基于WSN的鐵路客運站運營環境監控系統

徐春婕，史天運，孫明慧

（1.中國鐵道科學研究院 電子計算技術研究所，北京100081；2.中國航天科工集團第二研究院706所，北京100854）

0 引 言

隨著鐵路客運站信息化的發展，支撐車站運營設備的日益增多，工作環境變得越來越復雜；電氣設備使用中出現的電氣設備過載、過熱、短路等不安全因素，具有不同程度的火災隱患；鐵路客運車站作為人員密集場所，站內空氣質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、網絡化的管理，以 “節能、舒適、安全”為原則，對車站運營環境的設備、結構等客運站環境參數進行監控，對故障區域及設備和人員進行實時性準確定位，實現節能減排，提高突發事故的反應能力，對保障客運站的安全運營具有重要的研究意義和現實意義。

目前，各車站根據本單位的工作實際，開發了不同層次的監控系統，按其功能劃分主要包括FAS（防災報警系統）、信號機房環境監控系統、機電設備監控系統和車站供電設備監控等。車站采用的有線防災報警系統，通過自動化的手段實現早期火災探測、火災自動報警及消防設備聯動控制。信號機房環境監控系統［2］通過遠端監測單元（RTU）由智能一體化采集器及環境傳感器 （溫／濕度、煙霧、水浸、門禁、空調控制等）等構成，對溫度、濕度、煙霧、水浸、門禁、UPS設備、蓄電池組、機房空調等進行監測，從而實現對電源設備、機房環境的監控。機電設備監控系統主要包括車站上水、空調設備的智能檢測和控制。上水系統集中監測客車上水排干管控制閥門的開關狀態，自動監測上水管網的壓力、上水流量，根據列車到發狀況自動控制上水排干管控制閥門的開關，當控制線路出現故障時，改用手動上水；空調控制系統監測風機手／自動轉換狀態，控制車站風機組、空調機組和冷水機組群，將車站空氣的溫度、濕度、流動速度和潔凈度等控制在一定范圍之內；車站供電設備 （SCADA）監控主要實現全線的電力設備和各變電所設備運行狀態的集中監控。

但是已有的監測系統基本是基于有線的數據傳輸方式，使得系統在建設過程中存在如下問題：①車站在建設過程中存在大量的預埋管和管內穿線工作，且車站環境監測的參數多、分布廣、布線復雜、后期測試困難；②維護不方便；③對臨時增加的監測場景，尤其是對車站引入新設備的監控不能方便得進行系統接入；④在實際運行過程中由于線路故障，影響信息傳輸，出現漏報的問題［1］；⑤無法滿足車站移動設備 （如移動售票車）監測和人員定位的需求。

無線傳感器網絡 （wireless sensor networks，WSN）［3］綜合了傳感器、嵌入式系統、計算機網絡、無線通信及分布式信息處理等技術，利用大量的微型傳感器和嵌入式處理器節點，通過無線通信方式組成多跳自組織網絡，對監測對象信息進行采集、感知、處理和傳輸。其具有冗余性、無需布線、自組織性和抗毀性強、成本和能耗低等特性。因此本文將WSN技術應用于車站運營環境監測系統中，一方面可以取代有線傳輸方式，進行通信和組網，便于系統的快速部署和實時信息的動態傳輸，降低系統復雜度，減少布線成本，提高系統實時性和可靠性；另一方面可以利用嵌入在傳感器中的無線模塊，組成一個兼有無線追蹤定位功能的傳感器網絡，實現掌握站內設備和人員的分布信息，從而為車站設備的自動控制提供依據，提升車站管理水平，非常適用于鐵路客運車站的運營環境監測。

1 基于無線傳感器網絡的鐵路客運站運營環境監測系統設計

鐵路客運站運營環境監測系統 （the monitoring system for railway station operation environment，MSRSOE）是綜合應用軟、硬件技術、無線傳感器網絡、嵌入式系統等技術，集中監測車站內部的電力、照明、空調、防災、視頻監控及環境控制等的大型的綜合自動化監控系統。

