摘  要： 在分析鐵路貨物運(yùn)輸特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了基于無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)的貨運(yùn)列車狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)。以雙模鏈狀無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)作為監(jiān)控信息傳輸?shù)耐ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)，研究設(shè)計(jì)了基于Raspberry Pi平臺(tái)的多媒體信息采集節(jié)點(diǎn)和智能的監(jiān)控軟件，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)輸人員在貨運(yùn)機(jī)車中對(duì)在運(yùn)物資的集中式、智能化監(jiān)控。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)能夠有效提高鐵路貨物運(yùn)輸?shù)陌踩院涂煽啃浴?/p>

　　關(guān)鍵詞： 鏈狀無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)；Raspberry Pi；貨運(yùn)列車監(jiān)控系統(tǒng)

0 引言

　　鐵路貨運(yùn)列車長(zhǎng)期以來(lái)由于車體結(jié)構(gòu)限制，沒(méi)有基于總線結(jié)構(gòu)的車載通信系統(tǒng)，也不具備自帶電力設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)連接的條件，因此貨運(yùn)列車的安全監(jiān)控相對(duì)比較困難。一方面，鐵路平車運(yùn)輸?shù)拇笮驮O(shè)備在運(yùn)狀態(tài)得不到監(jiān)測(cè)；另一方面，棚車或集裝箱承運(yùn)的物資設(shè)備，經(jīng)常受到非法入侵和車廂環(huán)境狀態(tài)變化的威脅。如何進(jìn)一步提升鐵路貨運(yùn)的安全性成為熱點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。

　　國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出的基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的貨運(yùn)列車車廂安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，將低成本、低功耗的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用在鐵路貨運(yùn)列車狀態(tài)的檢測(cè)上。但是低功率的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)不能有效地在電氣化鐵路條件下運(yùn)行。另外，基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控對(duì)象單一，只限于車門(mén)開(kāi)關(guān)狀態(tài)、溫濕度等狀態(tài)數(shù)據(jù)的監(jiān)控，不能滿足特殊條件下圖像甚至視頻信息穩(wěn)定傳輸?shù)男枨骩1-2]。

　　無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)（Wireless Mesh Network，WMN）也稱多跳（multi-hop）網(wǎng)絡(luò)，是一種具有自愈合、自組織、多跳無(wú)線連接特性的寬帶無(wú)線網(wǎng)絡(luò)[3]。無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)最大的特點(diǎn)在于支持多跳通信，節(jié)點(diǎn)之間能夠按照一定的路由協(xié)議自動(dòng)建立和維護(hù)通信鏈路，極大地提高了網(wǎng)絡(luò)的可靠性。無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)因其大容量、高速率、高覆蓋、低成本等特點(diǎn)，在城域網(wǎng)、校園網(wǎng)、醫(yī)院等企事業(yè)單位獲得了發(fā)展與應(yīng)用。

1 監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

　　本文以Mesh組網(wǎng)技術(shù)、嵌入式技術(shù)為基礎(chǔ)，提出基于鏈狀無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)的貨運(yùn)列車監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。監(jiān)控前端節(jié)點(diǎn)采集列車運(yùn)行狀態(tài)下的載運(yùn)物資多媒體狀態(tài)信息，監(jiān)控信息通過(guò)鏈狀Mesh網(wǎng)絡(luò)多跳傳輸至監(jiān)控終端，監(jiān)控終端實(shí)時(shí)接收、存儲(chǔ)和顯示各監(jiān)控點(diǎn)的車廂運(yùn)行狀態(tài)，并在危險(xiǎn)狀態(tài)下發(fā)出預(yù)警，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)貨運(yùn)列車運(yùn)輸狀態(tài)的集中式一體化監(jiān)控[4]。

