基于无线传感器网络的城轨列车智能监测系统

吕晓颖， 陈少华， 石桂名， 周 迪

(1大连科技学院电气工程系 大连 116052 2大连交通大学电气信息学院 大连 116028)

引 言

地铁、轻轨交通是现代城市基础设施建设的重要项目，是推动和加快地区经济发展的重要基础工程。目前的城轨列车在整体控制方面的技术发展很好，但是辅助信息系统方面还不是很完善，特别是轨道交通通信调度、综合信息传输等车地间无线通信技术方面还有待提高[1]。本文设计的无线智能监测技术不仅解决了目前依靠人工力量进行列车关键设备巡检的困境，提高了设备巡检频度，还在传统地通过调度中心统一监控列车运行状态的基础上，实现车与监测中心、车与车之间同时传输GPS位置信息等重要参数，保证了在非常调度情况下调度员、列车司机对列车运行状态的一致性知情权，从而有效地保证了列车设备的运行安全。本文利用无线传感器网络节点进行数据采集，使得该智能监测系统具有一定的先进性、实时性、低成本、安全性及信息传输处理智能化的特点，具有较高的实际应用价值。

1 城轨列车关键设备无线智能监测平台

城轨列车关键设备无线智能监测平台采用无线传感器网络(WSN)与移动通信公众网络(GSM/GPRS/CDMA)相结合。使用无线传感器网络来完成列车关键设备的参数信息采集，降低了监测节点的功耗，减少了传感器有线采集的布线工程，而监测数据汇聚、处理后的远程传输则采用公众网络，既避免了全部采用移动通信公众网络(GSM/GPRS/CDMA)的运行费用，又简化了监测传感器数据采集的布线，不破坏原先设备结构，保证了系统可靠性。

本文所设计的无线智能监测系统如图1所示。该无线智能监测平台主要包括无线传感器监测节点、GPS定位终端、数据采集汇聚处理模块、移动通信公众网络(GSM/GPRS/CDMA)、监控中心等。无线传感器监测节点主要由数据采集模块和2.4GHz无线通信模块组成，负责对列车关键设备上的信息进行采集，然后通过无线网关将各个监测节点、GPS无线定位模块以及关键设备故障告警模块上采集到的数据信息进行汇聚、处理，再通过数字移动通信网络(GSM/GPRS/CDMA)传输到监测中心，这样监测中心就可以对这些信息进行及时处理。

图1 无线智能监测系统

2 LPS-MAC协议

无线传感器网络实际应用的主要限制就是能量。节点一般是以干电池、钮扣电池等提供能量，而电池的能量很有限又通常难以补充[2]。在无线传感器中，无线通信是传感器能量的主要消耗，其中MAC协议的主要功能就是实现信道的复用，同时保障链路通信的可靠性。所以，MAC协议要尽可能地节约能源，如减少冲突和串音、最小化控制开销、降低占空比和尽量避免长距离通信等。由于目前节点的能量供应问题并没有得到很好解决，节能就成为传感器网络MAC协议设计首要考虑的因素。

本文在S-MAC协议的基础上，提出了一种低控制开销的 MAC协议——LPS-MAC协议(LP表示Low Power)。在S-MAC协议中，传感器节点需要每个周期都交换SYNC帧，从而交换邻居列表和保持时间的同步，并使用四次握手机制RTSCTSDATAACK来保证数据帧的有效传输[3]。无线传感器节点无线通信模块的状态包括发送、接收、侦听和睡眠等。单位时间内消耗的能量按照上述顺序依次减少:发送状态耗能最多，睡眠状态耗能最少，接收状态和侦听状态下的能量消耗稍小于发送状态。可见，SYNC帧的使用虽然保持了每个周期的时间同步，但也消耗了大量的能量，而且使监听时间延长。

本文设计的LPS-MAC协议也是采用周期性的侦听睡眠机制，但是只在网络初始化时节点才发送SYNC帧，在接下来的N-2个周期内节点不发送SYNC帧，为了防止网络出现相邻节点找不到对方的情况，第N个周期用于相邻节点搜寻[4]。图2、图3分别是S-MAC的周期性侦听机制和LPS-MAC的周期性侦听机制。比较二者可以看出:LPS-MAC协议有调度周期1和调度周期2，调度周期1包括了同步时间、数据监听时间、睡眠时间，调度周期2则没有同步时间，将同步时间用于节点的睡眠，这样就减少了信道的控制开销，使节点可以有更多的睡眠时间。

