一种用于铁路安全的无线自组网协议＊

栾厚斌 孙长国 李含辉

（1.大连造船厂军代室 大连 123456）（2.92117部队 北京 100072）（3.武汉船舶通信研究所 武汉 430079）

1 引言

低功耗无线电通信技术、嵌入式计算技术、微型传感器技术及集成电路技术的飞速发展和日益成熟，使得大量的、低成本的微型传感器通过无线链路自组织成无线传感器网络成为现实。无线传感器网络能够通过各类集成化的微型传感器协作地实施监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，这些信息通过无线方式被发送，并以自组多跳的网络方式传送到用户终端。

目前，铁路物资押运防盗在国内尚处于空白状态，将无线传感器网络应用于物资押运，保证物资在铁路运输过程中的安全，并降低押运人员工作强度，是十分有意义的。

2 自组织协议用于铁路运输安全的优势

铁路系统棚式货运列车均为铁制，且满挂时达数百米，因此，要求无线通信能够长距离传输数据，并能有效克服金属（列车车体）的影响。金属对于无线通讯的影响非常大。能否有效克服金属影响是实现整套系统的自动传输的关键，因为它直接关系到各个节点之间的组网性能。

目前，成熟的无线传感器网络协议主要就是ZigBee协议，该协议为免费协议。ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据传输速率、低成本的双向无线通信技术。在ZigBee网络中，由许多个小型的节点所构成，以这些工作节点为依托，通过无线通信组成各种网络拓扑结构。为降低成本，系统中大部分的节点为子节点，从网络结构上看，他们只是其功能的一个子集，称为RFD（精简功能设备），这种设备不具有路由的功能；另外还有一些节点负责与控制子节点通信、汇集数据和发布控制，或起到通信路由的作用，称为FFD［1，5］。ZigBee协议设备部署示意图如图1所示。

图1 ZigBee协议结构图

随着ZigBee技术的开发和应用，国内现有各种基于ZigBee技术的报警系统。国际上，ZigBee技术支持868MHz、915MHz和2.4GHz三个频段，但在国内只能工作在2.4GHz频段［2］。物资运输沿途环境复杂，要求单跳传输距离远、绕射障碍物能力好、抗干扰能力强等。2.4GHz频段，其半波长仅为几厘米，近似直线传播，绕射能力很差；高频导致传播损耗大，传输距离短；另外，工作在该频段的设备很多，如 WiFi、蓝牙等，频段拥挤，通信可靠性大大降低。综合上述，采用ZigBee协议不适合应用于铁路运输安全。

在物资押运列车安全监控网络中，监控节点采用电池供电，无人看守，节点能量有限。通信距离是影响能量消耗的主要因素，减少单次传输半径就可以降低功耗，但会带来覆盖范围的降低，因此系统必须支持多跳中继来传输数据，因此，高效路由协议的开发是降低节点功耗的关键。在无线传感器网络中，路由协议和应用背景密切相关，对不同的应用需求，需要使用特定专用协议。考虑到物资押运列车的各个节点的位置相对固定，可以考虑采用基于位置信息的路由协议，节点的位置信息可以作为路由设计的辅助条件，用来改善路由算法的性能，减少泛洪带来的数据无效传输问题，这为设计高效可靠的物资安全运输报警监控系统专用协议提供了可能性。

3 协议框架

为了监控整个列车，无线传感器网络需要在列车沿线布置一定数量的电子锁终端节点以达到对整个列车的覆盖。多把电子锁协调工作，实现列车车厢状态的采集和传输，还需要一个手持终端。因此，硬件上系统包括一定数量的电子锁终端节点、一个手持终端组成［4，6］。

其拓扑结构如图2所示。

图2 自组织协议拓扑结构图

·电子锁终端节点：传感器终端节点主要负责网络的形成，数据的采集，并将数据通过多跳传输到汇聚节点。

·手持终端：实际上就是后台监控设备，主要负责数据的处理，网络拓扑的控制，网络的监护工作。其内部集成了网络的主节点，也称为汇聚节点［3］。是无线传感器网络的中心节点，负责网络的发起，拓扑的形成与维护，网络数据的汇集与处理，与后台监控系统的通信与信息交互［7，14］。汇聚节点是传感器终端节点中能力较强的一种。

系统的工作流程为列车车厢上锁后，由手持终端获取该电子锁的ID信息、车厢信息、相对于主节点的位置等信息。在整个列车完成部署完成后，手持终端内就存储了各个节点的位置信息，从而完成路由基础信心的建立。手持终端发布组网命令，系统进入监控状态。若某个电子锁被破坏，则相应的信息缺失，系统报警，实现了押运过程的实时监控。

每列火车可以自行组成一个封闭的监控网络，也可以与铁路方统一设立的监控中心联网监控。一旦发生重大盗抢事件，监控中心可以在第一时间做出反应，调集相关力量进行后续应对。

4 协议设计

4.1 协议的层次结构

针对物资押运的特点，提出了基于位置信息的高效的专用协议。图2给出了协议的层次结构图。包括射频层、网络层和应用层。通信及信息传输由射频层完成［8～9］，网络的组织、管理及维护都由网络层完成，应用层实现用户功能。协议的每一层都以函数库的形式提供给上一层［9］，由上一层调用。