1.1 系統組網方案設計

WSN按接入方式可分為全無線接入和部分接入方式兩類。部分接入方式是指無線和有線通信并存。鑒于鐵路車站運營環境監測系統需要監控的設備和參數非常多，布線非常復雜，且車站環境監控系統、消防報警子系統、車站結構監測、車站機電設備監測等的原始數據來自于溫、濕度、電流、電壓等傳感器，因此，可以采用傳感器網絡代替現有的有線網絡；但對于一些保護、測量、監控等設備數量相對較少，如電力設備監控的間隔層設備繼電保護裝置、測控裝置及故障錄波等設備，布線更加方便，采用業已成熟的有線通信方式更加理想。因此，系統WSN宜采用部分接入方式，多個傳感器節點通過無線網關接入車站主干網絡，WSN主要作為移動人員、移動設備的定位和信息采集和傳輸的通道，與有線共同組成監測網絡，也可以作為當前車站環境監控的補充和冗余設計，有效提高系統的可靠性。

目前部分車站已經建立了WIFI無線網絡。由于ZigBee技術具有低復雜度、低功耗、低數據速率的、低成本、安全性高等特點，可以滿足車站環境、機電設備、FAS、車站結構等監控要求，但對于智能視頻監控系統要求傳輸的數據量大，傳輸的速度比較快，可以采用WIFI無線通信技術。系統網絡采用簇的分層結構，將無線傳感器節點分為多個簇，簇內節點組成ZigBee網絡，由簇頭節點對簇內傳感器采集的原始數據進行初步處理后，通過802.15.4通信協議將數據匯聚到網關節點，由網關節點將協議轉化為WIFI無線通信協議802.11.b后，通過車站內部WIFI將數據傳送至監測平臺。用戶通過監測平臺采集監測數據，發布監測任務，對傳感器節點進行配置和管理。由于無線通信的傳輸介質和有線通信存在諸多的安全性問題［4］，因此，設計嚴格按照數據傳輸協議所規定的密鑰建立、密鑰傳送、幀保護等安全服務方法，設備的健壯性和用戶身份的驗證，基于地址和協議的流量過濾，無線和有線區域的監控和入侵檢測等多層防御措施［5］。

1.2 系統功能設計

鐵路客運站的運輸生產和組織監控可靠性要求高，規模龐大、專業分工細致，需要多方面協調，這就要求運營環境監測系統作為車站安全、高效運行的視聽指揮中心。因此，鐵路客運站運營環境監控系統是以無線傳感器網絡節點采集的數據為基礎，以具有良好容錯性能和人性化的人機界面為前提，可以實時反映車站運營狀態和設備運行狀態信息，按需配置監測參數及采集的信息，對監測數據進行統一的存儲和管理。系統從功能角度可以劃分為消防報警子系統、機電設備監控子系統、電氣設備監測子系統、環境監測子系統、車站結構檢測子系統、智能視頻監控子系統和旅客設備監測子系統。

（1）車站環境監測子系統

環境監測子系統分析車站區域內的環境質量，采集空氣溫度、濕度、CO2含量、噪音、顆粒物等方面的條件，對進行數據整理、分析統計，實現車站衛生條件監控，并為火災、空調通風系統及光照系統提供相應的環境參數。

（2）消防報警子系統 （FAS）

FAS以火災檢測為目標，具有火災信號探測、火災位置定位和信號傳送等功能，通過對車站空氣質量檢測信息、煙霧濃度和三維加速度等多源物理參數變化信息進行探測，并將探測信息傳送到監控中心，對可能發生或正在發生的火災狀態進行預測預警。為了提高報警的準確率，設置相應的參數閾值，當參數達到一定閾值時，系統及時報警，并通過短信方式通知相應的車站管理人員，實現火災的實時監控。

