面向钢轨监测传感网在线调试的网关研制

刘 冲 ，傅 昊 ，陈 义 ，徐 征 ，王天娆

（1.大连理工大学 辽宁 大连 116023 2.苏州鼎汗传感网技术有限公司 江苏 苏州 215121）

面向钢轨监测传感网在线调试的网关研制

刘 冲1，傅 昊1，陈 义1，徐 征1，王天娆2

（1.大连理工大学 辽宁 大连 116023 2.苏州鼎汗传感网技术有限公司 江苏 苏州 215121）

针对工程应用中钢轨监测传感网现场调试的实际需求，研制了一种可用于无线传感网在线调试的网关，设计并实现了网关的硬件电路，开发了由数据接口层、业务逻辑层及用户界面层组成的上位机在线调试软件，制定了一种可减少现场数据丢失率的完整性维护策略。实验结果表明：研制的在线调试网关数据传输可靠、响应速度快、体积小、便于携带，适用于钢轨监测传感网现场的快速调试和维护。

钢轨监测；无线传输；在线调试；网关；数据完整性

钢轨应力及动态特性是铁路交通中影响行车安全的重要因素，若超出安全范围将会导致钢轨变形或断裂。无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSN)[1]是由大量部署在监测区域内的传感节点以自组织方式构成的传感器网络，具有低功耗、微型化、低成本、高度集成[2]等优点，能够协作地采集、处理和传输覆盖区域内监测对象的信息[3-4]。将无线传感器网络技术应用于钢轨监测领域，不仅可以满足大范围长距离钢轨的实时监测需求，还能够使技术人员在远程监控中心对数据进行处理分析，从而实现钢轨安全预警等功能，确保行车安全。

目前，无线传感器网络技术在军事、工业、环境监测等众多领域有着广阔的应用前景[5]。但在实际使用中，面对数量众多的传感节点，需要对其进行频繁地在线调试及日常维护。在现有的无线传感器网络系统中，技术人员大多通过远程监控中心对节点进行参数配置及软件更新等操作，实时性和可操作性较低。而在钢轨监测传感网中，由于多数时间内都有列车运行，可用于在线调试的时间有限，如果不能对节点进行快速配置并及时反馈信息，节点的安装和维护工作将耗费大量的人力物力成本。因此，需要一种可以准确、快捷获取现场节点信息，并能够实时处理和显示数据的在线调试工具。

针对工程实际中无线传感节点快速安装和维护的需求，本文研制了一种面向钢轨监测传感网的在线调试网关，并基于此开发了应用于上位机的在线调试软件。网关通过USB接口与上位机连接，在线调试软件可对接收到的数据进行实时数字和曲线显示，并具有数据存储和查询当前通信状况等功能，便于技术人员对节点的在线调试。

1 钢轨监测传感网系统结构

钢轨监测传感网由无线传感节点、网关、服务器及监控客户端等组成，系统结构如图1所示。沿轨道分布的无线传感节点作为系统的前端，负责按设定的参数采集钢轨温度、应力或加速度等相关信息，并将采集到的数据在预处理后经由Zigbee网络上传至其所属的网关基站，网关将汇聚到的数据进行协议转换后，通过3G网络将数据传输至远程接入服务器，并存储在数据库中，远程监控中心可以通过因特网访问数据库。技术人员可对数据进行监测、处理及后续分析，从而实现对钢轨状态的实时判读，保证钢轨安全。

图1 钢轨监测传感网系统结构Fig. 1 System Architecture of Rail Monitoring Sensor Network

本文所研制的在线调试网关可将接收到的无线传感节点数据通过USB接口传输至上位机，无需与远程监控中心进行数据通讯，可缩短节点的调试周期，提高调试效率。上位机在线调试软件具有数据存储、解析、实时数字显示和曲线显示等功能，并可下发节点控制指令，设置节点参数，从而方便技术人员在现场对无线传感节点进行在线调试。

2 在线调试网关的设计实现

2.1 网关硬件原理与组成

本文研制的网关主要针对钢轨监测传感网中无线传感节点的现场调试与维护。网关硬件原理框图如图2所示，主要由Zigbee模块、FT232RL接口转换芯片、L1117电压转换芯片以及通信指示模块组成。

图2 网关硬件原理框图Fig. 2 Hardware Schematic Diagram of Gateway

图3 网关软件架构图Fig. 3 Software Architecture Diagram

网关以Digi公司的XBee-Pro系列Zigbee模块为核心。Zigbee模块工作频率为2.4 GHz，RF数据传输率为250 kbps，工作温度范围在-40～85 ℃，符合室外工作的环境需求。理想状态下，通讯距离最远可达1 600 m，可满足沿铁路线分布式、大范围、长距离组网的需要。每个Zigbee模块拥有唯一的64位物理地址，网关与节点间即通过该物理地址相互识别。该模块可自动选择一个未被占用的、干扰较小的信道建立网络，并允许网络号(PANID)相同的节点加入该网络。节点加入后，网关对各节点分配动态网络地址，从而完成Zigbee无线传感器网络的组建。

