摘 要： 在分析鐵路貨物運輸特點的基礎上，提出了基于無線Mesh網絡的貨運列車狀態監控系統。以雙模鏈狀無線Mesh網絡作為監控信息傳輸的通信網絡，研究設計了基于Raspberry Pi平臺的多媒體信息采集節點和智能的監控軟件，實現了運輸人員在貨運機車中對在運物資的集中式、智能化監控。實驗表明，該系統能夠有效提高鐵路貨物運輸的安全性和可靠性。
關鍵詞： 鏈狀無線Mesh網絡；Raspberry Pi；貨運列車監控系統
0 引言
鐵路貨運列車長期以來由于車體結構限制，沒有基于總線結構的車載通信系統，也不具備自帶電力設備和網絡連接的條件，因此貨運列車的安全監控相對比較困難。一方面，鐵路平車運輸的大型設備在運狀態得不到監測；另一方面，棚車或集裝箱承運的物資設備，經常受到非法入侵和車廂環境狀態變化的威脅。如何進一步提升鐵路貨運的安全性成為熱點研究內容。
國內外學者提出的基于無線傳感器網絡的貨運列車車廂安全監測系統，將低成本、低功耗的無線傳感器網絡技術應用在鐵路貨運列車狀態的檢測上。但是低功率的無線傳感網絡不能有效地在電氣化鐵路條件下運行。另外，基于傳感器網絡的監控系統監控對象單一，只限于車門開關狀態、溫濕度等狀態數據的監控，不能滿足特殊條件下圖像甚至視頻信息穩定傳輸的需求[1-2]。
無線Mesh網絡（Wireless Mesh Network，WMN）也稱多跳（multi-hop）網絡，是一種具有自愈合、自組織、多跳無線連接特性的寬帶無線網絡[3]。無線Mesh網絡最大的特點在于支持多跳通信，節點之間能夠按照一定的路由協議自動建立和維護通信鏈路，極大地提高了網絡的可靠性。無線Mesh網絡因其大容量、高速率、高覆蓋、低成本等特點，在城域網、校園網、醫院等企事業單位獲得了發展與應用。
1 監控系統總體設計
本文以Mesh組網技術、嵌入式技術為基礎，提出基于鏈狀無線Mesh網絡的貨運列車監控系統，系統總體架構如圖1所示。監控前端節點采集列車運行狀態下的載運物資多媒體狀態信息，監控信息通過鏈狀Mesh網絡多跳傳輸至監控終端，監控終端實時接收、存儲和顯示各監控點的車廂運行狀態，并在危險狀態下發出預警，從而實現對貨運列車運輸狀態的集中式一體化監控[4]。
監控前端即物資、裝備的狀態信息采集節點，監控前端節點分布于載運貨物的各類運輸車廂內。節點以嵌入式Linux開發板為平臺，由控制模塊、信息采集模塊、無線通信模塊和電源模塊4個功能模塊組成。控制模塊是監控前端節點的計算和控制核心，控制各模塊運行；信息采集模塊通過溫度等各類傳感器采集在運物資的狀態信息；無線通信模塊負責控制指令和監控信息的收發；電源模塊為節點的運作提供電能。
Mesh路由節點是整個監控系統運行的關鍵，用來搭建鏈狀無線Mesh網絡，以實現各監控前端節點與監控終端的實時通信。節點由路由設備和附屬設備組成，主要分布于運輸車廂或運輸裝備上，承擔數據傳輸骨干網絡的構建和監控前端無線網絡接入的AP功能。
監控終端由移動PC或定點監控中心組成，終端實時接收、存儲監控信息，并運行監控軟件智能顯示和預警監控狀態。
2 雙模的鏈狀Mesh網絡設計
車載鏈狀無線Mesh網絡有如下特點：（1）當列車進行甩掛編組作業或局部節點發生故障時，原有的通信鏈路會發生相應變化，網絡節點必須具備在完全無需人工干預的條件下始終保持通信鏈路通暢和數據穩定傳輸的能力；（2）監控信息傳輸涉及車廂之間信息的互通，即鏈狀Mesh網絡必須在車廂內和車廂外形成穩定的通路。基于此，本系統中的鏈狀Mesh網絡采用雙模的傳輸結構設計，如圖2所示。該網絡中每個路由節點有兩路射頻，一路射頻工作在IEEE802.11b/g標準2.4 GHz頻段，另外一路射頻工作在IEEE802.11a標準的5.8 GHz頻段，兩個射頻模塊獨立工作在不同的信道上，相互之間不存在干擾[5]。
