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(tài)監(jiān)控系統。以雙模鏈狀無線Mesh網絡作為監(jiān)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(jié)點和智能的監(jiān)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(jiān)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(jiān)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(jiān)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(tài)得不到監(jiān)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(huán)境狀態(tài)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(jiān)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(tài)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(jiān)控系統監(jiān)控對象單一，只限于車門開關狀態(tài)、溫濕度等狀態(tài)數據的監(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(jié)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(yī)院等企事業(yè)單位獲得了發(fā)展與應用。
1 監(jiān)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(jiān)控系統，系統總體架構如圖1所示。監(jiān)控前端節(jié)點采集列車運行狀態(tài)下的載運物資多媒體狀態(tài)信息，監(jiān)控信息通過鏈狀Mesh網絡多跳傳輸至監(jiān)控終端，監(jiān)控終端實時接收、存儲和顯示各監(jiān)控點的車廂運行狀態(tài)，并在危險狀態(tài)下發(fā)出預警，從而實現對貨運列車運輸狀態(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，監(jiān)控前端節(jié)點分布于載運貨物的各類運輸車廂內。節(jié)點以嵌入式Linux開發(fā)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?？刂颇K是監(jiān)控前端節(jié)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(tài)信息；無線通信模塊負責控制指令和監(jiān)控信息的收發(fā)；電源模塊為節(jié)點的運作提供電能。
Mesh路由節(jié)點是整個監(jiān)控系統運行的關鍵，用來搭建鏈狀無線Mesh網絡，以實現各監(jiān)控前端節(jié)點與監(jiān)控終端的實時通信。節(jié)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(jiān)控前端無線網絡接入的AP功能。
監(jiān)控終端由移動PC或定點監(jiān)控中心組成，終端實時接收、存儲監(jiān)控信息，并運行監(jiān)控軟件智能顯示和預警監(jiān)控狀態(tài)。
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(yè)或局部節(jié)點發(fā)生故障時，原有的通信鏈路會發(fā)生相應變化，網絡節(jié)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(wěn)定傳輸的能力；（2）監(jiān)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(wěn)定的通路?；诖耍鞠到y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(jié)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(jié)點可以按照路由協議自由建立通信鏈路。當節(jié)點順序發(fā)生變化或者某個節(jié)點失效時，節(jié)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(yōu)路徑進行信息傳輸，降低了對某單一節(jié)點的依賴性，提高了系統運行的穩(wěn)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(jié)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(jiān)控信息的傳輸需求。
3 系統實現
3.1 監(jiān)控前端硬件設計
本文選用Raspberry Pi開發(fā)板作為監(jiān)控前端節(jié)點的嵌入式核心系統即節(jié)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(jiān)控前端節(jié)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(fā)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(jiān)測。
節(jié)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(jiān)控前端主動發(fā)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(fā)送至監(jiān)控終端的服務器中。當節(jié)點狀態(tài)異常時，系統主動發(fā)起聲音和文字預警，待異常狀態(tài)解除后報警自動解除，節(jié)點狀態(tài)重新回到“正?！保瑢崿F了智能監(jiān)控的功能[7]。監(jiān)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(jiān)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(wěn)定，能夠滿足監(jiān)控信息實時傳輸的需求。圖6為實驗室測試監(jiān)控軟件性能截圖，監(jiān)控界面能夠實時顯示監(jiān)控信息，表明監(jiān)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(tài)監(jiān)控系統中，提出基于鏈狀無線Mesh網絡的貨運列車監(jiān)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(jiān)控信息穩(wěn)定傳輸的通信網絡和智能化的監(jiān)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(jiān)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(tài)和環(huán)境狀況的全方位監(jiān)控。
參考文獻
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