网关选用的FT232RL芯片具有从USB到串行UART接口转换的功能，可用于实现Zigbee模块与上位机间的通信。选用的L1117电压转换芯片可将USB输出的5 V电压转化为3.3 V，用于Zigbee模块的供电，从而实现在线调试网关通过USB与上位机通信的功能。通信指示模块用于指示调试网关当前的工作状态，如数据的接收、发送及当前信号强度的显示等。

2.2 在线调试软件设计

为便于现场调试，上位机通过USB接口获取到网关传输的数据后，需通过在线调试软件对数据进行存储、解析、数字和曲线显示，方便实时查看节点数据和网络状况。在线调试软件采用面向对象的编程技术，软件架构主要由通讯接口层 、业务逻辑层和用户界面层3部分构成，如图3所示。

1）通讯接口层主要实现数据流的输入/输出控制，包括数据的接收、校验、帧提取及数据发送，网关通过串口与上位机进行数据交互；

2）用户界面层主要实现人机信息交互，一方面根据用户控制需求将命令数据帧下发，另一方面将节点与网关之间的在线状态及上传的数据显示给用户；

3）业务逻辑层是监控软件的核心，主要实现对用户界面层提交的业务请求和对通信接口层接收到的数据按照协议进行处理，包括数据帧的生成、解析和数据传输完整性维护策略等。

为实现对多节点的监控，软件采用的内存管理技术是在C#自带的垃圾回收器的基础上，开辟数据接收缓冲区。缓冲区采用Arraylist对系统申请的动态内存进行管理。同时运用多线程并发数据处理机制，创建数据接收和数据处理子线程：接收子线程负责将接收到的数据进行帧提取，并将完整的数据帧添加到Arraylist对象的尾部；处理子线程负责从Arraylist对象的头部提取数据帧进行处理。

上位机软件的实际监控效果界面如图4所示：包括主视图区、菜单栏、工具栏、日志显示区等。主视图区用于显示当前在线的节点信息，同时可通过数字显示和曲线显示两种方式实现对节点上传数据的实时监测。菜单栏和工具栏用于提示操作人员选用相关功能，使操作更加便捷。日志显示区可以实时显示网关与节点之间的通信情况，包括控制命令的

下发以及回复，节点工作状态等，方便技术人员的在线调试。

图4 软件监控界面Fig. 4 Monitoring Interface of the Software

3 数据传输完整性维护

工程现场环境的限制及电磁干扰等不确定因素引发的通信中断和数据丢失等现象降低了无线传感网络中数据的完整性[6]，从而影响到对采集数据的正确分析和后续处理。为避免现场调试过程中的数据丢失，本文在保证传输效率的基础上，提出了一种数据完整性维护策略，制定了基于应用层的通信协议并设计了丢失补包流程。

3.1 通信协议的制定

通信协议帧格式是无线传感网完成通信或服务所必须遵循的规则和约定，合理的通信协议可以通过对信息单元的拓展和完善，保证数据顺利、准确、高效地传输到确定地点。

图5 数据流走向示意图Fig. 5 Schematic Diagram of Data Flow

网关与节点的通信过程中共存在3种类型的数据帧：命令、事件和采样数据，数据流走向如图5所示。命令是指由上位机向节点下发的指令，事件是指无线传感网中各节点所发生的需要实时通知上位机和监控人员的消息，采样数据主要来自于工业现场的传感器所采集的信息。

3 种类型的数据帧中，由于命令和事件两种类型的数量较少，因此通讯时均采用发送-确认的传输方式，如果发送的数据未收到确认帧，则重新发送，直到收到确认或重传次数超限为止。而采样数据由于其数据量大且帧长较长，若采用发送-确认的方式将会增加数据传输的耗时。因此，在保证数据传输效率的基础上，我们制定了一种基于应用层的通信协议，协议帧格式如图6所示。

1）帧头、帧长以及最后的校验位用于确保接收模块剔除错误的干扰数据，并保证单帧数据的完整性，准确地提取真实有效的数据帧。

图6 通信协议帧格式Fig. 6 Format of Communication Protocol Frame

2）目标地址可以保证在一对多的无线传感网络通信中，将数据发送至指定的接收模块。

3）数据信息部分是协议制定的关键所在，该部分扩充了功能码，用于表达数据帧的功能含义。增加了总包号和当前包号信息，可以指示当前数据的传输进度，同时辅助丢失补包流程顺利进行，保证数据的完整性。

3.2 数据丢失补包流程

数据丢失补包流程充分利用了协议中总包号和当前包号的信息，在一组数据传输完成之后，根据总包号和当前包号的关联关系对数据进行逐包检测，判断传输过程中是否有数据包丢失。若有丢失，则命令节点补发丢失的数据包。

