面向鋼軌監測的無線傳感器網絡網關設計與性能測試*

劉 沖， 陳 義， 徐 征， 張志新， 解永平， 王天嬈

(1.大連理工大學 遼寧省微納米技術及系統重點實驗室，遼寧 大連 116085；2.大連大學 機械工程學院，遼寧 大連 116622；3.大連理工大學 信息與通信工程學院，遼寧 大連 116023；4.蘇州鼎汗傳感網技術有限公司，江蘇 蘇州 215121)

面向鋼軌監測的無線傳感器網絡網關設計與性能測試*

劉 沖1， 陳 義1， 徐 征1， 張志新2， 解永平3， 王天嬈4

(1.大連理工大學 遼寧省微納米技術及系統重點實驗室，遼寧 大連 116085；2.大連大學 機械工程學院，遼寧 大連 116622；3.大連理工大學 信息與通信工程學院，遼寧 大連 116023；4.蘇州鼎汗傳感網技術有限公司，江蘇 蘇州 215121)

針對我國鐵路鋼軌實時廣域監測的重大需求，通過研究異構無線傳感器網絡(WSNs)通信技術，設計并實現了一種基于Zig Bee—3G通信的無線傳感器網絡網關。進行了通信電路設計和電磁兼容設計，并在WinCE操作系統平臺上實現了Zig Bee網絡與3G網絡之間的互聯，開發了網關遠程維護管理模塊。對網關設備分別進行了網絡傳輸性能測試和電磁兼容測試，測試結果表明：此網關傳輸效率高、抗電磁干擾能力強，能夠滿足鐵路軌道監測現場的應用要求。

鋼軌監測； 網關； Zig Bee—3G； 遠程訪問；電磁兼容

0 引 言

無線傳感器網絡(wireless sensor networks，WSNs)能夠實現廣域數據的無線采集、傳輸、處理、融合[1],在軍事偵測、環境監測、醫療診斷等領域得到廣泛應用[2]。軌道監測領域中可利用WSNs技術，在監測區域內廣泛布設無線傳感器節點，對鋼軌相應信息進行采集，實現對鋼軌狀態的全天候實時監控。目前，WSNs技術在軌道監測領域的應用已初見端倪，例如：Costa B J A等人[3]利用光纖傳感器采集鐵路橋的結構應變值，通過無線網絡發送數據，用于動態評估鐵路橋的結構疲勞強度；Back B M等人[4]開發了由溫度傳感器、Sink網關、數據中心及客戶端組成的WSNs監測系統，應用于英國西海岸鐵路線的軌溫監測，系統采用GSM數據通信模式，適用于監測軌溫等變化緩慢的對象；吳寅等人[5]開發了基于WSNs的軌道壓力無線監測系統，采用CAN總線的傳輸模式，用于監測列車的行車狀態和鋼軌振動。

實際應用中的WSNs并不總能以一個獨立的通信網絡形式存在，需要網關來實現傳感器網絡與不同類型網絡之間的互聯。在WSNs系統中，網關主要實現網絡間協議的轉換、不同網絡類型的網絡路由、網絡數據聚集、存儲、處理及轉發等重要功能。面向鋼軌監測的WSNs網關布設在軌道沿線附近，信號系統處在一個復雜的電磁環境中，網關的數據通信受到嚴重影響。因此,用于軌道監測現場的網關應具有快速布設、可遠程維護、抗電磁干擾能力強等特點。國內蔡皓等人[6]設計了一種具有多種通信方式的WSNs網關，能通過以太網等途徑進行數據轉發；Hwang K[7]等人結合WEB服務設計了一種WSNs網關，用戶可以遠程登陸網關的WEB服務器，管理該網關下的傳感節點；Emara K A等人[8]提出了一種網關結構框架，該框架能實現WSNs與IP網絡之間的透明交互，不需要進行協議轉換。上述網關研究都集中在不同類型網絡互聯的實現方式上，而對網關的遠程維護方案和電磁兼容性設計方面涉及甚少，難以直接在鋼軌監測WSNs中直接應用。

本文針對鐵路軌道現場需求特點，設計并實現了一種基于Zig Bee—3G通信的WSNs網關,給出了網關通信電路和電磁兼容性設計方案，并在WinCE操作系統平臺上實現了Zig Bee網絡與3G網絡之間的互聯，開發了網關遠程維護管理模塊，對網關設備分別進行了電磁兼容測試和網絡傳輸性能測試。

1 WSNs系統

面向鋼軌監測的WSNs系統由無線傳感器節點(以下簡稱節點)、網關、接入服務器、數據庫及監控客戶端等組成，系統結構如圖1所示。WSNs節點分布布設在監控區域的鋼軌軌腰上，按設定的參數采集鋼軌溫度、應變及振動信號等，采集到的數據經處理后通過Zig Bee網絡上傳至節點所屬的網關；網關對匯聚到的數據進行提取和協議轉換后，通過3G網絡將數據傳輸至互聯網，由遠程接入服務器接收并存儲在數據庫中；遠程監控中心可以通過因特網訪問數據庫，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。