图2 S-MAC的周期性侦听机制

图3 LPS-MAC的周期性侦听机制

LPS-MAC协议改变了S-MAC协议周期性监听的睡眠机制，采用了两个调度周期，即调度周期1和调度周期2，节点只在调度周期1进行节点之间SYNC帧的交换，而在调度周期2直接进行数据的收发，将调度周期1中SYNC帧交换的时间用于节点的睡眠，增加了节点的睡眠时间，节省了能量。具体的协议流程如图4所示。

网络初始化时，所有的监测节点进入监听状态，节点之间开始相互发送SYNC帧，节点收到SYNC帧后提取帧中距离下次睡眠的时间并进行计算，同时发现邻居节点并完成时间同步，计时器到期进入Sleep1阶段，即完成调度周期1。调度周期1的Sleep1状态结束后就进入调度周期2，直接进入数据监听阶段而无需相互发送SYNC帧，计时器到期后进入Sleep2(tSleep2=tSleep1+tSYNC)阶段。检验调度周期2是否达到N-3个周期，若达到则进入相邻节点搜寻阶段，否则返回到调度周期2进行重新监听。

图4 LPS-MAC协议流程

3 LPS-MAC协议节能测试

为了验证LPS-MAC的可行性，本文自行搭建了一个以测量温度为目的的无线传感器网络。该网络由三个无线传感器节点和一个网关节点组成，其中无线传感器节点包括了传感器单元DS18B20、微处理单元C8051F996以及无线收发单元nRF905，网关节点则采用C8051F020微控制器来控制液晶显示器和nRF905无线收发芯片。

将无线传感器节点与加载LPS-MAC协议的网关节点布置于走廊和教室内，呈线性分布。节点设置:3.6V(1600mAh)锂电池，高度为0.5m的收发天线，增益为3dB，发射功率为10dBm。根据LPS-MAC协议的内容，设置调度周期、For SYNC、For RTS/CTS的时间分别为60s、30ms和500ms，C8051F996的漂移时间与时钟精度分别为0.05s和8ppm，N取100[5]。三个无线传感器节点周期性地向网关节点发送温度测试数据，网关节点记录并显示温度数据。

图5为在一个月的时间内测量的无线传感器监测节点的工作电压和发射瞬时电压的变化曲线。

从图5观察发现节点电池的工作电压与发射瞬时电压的变化趋势平缓，电量减少不明显，无线传感器监测节点能够一直保持良好的工作状态，且监测节点电压从1号的3.6V变化为30号的 3.56V，仅减少了0.04V，耗电量为1.11%。而使用 S-MAC协议，监测节点电压从1号的3.6V减少到30号的 2.14V。可见，LPSMAC协议的节能性能更加优越，协议设计达到了较少能耗的目的，延长了整个网络的使用周期。

图5 节点电压测量情况

4 结束语

本文主要完成基于无线传感器网络的城轨列车关键设备智能监测系统及低控制开销MAC协议的研究。采用无线传感器监测节点对城轨列车关键设备的信息进行采集，并设计一种低控制开销的MAC协议——LPS-MAC协议，实现了突发活动事件的准确远程传输，有效地节约能源，延长整个网络的使用周期，扩展了无线传感器网络的实际应用。

[1]胡冬冬.无线传感器网络在列车监控系统中的应用研究[D].北京交通大学，2010:1～70.

[2]朱徐来，吴东升.一种改进的无线传感器网络MAC协议[J].安徽建筑工业学院学报(自然科学版)，2011，19(2):74～77.

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

[4]Dam T V，Langendoen K.An Adaptive Energy-efficient MAC Protocol for Wireless Sensor Networks[C].Proceedings of the First International Conference on Embedded Networked Sensor Systems，Los Angeles，2003:65 ～72.

[5]史文彬.城轨无线传感器网络监测系统MAC协议研究与应用[D].大连交通大学，2012:44～50.