　　監(jiān)控前端即物資、裝備的狀態(tài)信息采集節(jié)點(diǎn)，監(jiān)控前端節(jié)點(diǎn)分布于載運(yùn)貨物的各類運(yùn)輸車廂內(nèi)。節(jié)點(diǎn)以嵌入式Linux開(kāi)發(fā)板為平臺(tái)，由控制模塊、信息采集模塊、無(wú)線通信模塊和電源模塊4個(gè)功能模塊組成。控制模塊是監(jiān)控前端節(jié)點(diǎn)的計(jì)算和控制核心，控制各模塊運(yùn)行；信息采集模塊通過(guò)溫度等各類傳感器采集在運(yùn)物資的狀態(tài)信息；無(wú)線通信模塊負(fù)責(zé)控制指令和監(jiān)控信息的收發(fā)；電源模塊為節(jié)點(diǎn)的運(yùn)作提供電能。

　　Mesh路由節(jié)點(diǎn)是整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行的關(guān)鍵，用來(lái)搭建鏈狀無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)現(xiàn)各監(jiān)控前端節(jié)點(diǎn)與監(jiān)控終端的實(shí)時(shí)通信。節(jié)點(diǎn)由路由設(shè)備和附屬設(shè)備組成，主要分布于運(yùn)輸車廂或運(yùn)輸裝備上，承擔(dān)數(shù)據(jù)傳輸骨干網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建和監(jiān)控前端無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接入的AP功能。

　　監(jiān)控終端由移動(dòng)PC或定點(diǎn)監(jiān)控中心組成，終端實(shí)時(shí)接收、存儲(chǔ)監(jiān)控信息，并運(yùn)行監(jiān)控軟件智能顯示和預(yù)警監(jiān)控狀態(tài)。

2 雙模的鏈狀Mesh網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

　　車載鏈狀無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)有如下特點(diǎn)：（1）當(dāng)列車進(jìn)行甩掛編組作業(yè)或局部節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，原有的通信鏈路會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)必須具備在完全無(wú)需人工干預(yù)的條件下始終保持通信鏈路通暢和數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸?shù)哪芰Γ唬?）監(jiān)控信息傳輸涉及車廂之間信息的互通，即鏈狀Mesh網(wǎng)絡(luò)必須在車廂內(nèi)和車廂外形成穩(wěn)定的通路?；诖?，本系統(tǒng)中的鏈狀Mesh網(wǎng)絡(luò)采用雙模的傳輸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖2所示。該網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)路由節(jié)點(diǎn)有兩路射頻，一路射頻工作在IEEE802.11b/g標(biāo)準(zhǔn)2.4 GHz頻段，另外一路射頻工作在IEEE802.11a標(biāo)準(zhǔn)的5.8 GHz頻段，兩個(gè)射頻模塊獨(dú)立工作在不同的信道上，相互之間不存在干擾[5]。

　　這種雙模鏈狀結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)之一是構(gòu)成實(shí)際“多鏈”結(jié)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)可以按照路由協(xié)議自由建立通信鏈路。當(dāng)節(jié)點(diǎn)順序發(fā)生變化或者某個(gè)節(jié)點(diǎn)失效時(shí)，節(jié)點(diǎn)重新進(jìn)行路由計(jì)算，從多條可用的通信路徑中選擇一條最優(yōu)路徑進(jìn)行信息傳輸，降低了對(duì)某單一節(jié)點(diǎn)的依賴性，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。雙模Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)合多天線技術(shù)，為2.4 GHz和5.8 GHz兩路頻率配置相應(yīng)的全向天線，并將兩路天線分別置于車廂內(nèi)和車廂外。通過(guò)節(jié)點(diǎn)本身的地址轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)車廂內(nèi)外信息的互通，信號(hào)不用穿透金屬車體即可回傳至骨干網(wǎng)絡(luò)，完全滿足鏈狀網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控信息的傳輸需求。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

　　3.1 監(jiān)控前端硬件設(shè)計(jì)