（3）機電設備監控子系統 （BAS）

BAS［5，6］監測車站區域內的通風空調系統、給排水系統、照明系統、自動扶梯、電梯等機電設備的運行狀態，通過監測設備狀態的管理、參數設定等，實現現場控制機、傳感器等設備的監測，并為自動控制提供數據支持。其中監控內容包括：①通過機電設備運行的速度、加速度、振動、噪聲及其使用環境的溫度、壓力、流量、液位等物理參數檢測，根據預先設定的預警規則，對采集的狀態量進行異常判斷，并根據判斷結果控制現場狀態指示燈及報警器的狀態，實現機電設備狀態、運行參數及故障情況的檢測；②通過采集電梯的加速度、溫度、電壓、電流、噪音、振動、壓力等多種性能參數，監測自動扶梯、電梯的運行情況及故障狀態，當出現故障時，通過無線報警模塊予以報警；③采集水泵電機的溫度、電流、電壓以及水泵流量、壓力、水位等數據，實現設備運行狀態、狀態檢測與報警；④采集車站送風、站廳排風等信息，結合空氣質量檢測參數，監測空調車站風機組、空調機組等空調設備運行狀態，并進行故障報警。

（4）供電監測子系統

車站供電監測子系統主要是負責對車站供電系統主要設備 （包括UPS）和線路的運行狀態進行監視、控制和測量，具有對供電系統用電量統計，供電系統質量參數 （電流、電壓、功率）及線路電纜漏電電流、過電流等信號監測，故障線路位置定位、漏電線路上的電源切斷、數據極值統計及聲光信號報警提示等功能。

（5）車站結構監測子系統

車站結構監測子系統通過監測車站結構的振動速度、傾斜角度等結構相關的物理量，應用結構的模態參數變化量來判斷整個結構損傷程度以及是否需要對存在損傷進行處理，確認結構損傷的發生位置以及損傷程度等信息，在車站結構損傷變形初期發現結構損傷變形位置、確認損傷變形程度方面提供有效的參考數據［7］。

（6）智能視頻監控

智能視頻監控通過圖像采集傳感器，實現車站客流量及遺留物、入侵等異常事件的監測和定位，提高車站的安全預警能力。

（7）旅服系統設備監測

旅服系統設備監測實現閘機、自動售票機、自動取票機、查詢機、導向屏等設備的統一控制和故障管理功能，并通過無線傳感器網絡追蹤定位功能，實時了解車站設備、旅客在站內的分布狀態，為車站客運組織提供條件。

1.3 基于無線傳感器網絡的鐵路客運站運營環境監測系統架構設計

根據系統功能設計需求，系統按層次劃分為表現層、業務處理層、數據層、網絡層和感知層5個層次。由于系統網絡結構比較復雜，要求具有較強的數據匯集能力，在系統采集和數據接入的網絡設計中，采用簇狀分層網絡結構。其系統架構如圖1所示。

（1）表現層：表現層提供用戶所需要的各種功能系統，包括空氣質量監測、FAS、BAS、安保控制、車站結構等業務的各應用子系統。

（2）業務處理層：業務處理層包括系統控制、組網管理、數據解析、數據融合及定位、報警等功能模塊。根據實際需要通過系統配置模塊定義采樣間隔、采樣頻率、采樣次數、端口設置等命令的，讀取傳感器數據，設置傳感器休眠；通過多信標傳感器節點對感知信息的到達時間、信號強度等特性檢測，實現目標傳感器的實時定位和跟蹤。

（3）數據層：數據層是整個系統的數據中心，包括各類監測數據庫，系統配置數據庫、節點位置信息等。

（4）網絡層：系統網絡層包括WIFI無線網絡和有線局域網絡，感知層簇首節點傳送的數據通過網關無線接入車站WIFI網絡，當業務處理層需要下發控制數據時，接入網關接收到數據時，通過簇首節點將數據發送給功能節點，從而實現信息的交互和轉發。