4.2 协议帧格式

图4给出了协议的帧格式。在射频层中，前导码、同步字、RSSI（接收强度指示）和CRC（校验值）均由无线单片机硬件自动添加，长度字节用于指示网络层中数据的长度，n＝15字节。在网络层中，目的地址和源地址用于收发识别，标志位用于ACK验证，应用层数据长度为m＝12字节。在应用层中，ID1、ID2两级识别号用于多个系统同时应用时电子锁身份认证；帧号用于区分不同的工作周期；命令字用于指示该帧的不同功能，如开锁、关锁及状态查询等；同步信息用于各个电子锁与手持终端在时间上的同步；应用层中，（7）～（12）定义为电子锁信息域，指示电子锁自身地址、父节点地址、自身级别、接收父节点信息时的信号强度、锁开合状态信息、电子锁对应的车辆编号等［10］。

图3 层次结构

图4 帧格式

4.3 数据传输过程

图5给出了协议的工作流程图。

图5 协议工作流程图

首先，手持终端对各个电子锁进行初始化设置，获取电子锁相应的车辆编号。编号由按前至后的方向顺序编号，并设押运车辆编号为npda，电子锁对应车辆编号为nLock。

在步骤102中，手持终端作为第0级父节点发送升序或者降序方向广播帧，该广播帧要求定向扩散，即按车辆编号向着升序或者降序方向传播。满足方向要求的电子锁成功接收该帧，根据广播帧的内容更新父节点地址、级别、接收信号强度、时钟等，并计算信息回传的延时。计算方法为：设延时为t，则t＝（nLock%10）＊10。延时时间到，电子锁将自身信息（电子锁信息域）发送至父节点，发送采用ACK方式，即发送后等待命令正确应答，确保发送成功。

在步骤103中，父节点首先将在时间tp＝200ms内收集的数据发送至上一级父节点，并对数据进行统计分析，若接收到的电子锁节点数大于0，说明可能存在下一级节点。

经过步骤104的分析，父节点收集的电子锁节点个数大于0，因此，在步骤105，父节点首先将收集的数据发送至上一级父节点。然后选择一个电子锁节点作为下一级广播的簇头。簇头设置方法为：在所有接收到节点中，去掉接收信号强度值低于－70dB的节点，然后取距离手持终端最远的节点作为簇头（若发送降序广播帧，则最远节点就是车辆编号较小的，否则，发送升序广播帧，则最远节点就是车辆编号较大的）。担当簇头的电子锁收到设置命令后，将广播帧中级别值加1，继续发送升序或者／降序方向广播帧。

重复步骤103。

若在步骤104后，某一级父节点收到的节点数等于0，则说明已经没有未被查询的电子锁节点，则在步骤106，作为最后一级簇头的电子锁将向其父节点发送查询结束命令，该命令最终到达手持终端，本轮查询结束。

重复步骤102，发送相反方向广播帧，直到步骤106。手持终端完成所有电子锁数据的汇集。

5 结语

采用基于位置信息的专用协议进行组网通信，克服了利用ZigBee等现有无线网络技术信号传输距离短、绕射障碍物能力差的不足，且信息传输实时性好；且该协议仅由手持终端和一般电子锁节点构成，各个电子锁节点可以任意部署到各个运输车辆上，部署方便快捷；由该协议构建的铁路运输安全保障装置具有较好的勤务适应性，具有无线化、智能化、小型化、自动组网，实时性好，功耗低，可长时间工作等特点。应用于铁路运输过程，将使得铁路安全运输更加信息化、智能化，押运人员、物资运输的安全性得到有效保障，减少大量的押运人力投入，降低押运人员工作强度，具有良好的军事和经济效益。

［1］孙茂一，陈利学.Zigbee技术在无线传感器网络中的应用［J］.传感器技术，2008（2）：191-194.

［2］Akyildiz IF，Weilian Su，Sankarasubramaniam Y，et al.A Survey on Sensor Networks Communications Magazine［J］.IEEE，2002，40（8）：102-114.

［3］Knaian N.A Wireless Sensor Network for Smart Roadbeds and Intelligent Transportation Systems［J］.MSc Thesis，MIT，2000.

［4］刁雪慧，徐德民.无线传感器网络节点的设计［J］.机械与电子，2008（5）：65-67.

［5］Mainwaring A，Polastre J，Szewczyk R，et al.Wireless sensor Networks for Habitat Monitoring［C］／／WSNA 02，2002.

［6］Shen C，Srisathapomphat C，Jaikaeo C.Sensor information networking architecture and applications［J］.IEEE Pers，Commun，2001：52-59.

［7］王瑞荣，陈碧.低功耗自组织无线传感器网络［J］.计算机测量与控制，2005，13（9）：881-883.

［8］吴光荣，全剑敏，章剑雄.基于CC1110的无线传感器网络节点设计［J］.电子工程师，2008，34（10）：60-63.

［9］任丰原，黄海宁，林闯.无线传感器网络［J］.软件学报，2003，14（7）：1282-1291.

［10］刘峰，冯士民，杨璇.一种用于无线自组网的移动互联协议研究［J］.计算机与数字工程，2011，39（9）.

［11］史兆强，张锦，侯维岩.一种通用无线传感器网络Sniffer节点的设计［J］.计算机与数字工程，2009，37（3）.

［12］刘信新，陈鲲.基于无线传感器网络的自适应交通灯控制系统［J］.计算机与数字工程，2011，39（5）.

［13］陈志，王汝传，孙力娟.无线传感器网络的自组织机制研究［J］.电子学报，2007，35（5）：854-857.

［14］Ilyas M，Mahgoub I.Handbook of Sensor Networks：Compact Wireless and Wired Sening System［M］.Boca Raton，FL，USA：CRC Press，2005.