這種雙模鏈狀結構的特點之一是構成實際“多鏈”結構，節點可以按照路由協議自由建立通信鏈路。當節點順序發生變化或者某個節點失效時，節點重新進行路由計算，從多條可用的通信路徑中選擇一條最優路徑進行信息傳輸，降低了對某單一節點的依賴性，提高了系統運行的穩定性。雙模Mesh網絡結合多天線技術，為2.4 GHz和5.8 GHz兩路頻率配置相應的全向天線，并將兩路天線分別置于車廂內和車廂外。通過節點本身的地址轉換實現車廂內外信息的互通，信號不用穿透金屬車體即可回傳至骨干網絡，完全滿足鏈狀網絡監控信息的傳輸需求。
3 系統實現
3.1 監控前端硬件設計
本文選用Raspberry Pi開發板作為監控前端節點的嵌入式核心系統即節點的控制模塊。Raspberry Pi[6]是一個面積不超過信用卡大小卻具有強大的計算和處理能力的微型計算機。通過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線網卡，Micro USB接口接入大容量移動電源，構建多媒體監控前端節點硬件，硬件結構如圖3所示。
3.2 軟件設計
溫、濕度檢測功能主要通過瑞士Sensirion公司推出的SHTxx單片數字溫濕度集成傳感器實現，主要根據傳感器輸出的數據，通過計算公式實現數據的修正，最后通過軟件輸出；紅外傳感器通過紅外感應模塊實現相應的功能，傳感器周圍紅外線輻射相對較強并超過或等于判定臨界值時，軟件設計輸出高電平，煙霧傳感器與紅外原理相同；圖像信號通過USB攝像頭獲取，Raspberry Pi開發板中的VENC模塊編碼通道實現H.264圖像壓縮，安裝圖像抓拍軟件fswebcam實現圖像實時監測。
節點應用軟件中網絡通信是基于套接字（Socket）的方式實現的。以TCP/IP通信協議為基礎，建立流式套接字（SOCK_STREAM）的網絡通信模式。網絡通信方式上，使用了多個線程去處理不同類型數據的傳輸。各個監控前端主動發起與終端的連接，不同類型的傳感器采集的數據通過不同的線程被發送至監控終端的服務器中。當節點狀態異常時，系統主動發起聲音和文字預警，待異常狀態解除后報警自動解除，節點狀態重新回到“正常”，實現了智能監控的功能[7]。監控終端軟件設計流程如圖4所示。
4 實驗驗證
系統測試分網絡性能測試和監控軟件測試兩部分。通過在貨運列車上構建鏈狀Mesh網絡，以方便安裝的網絡攝像頭為載體進行網絡性能測試，測試截圖如圖5所示。實驗表明，鏈狀Mesh網絡在列車運行中基本穩定，能夠滿足監控信息實時傳輸的需求。圖6為實驗室測試監控軟件性能截圖，監控界面能夠實時顯示監控信息，表明監控系統軟件是可靠的。
5 結論
本文將無線Mesh網絡應用于貨運列車狀態監控系統中，提出基于鏈狀無線Mesh網絡的貨運列車監控系統整體解決方案，研究構建面向鐵路貨物運輸中物資監控信息穩定傳輸的通信網絡和智能化的監控系統。實驗表明，系統能夠滿足鐵路貨物運輸多媒體實時監控的需要，實現機車工作人員對整個列車所承運物資的狀態和環境狀況的全方位監控。
參考文獻
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[6] RICHARDSON M， WALLACE S. Getting started with Raspberry Pi[M]. O′Reilly Media， Inc.， 2012.
[7] 宋敬彬，孫海濱.Linux網絡編程[M].清華大學出版社，2010.