圖1 面向鐵路鋼軌監測的WSNs系統結構Fig 1 System architecture of WSNs for rail monitoring

2 網關硬件與電磁兼容設計

本文中網關的硬件設計建立在核心處理器的基礎上，通過擴展Zig Bee模塊和3G模塊實現WSNs與外部網絡之間的數據傳輸與控制。網關主要由通信層和供電層組成，其結構如圖2所示。其中通信層為網關主功能部分，包括核心處理器模塊、Zig Bee模塊、3G模塊。

處理器模塊選用以Intel Atom N450處理器為核心的嵌入式主板作為網關的處理器模塊,它具有豐富的外設接口且處理能力較強，另外,該模塊可搭載Windows CE操作系統，可在此平臺上進行應用軟件的開發。網關的Zig Bee模塊采用協調器模式，負責Zig Bee網絡的創建和管理，另外,該模塊的外圍電路可擴展出RS—232串口，實現與處理器模塊的數據通信。面向外部網絡的接入模塊選用3G路由器，該模塊具有掉線自動重連、可遠程監管等特點，可通過網口實現與處理器模塊相連。同時，該模塊通過自動撥號聯網，實現與遠程接入服務器之間的數據交互。供電層采用太陽能板與交流電源協同供電方式設計，網關可以根據實際情況選擇供電方式。GSM短信遙控開關串聯在供電層主電路中，可通過短信遠程控制網關通信層的電路通斷，實現遠程重啟網關的功能。

圖2 網關硬件電路結構框圖Fig 2 Structure block diagram of hardware circuit of gateway

本文還針對軌道監測現場環境存在的電磁干擾進行了如圖3設計。

圖3 網關電磁兼容設計Fig 3 Electromagnetic compatibility design of gateway

1)電路屏蔽:網關采用全封閉形式的箱體設計，箱體外殼運用導電陽極化工藝，使其可以充分接地；箱體內部的金屬隔板，將箱體分為上、下兩層。

2)信號屏蔽:網關中通信模塊信號天線接口均布設在網關機箱外側，信號線從外部接入。另外,各信號天線均采用金屬網作為屏蔽層合理接地，避免信號線之間感應耦合產生電磁干擾。

3)接地設計:采用多點/就近混合接地的方式，在減少接地線的長度和輻射的同時也可以降低接地點間電位差，增強了網關的抗干擾能力。

4)電源設計：外部電源通過電源濾波器抑制高頻信號干擾后，經由開關穩壓電源提供給網關。

3 網關軟件設計

本文設計的網關軟件基于Windows CE平臺開發，主要實現Zig Bee網絡與3G網絡之間的數據傳輸控制、Zig Bee—3G間的協議幀和數據幀的轉換、Zig Bee網絡節點管理等功能。軟件由外部接口、數據處理函數及內存緩沖區三部分組成，其架構如圖4所示。

外部接口部分為網關提供2個數據接口，負責與Zig Bee網絡和外部3G無線網絡之間的數據轉換。數據處理函數負責完成數據提取、協議轉換及數據轉發。

圖4 網關軟件架構Fig 4 Architecture of gateway software

4 遠程訪問管理機制

為了降低維修難度和便于故障分析，制定了一種網關遠程訪問管理機制。該機制實現了監控端與網關的遠程連接，從而可以實現網關軟件遠程更新和文件管理。下面以遠程更新網關軟件程序為例分析網關遠程訪問管理機制，步驟如下：

1)接入服務器向網關發送訪問命令，該命令包含遠程監控端的IP和端口號，網關接收到該命令后向接入服務器回復，接入服務器收到確認消息后，遠程訪問的通信鏈路形成。

2)遠程監控端與網關連通后，網關向遠程監控端上傳其存儲的文件信息。上傳成功后遠程監控端可對網關文件進行刪除、下載、上傳等操作。

3)選擇將要更新的目標程序，并開始向網關發送程序代碼。為提高數據傳輸效率，遠程監控端將目標程序代碼拆分成固定長度的數據幀單元，依次將所有代碼數據幀發送完畢。

4)遠程監控端將目標程序發送完成后，繼續發送一條校驗數據幀。網關會根據之前收到的數據幀進行校驗位的計算，計算出的校驗位與接收到的校驗位比對，若校驗位不一致，則認為傳輸過程中出現錯誤，在發送次數不超限的前提下，需要重新發送；當持續不能發送成功，次數超限，則認為發送失敗。若校驗位一致，則認為文件傳輸成功，網關向遠程監控端返回確認信息，傳輸成功，上傳結束。