图7 补包策略流程图Fig. 7 Flowchart of Data Packet Complement Strategy

如图7所示，数据传输开始后，节点与网关双方的通信步骤为：

1）节点分多个数据包向网关发送此次采集的数据，网关依据协议逐包接收、提取。在第一次收到总包号信息时，分配内存单元，用于记录每一包数据的接收情况。接收到当前包号信息时，将相应的数据包标志位置1。

2）一组数据发送完成后，节点向网关发送数据传输完成消息。

3）网关接收到该消息后，根据内存单元中当前包号的标志位信息，逐包判断是否发生数据包丢失现象。

4）若未丢包，则此次传输结束；若有丢包现象，则程序根据此时状态判断是否进行补包操作。

5）当需要补传丢失数据包时，首先判断丢包个数是否超限，若超限则该组数据全部重传，否则只补传丢失的数据包，同时补包次数加一；此外，为防止程序陷入补包死循环，对补包次数设定上限阈值，超过该值后放弃补包，此次数据传输结束。

6）重复步骤2）～5），直到此次数据传输结束。

4 实验结果

4.1 数据传输丢失率测试

为了验证数据完整性维护策略的效果，项目组在某铁路实验段进行了现场测试。实验在工作现场常见的-80 dBm通讯质量的条件下，以低采样频率的静态应变节点、高采样频率的动态应变节点和加速度节点作为测试节点，进行数据丢失率测试。根据对节点采样频率、采样时长、采样间隔等相关参数的设置，可以计算出节点在一段时间内采集的数据点个数。每个数据点占用2字节的内存空间，由此可计算出每次采集的理论数据量Dt。上位机将接收到的数据存储至本地硬盘，由此可获得本次采集得到的实际数据量Da，从而计算得到本次传输数据的丢失率Rl=(Dt-Da)/Dt。

分别用不同数量的测试节点同时向网关发送数据，连续20次发送后求得数据丢失率的平均值，并与未加入完整性维护策略前的实验作对比，结果如表1所示。采用该策略后，可以看到数据丢失率稳定在0.2%范围内，明显减少。

表1 数据丢失率统计结果Tab.1 Statistical Result of Data Loss Rate

4.2 数据传输耗时测试

对于周期性数据，需要防止无线传输的耗时大于数据采样的时间间隔。因此，数据传输过程加入完整性维护策略后，需要对传输耗时情况作测试。我们定义节点从开始传输数据到上位机接收完成的时间间隔为传输耗时。

分别以静态应变节点、动态应变节点及加速度节点作为测试节点，并将其工作参数设定为现场工作参数，一组数据采集完成后发送给网关，网关再上传至上位机。上位机与节点的时间同步后，节点开始传输数据时记录此时的时间TS，上位机接收完成时记录此时时间Te，则传输耗时 Tc约为Te-。分别测试不同节点的传输耗时，多次测试后求其平均值， 测试结果如表2所示。

不同类型节点的采样频率不同，故采集的数据点个数与传输的数据量均不同。以采样频率最高的加速度节点为例，采样频率为5000 Hz，采样时长为5 s，传输耗时均值TC=37.35 s。而铁路现场传感器的采样时间间隔 约为15 min，远大于数据传输的耗时，因此不会造成耗时累加的情况出现，符合数据实时传输的要求。

表2 数据传输耗时测试Tab.2 Test Result of Data Transmission Time-consuming

5 结 论

文中针对钢轨监测传感网现场调试的实际需求，开展了无线传感网在线调试网关的研制工作：设计了网关的硬件电路，开发了应用于上位机的在线调试软件。在建立的实验平台上进行测试，结果表明：在线调试网关能够将现场数据的丢失率控制在0.2%范围以内，数据传输完整性高；能够保证数据传输耗时小于节点采样的时间间隔，满足数据传输的实时性要求；有效地解决了钢轨监测传感网在线调试的实际问题。

[1] 曾鹏, 于海斌, 梁英, 等. 分布式无线传感器网络体系结构及应用支撑技术研究[J]. 信息与控制, 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] 朱立丽. 无线传感器网络的应用现状及优化手段[J].科技广场, 2012 (5): 77-79.

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

[3] 孙利民. 无线传感器网络[M]. 北京：清华大学出版社, 2005.

[4] 马祖长,孙怡宁,梅涛. 无线传感器网络综述[J].通信学报,2004,25(4):114-124.

MA Zu-chang, SUN Yi-ning,MEI Tao.Survey on wireless sensor networks[J]. Journal of China Institute of Communications,2004,25(4):114-124.

[5] Akyildiz I F,Su W,Sankarasubramaniam Y,et al.Wireless sensor networks: a survey[J]. Computer networks, 2002,38(4):393-422.

[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 稿件编号：201306097

国家“十二五”科技支撑计划资助项目(2011BAG05B02-03,2011BAG05B02-02)

刘 冲（1963—），男，重庆人，教授。研究方向：生化微传感器、物联网技术。