　　本文選用Raspberry Pi開(kāi)發(fā)板作為監(jiān)控前端節(jié)點(diǎn)的嵌入式核心系統(tǒng)即節(jié)點(diǎn)的控制模塊。Raspberry Pi[6]是一個(gè)面積不超過(guò)信用卡大小卻具有強(qiáng)大的計(jì)算和處理能力的微型計(jì)算機(jī)。通過(guò)Raspberry Pi的GPIO口外接溫濕度傳感器、煙霧傳感器和紅外傳感器，USB接口接入攝像頭和無(wú)線網(wǎng)卡，Micro USB接口接入大容量移動(dòng)電源，構(gòu)建多媒體監(jiān)控前端節(jié)點(diǎn)硬件，硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

　　3.2 軟件設(shè)計(jì)

　　溫、濕度檢測(cè)功能主要通過(guò)瑞士Sensirion公司推出的SHTxx單片數(shù)字溫濕度集成傳感器實(shí)現(xiàn)，主要根據(jù)傳感器輸出的數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算公式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的修正，最后通過(guò)軟件輸出；紅外傳感器通過(guò)紅外感應(yīng)模塊實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能，傳感器周圍紅外線輻射相對(duì)較強(qiáng)并超過(guò)或等于判定臨界值時(shí)，軟件設(shè)計(jì)輸出高電平，煙霧傳感器與紅外原理相同；圖像信號(hào)通過(guò)USB攝像頭獲取，Raspberry Pi開(kāi)發(fā)板中的VENC模塊編碼通道實(shí)現(xiàn)H.264圖像壓縮，安裝圖像抓拍軟件fswebcam實(shí)現(xiàn)圖像實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

　　節(jié)點(diǎn)應(yīng)用軟件中網(wǎng)絡(luò)通信是基于套接字（Socket）的方式實(shí)現(xiàn)的。以TCP/IP通信協(xié)議為基礎(chǔ)，建立流式套接字（SOCK_STREAM）的網(wǎng)絡(luò)通信模式。網(wǎng)絡(luò)通信方式上，使用了多個(gè)線程去處理不同類型數(shù)據(jù)的傳輸。各個(gè)監(jiān)控前端主動(dòng)發(fā)起與終端的連接，不同類型的傳感器采集的數(shù)據(jù)通過(guò)不同的線程被發(fā)送至監(jiān)控終端的服務(wù)器中。當(dāng)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)異常時(shí)，系統(tǒng)主動(dòng)發(fā)起聲音和文字預(yù)警，待異常狀態(tài)解除后報(bào)警自動(dòng)解除，節(jié)點(diǎn)狀態(tài)重新回到“正?！?，實(shí)現(xiàn)了智能監(jiān)控的功能[7]。監(jiān)控終端軟件設(shè)計(jì)流程如圖4所示。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

　　系統(tǒng)測(cè)試分網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)試和監(jiān)控軟件測(cè)試兩部分。通過(guò)在貨運(yùn)列車上構(gòu)建鏈狀Mesh網(wǎng)絡(luò)，以方便安裝的網(wǎng)絡(luò)攝像頭為載體進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)試，測(cè)試截圖如圖5所示。實(shí)驗(yàn)表明，鏈狀Mesh網(wǎng)絡(luò)在列車運(yùn)行中基本穩(wěn)定，能夠滿足監(jiān)控信息實(shí)時(shí)傳輸?shù)男枨?。圖6為實(shí)驗(yàn)室測(cè)試監(jiān)控軟件性能截圖，監(jiān)控界面能夠?qū)崟r(shí)顯示監(jiān)控信息，表明監(jiān)控系統(tǒng)軟件是可靠的。

5 結(jié)論

　　本文將無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于貨運(yùn)列車狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)中，提出基于鏈狀無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)的貨運(yùn)列車監(jiān)控系統(tǒng)整體解決方案，研究構(gòu)建面向鐵路貨物運(yùn)輸中物資監(jiān)控信息穩(wěn)定傳輸?shù)耐ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)和智能化的監(jiān)控系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)表明，系統(tǒng)能夠滿足鐵路貨物運(yùn)輸多媒體實(shí)時(shí)監(jiān)控的需要，實(shí)現(xiàn)機(jī)車工作人員對(duì)整個(gè)列車所承運(yùn)物資的狀態(tài)和環(huán)境狀況的全方位監(jiān)控。

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