（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、振動傳感器、噪音探測傳感器、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點組成。多個功能節點組成一個感知子域，每個感知子域至少具有一個簇頭節點，功能節點將環境采集信息初步分析和處理后通過簇首節點即網關節點傳送至監控平臺，并通過簇首節點接收和轉發監控平臺的數據請求和指令。

1.4 系統硬件設計

1.4.1 無線傳感器節點

系統傳感器節點由傳感器模塊、微處理器模塊、無線通信模塊、存儲模塊、報警模塊和電源模塊組成。節點結構如圖2所示。

本文的傳感器節點采用支持IEEE802.15.4／ZigBee協議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轉換串口模塊和LED部分。CC2530內部已集成了一個8051微處理器與高性能的RF收發器，256KB可編程閃存和8KB的RAM。節點使用電池進行供電。

圖1 基于WSN的鐵路客運車站運營環境監測系統架構

圖2 無線傳感器節點結構

1.4.2 網關節點

網關節點的硬件主要由ZigBee的無線模塊CC2530、WIFI無線模塊和C8051F120微處理器組成，其結構如圖3所示。

1.4.3 控制節點

圖3 網關節點結構

系統中采用以有線控制為主，無線冗余的方式對設備進行控制。控制節點以無線傳感器網絡節點為基礎，由ARM9處理器模塊、無線通信模塊、能量模塊和接口模塊組成。通過接口模塊可以添加擴展板，集成不同類型的傳感器，采集監測數據。

2 系統關鍵技術

2.1 網關設計

網關是無線傳感器網絡中數據傳輸的關鍵，其作用是通過Zighee網絡協議IEEE802.15.4與IEEE802.11協議轉換，實現Zighee網絡與WIFI網絡的互聯。一方面承載著數據接收功能，另一方面負責將收到的數據進行協議轉換，實現數據的轉發、分享和控制功能。因此網關程序設計可以分為兩個部分：ZigBee無線模塊程序設計和基于ARM9處理器程序設計，WIFI無線模塊的操作包含在ARM9處理器程序設計中。其運行流程如圖4所示。

圖4 網關程序運行流程

2.2 數據處理及數據融合

由于無線傳感器網絡部署的冗余性，且鐵路車站運營環境監測網絡要求時延小，傳輸數據量大，如果感知節點的冗余數據都通過路由節點轉發，必然導致消耗大量的能量致使網絡生命周期縮短，還會引起網絡擁塞而產生較大的數據延遲。因此，通過網絡內部相關節點的融合算法刪除冗余、無效和可信度較差的信息，提高監測描述的魯棒性、準確性和實時性是鐵路車站運營環境監測無線傳感器網絡的關鍵。

本文首先采用Grubbs準則［8］對數據進行分析處理，剔除干擾數據和錯誤數據；然后通過自適應加權數據融合［9］的方法對同一時刻的有效數據進行計算，獲得各傳感器采集的精確值。其具體過程如下：

（1）設第i個傳感器采集的一組由小到大順序排列的測量值x1，x2，…，xn，計算其均值和方差σ2，其中＝統計值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為測量數據的個數，p為置信概率，通常取值為0.95和0.99。

（2）設m個傳感器對同一環境的溫度進行測量，這m的傳感器的方差，j＝1，…，m，計算最優加權因子wj＝得 到 數 據 融 合 估 計 值 x ＝其中為第j個傳感器采集的一組可信數據的均值。

2.3 定位技術

鐵路車站運營環境監測系統的無線傳感器網絡兼有定位追蹤功能，適用于車站設備、人員及故障的位置追蹤，本文采用基于RSSI［10］的定位算法，路由節點作為信標節點安裝到固定的室內位置，感知區域節點作為目標節點，由目標節點向信標節點發送射頻信號，通過信標節點以無線方式轉發給匯聚節點，匯聚節點計算目標節點與信標節點的距離，并通過串口通信傳送給監控系統，其算法流程如圖5所示。

