整性維護策略的效果，項目組在某鐵路實驗段進行了現場測試。實驗在工作現場常見的-80 dBm通訊質量的條件下，以低采樣頻率的靜態應變節點、高采樣頻率的動態應變節點和加速度節點作為測試節點，進行數據丟失率測試。根據對節點采樣頻率、采樣時長、采樣間隔等相關參數的設置，可以計算出節點在一段時間內采集的數據點個數。每個數據點占用2字節的內存空間，由此可計算出每次采集的理論數據量Dt。上位機將接收到的數據存儲至本地硬盤，由此可獲得本次采集得到的實際數據量Da，從而計算得到本次傳輸數據的丟失率Rl=(Dt-Da)/Dt。

分別用不同數量的測試節點同時向網關發送數據，連續20次發送后求得數據丟失率的平均值，并與未加入完整性維護策略前的實驗作對比，結果如表1所示。采用該策略后，可以看到數據丟失率穩定在0.2%范圍內，明顯減少。

表1 數據丟失率統計結果Tab.1 Statistical Result of Data Loss Rate

4.2 數據傳輸耗時測試

對于周期性數據，需要防止無線傳輸的耗時大于數據采樣的時間間隔。因此，數據傳輸過程加入完整性維護策略后，需要對傳輸耗時情況作測試。我們定義節點從開始傳輸數據到上位機接收完成的時間間隔為傳輸耗時。

分別以靜態應變節點、動態應變節點及加速度節點作為測試節點，并將其工作參數設定為現場工作參數，一組數據采集完成后發送給網關，網關再上傳至上位機。上位機與節點的時間同步后，節點開始傳輸數據時記錄此時的時間TS，上位機接收完成時記錄此時時間Te，則傳輸耗時 Tc約為Te-。分別測試不同節點的傳輸耗時，多次測試后求其平均值， 測試結果如表2所示。

不同類型節點的采樣頻率不同，故采集的數據點個數與傳輸的數據量均不同。以采樣頻率最高的加速度節點為例，采樣頻率為5000 Hz，采樣時長為5 s，傳輸耗時均值TC=37.35 s。而鐵路現場傳感器的采樣時間間隔 約為15 min，遠大于數據傳輸的耗時，因此不會造成耗時累加的情況出現，符合數據實時傳輸的要求。

表2 數據傳輸耗時測試Tab.2 Test Result of Data Transmission Time-consuming

5 結 論

文中針對鋼軌監測傳感網現場調試的實際需求，開展了無線傳感網在線調試網關的研制工作：設計了網關的硬件電路，開發了應用于上位機的在線調試軟件。在建立的實驗平臺上進行測試，結果表明：在線調試網關能夠將現場數據的丟失率控制在0.2%范圍以內，數據傳輸完整性高；能夠保證數據傳輸耗時小于節點采樣的時間間隔，滿足數據傳輸的實時性要求；有效地解決了鋼軌監測傳感網在線調試的實際問題。

[1] 曾鵬, 于海斌, 梁英, 等. 分布式無線傳感器網絡體系結構及應用支撐技術研究[J]. 信息與控制, 2004, 33(3):307-313.

ZENG Peng, YU Hai-bin, LIANG Ying, et al. On the Architecture and Application Supporting Technology of Distributed Sensor Networks [J].Information and Control,2004, 33(3):307-313.

[2] 朱立麗. 無線傳感器網絡的應用現狀及優化手段[J].科技廣場, 2012 (5): 77-79.

ZHU Li-li. Application status of wireless sensor networks and optimization methods[J].Science Mosaic,2012 (5):77-79.

[3] 孫利民. 無線傳感器網絡[M]. 北京：清華大學出版社, 2005.

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[6] Bao Y,Hui Li.Recovery of lost data for wireless sensor network used in structural health monitoring[C] //SPIE Smart Structures and Materials Nondestructive Evaluation and Health Monitoring. International Society for Optics and Photonics, 2012.

Development of site commissioning gateway for rail monitoring sensor network

LIU Chong1, FU Hao1, CHEN Yi1, XU Zheng1, WANG Tian-rao2
（1. Dalian University of Technology, Dalian 116024,China;2. Suzhou Ding-han Sensor Networks Technology Company, Suzhou 215121,China）

Aiming at the specific requirements of site commissioning for rail monitoring sensor network, a type of gateway for site commissioning is developed. Structure and composition of its hardware are designed. A data integrity maintenance strategy is proposed and a three-tier software architecture is set up, in which data interface layer, business logic layer and user interface layer are included. Field tests show that the site commissioning gateway is reliable in data transmission, fast in response, small in size and easy to carry, which make it suitable for quick commissioning and maintenance of the rail sensor network.

rail monitoring; wireless transmission; site commissioning; gateway; data integrity

TN711

A

1674-6236(2014)03-0052-04

2013–06–16 稿件編號：201306097

國家“十二五”科技支撐計劃資助項目(2011BAG05B02-03,2011BAG05B02-02)

劉 沖（1963—），男，重慶人，教授。研究方向：生化微傳感器、物聯網技術。