5 性能測試

按照國家EMC標準GB/T 24338.5，對網關進行電磁兼容測試，結果如表1所示，測試結果分4級，可見，在復雜的電磁干擾下網關仍能正常的工作。

表1 電磁兼容試驗測試結果Tab 1 Test result of EMC experiments

判據A：試驗中EUT在規范極限值內性能正常；判據B：試驗中EUT功能或性能暫時降低或喪失，但能自行恢復；判據C：試驗中EUT功能或性能暫時降低或喪失，但需操作者干預或系統重調(或復位)；判據D：試驗中EUT因裝置(或元件)損壞而不可恢復的功能降低或喪失。

另外，對網關數據傳輸耗時進行了測試，實驗在中國國家鐵道試驗中心架設的鋼軌應力監測WSNs上開展，該傳感網能夠測試線路鋼軌鎖定軌溫、應變、振動加速度等指標。無線傳感節點單元盒分別安裝在兩側軌道軌腰上，內含4個傳感節點：靜態應變節點、溫度節點、動態應變節點、加速度節點，網關安裝在軌道旁，通過交流電源分別給網關和單元盒供電。試驗中每個網關與2個單元盒組成一個WSNs。

定義WSNs節點從開始傳輸數據到接入服務器完成接收的時間間隔為傳輸耗時。試驗過程中按實際工作情況對WSNs節點進行了參數設置，試驗開始時同步接入服務器與節點的時間，節點開始傳輸數據時記錄此時的時間Ts，接入服務器完成接收時記錄此時時間Te，則傳輸耗時Tc約為Te-Ts。分別測試不同節點的傳輸耗時，結果如表2。

表2 數據傳輸耗時測試Tab 2 Time comsuming measurement of data transmission

6 結 論

本文面向鋼軌監測WSNs現場異構網絡數據傳輸的需求，提出并實現了一種用于鋼軌力學、環境等參數監測的WSNs網關。網關的傳輸性能與電磁兼容測試結果表明：一個WSNs節點單元盒完成數據傳輸的時間為51.85 s，而監測現場節點采集數據的時間間隔為15 min，遠大于數據傳輸時間，不會造成耗時累加情況，符合實時傳輸要求；網關電磁兼容測試結果達到判據A要求，確保了網關能在電磁環境復雜的軌道監測正常工作。

[1] 余子軒.無線傳感網和物聯網中網絡的地位和作用[J].射頻世界,2010(4):21.

[2] 劉瑞玲,李祥林.無線傳感網絡研究與應用綜述[J].電腦知識與技術,2010,6(12):3093-3094.

[3] Costa B J A,Figueiras J A.Evaluation of a strain monitoring system for existing steel railway bridges[J].Journal of Constructional Steel Research,2012,72:179-191.

[4] Back B M.The use of wireless technology for reliable remote condition monitoring in the rail industry[C]∥The 4th IET International Conference on Railway Condition Monitoring,IET 2008,2008:1-5.

[5] 吳 寅,劉文波,李開宇.鐵軌壓力狀態監測無線傳感系統的設計[J].自動化儀表,2011,33(7):73-75.

[6] 蔡 皓,馮仁劍,萬江文.具有多種通信方式的無線傳感器網絡網關[J].傳感技術學報,2008,21(1):169-173.

[7] Hwang K,In J,Park N K,et al.A design and implementation of wireless sensor gateway for efficient querying and managing through world wide web[J].IEEE Transactions on Consumer Electronics,2003,49(4):1090-1097.

[8] Emara K A,Abdeen M,Hashem M.A gateway-based framework for transparent interconnection between WSNs and IP network[C]∥EUROCON 2009,IEEE,2009:1775-1780.

Design and performance test of WSNs gateway for rail monitoring*

LIU Chong1, CHEN Yi1, XU Zheng1, ZHANG Zhi-xin2, XIE Yong-ping3, WANG Tian-rao4

(1.Key Laboratory for Micro/Nano Technology and System of Liaoning Province,Dalian University of Technology,Dalian 116085,China; 2.School of Mechanical Engineering,Dalian University,Dalian 116622,China;3.School of Information and Communication Engineering,Dalian University of Technology,Dalian 116023,China;4.Suzhou Ding-han Sensor Networks Technology Company,Suzhou 215121,China)

Aiming at significant demand of railway real-time and wide-area monitoring,by studying communication technology of heterogeneous wireless sensor networks(WSNs),a type of WSNs gateway for rail monitoring based on Zig Bee—3G communication.Communication circuit and electromagnetic compatibility designs are carried out.On platform of WinCE operating system,interconnection between Zig Bee and 3G networks is achieved,and remote maintenance and management module of gateway is also developed.Network transmission performance and electromagnetic compatibility test on gateway device are carried out respectively,and test results show that the gateway has high transmision efficiency data and strong ability to resist electromagnetic interference,which make it suitable to be applied to rail monitoring.

rail monitoring; gateway; Zig Bee—3G; remote access; electromagnetic compatibility

10.13873/J.1000—9787(2014)12—0094—04

2014—04—28

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

U 285

A

1000—9787(2014)12—0094—04

劉 沖(1963-)，男，重慶人，教授，博士生導師,研究方向為微傳感器、物聯網技術及精密測試技術。