圖5 基于RSSI定位算法流程

信號傳播模型采用公式如下所示

式中：PL（d）——與發射端距離為d處的信號強度，單位為dBm，d0——一個固定基準距離，n——一個與傳輸介質有關的常數，其值為實際環境測得的數據，xσ——一個高斯分布隨機變量。

最后采用極大似然估計算法［9］實現位置定位。

2.4 實驗分析

（1）數據融合仿真實驗

設傳感器網絡分簇后的簇內的3個傳感器節點，采集的數據服從分布：ci＝x＋vi，E（vi）＝0；D（v1）＝1；D（v2）＝5；D（v3）＝10。

監控車站站臺風速目標呈穩態變化，即x＝3.5。在matlab仿真環境下，通過Grubbs準則將剔除干擾數據如圖6（a）～ （c）所示，采用自適應加權融合后的結果如圖6（d）所示。

圖6 傳感器節點仿真數據及融合結果

由圖6可以看出，數據融合后的精度小于等于σ2＝1的數據精度。雖然傳感器數據中測量誤差為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，說明融合的數據精度得以提高。

（2）定位實驗分析

本文搭建了一個4個信標節點位置如圖7（a）所示，測試節點位置在坐標 （3.5，3.5）處，通過多次測試，定位結構如圖7（b）所示。

圖7 傳感器節點信標及定位效果

經過測試，通過調整n的取值，n∈［2，4］，實測數據的平均誤差在2.26 m，最大誤差達到4.8 m。該誤差控制在系統可接受范圍3 m內。由于車站工作人員位置定位要求較低，可以滿足系統要求。引起誤差的原因包括空氣密度、溫度等環境噪聲等，可以進一步進行優化，對定位要求較高的設備，可以設計不同的定位方法。

3 結束語

本文針對鐵路車站運營環境監測系統測量參數多和布線難等問題，利用無線傳感器網絡技術設計了新一代車站運營環境監測系統，減少了車站建設中的布線，降低了監控的成本，提高了系統的靈活性和可維護性。系統通過無線傳感器網絡對無線傳感器進行配置和網絡管理，實時采集車站的人員、設備、環境等狀態參數，實現鐵路客運車站環境、消防、機電設備、供電設備及車站結構狀態等的實時監測，通過數據融合提高了數據的精度，利用傳感器網絡定位技術可迅速定位故障設備及人員到崗管理，為車站的安全運營提供了可靠的科學的理論依據。而如何提高定位的精度將是下一步研究工作的重點。

［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技術的無線消防報警系統設計 ［J］.現代建筑電氣，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的鐵路信號機房環境監控系統的研究與設計 ［D］.南昌：南昌大學，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.無線傳感器網絡原理與實踐 ［M］.北京：化學工業出版社，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.基于無線傳感器網絡的飛行器結構健康監測系統的關鍵技術研究與應用 ［J］.現代電子技術，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.地鐵機電設備監控系統設計與實現 ［D］.廣州：廣東工業大學，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.基于無線傳感器網絡的樓宇結構的檢測系統的研究 ［D］.無錫：江南大學，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.無線傳感器網絡數據融合與目標跟蹤研究及其應用 ［D］.重慶：重慶大學，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.基于無線傳感器網絡的設施農業環境自動監控系統研究 ［D］.杭州：浙江工業大學，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，史浩山，朱靈波，等.一種基于測距的無線傳感器網絡智能定位算法 ［J］.傳感技術學報，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.基于通信代價的Zigbee網狀網絡路由選擇算法 ［J］.計算機工程與設計，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.城市軌道交通的無線傳感器網絡模型 ［J］.城市軌道交通，2007 （ 12）：28－32.］