面向钢轨监测的无线传感器网络网关设计与性能测试*

刘 冲， 陈 义， 徐 征， 张志新， 解永平， 王天娆

(1.大连理工大学 辽宁省微纳米技术及系统重点实验室，辽宁 大连 116085；2.大连大学 机械工程学院，辽宁 大连 116622；3.大连理工大学 信息与通信工程学院，辽宁 大连 116023；4.苏州鼎汗传感网技术有限公司，江苏 苏州 215121)

面向钢轨监测的无线传感器网络网关设计与性能测试*

刘 冲1， 陈 义1， 徐 征1， 张志新2， 解永平3， 王天娆4

(1.大连理工大学 辽宁省微纳米技术及系统重点实验室，辽宁 大连 116085；2.大连大学 机械工程学院，辽宁 大连 116622；3.大连理工大学 信息与通信工程学院，辽宁 大连 116023；4.苏州鼎汗传感网技术有限公司，江苏 苏州 215121)

针对我国铁路钢轨实时广域监测的重大需求，通过研究异构无线传感器网络(WSNs)通信技术，设计并实现了一种基于Zig Bee—3G通信的无线传感器网络网关。进行了通信电路设计和电磁兼容设计，并在WinCE操作系统平台上实现了Zig Bee网络与3G网络之间的互联，开发了网关远程维护管理模块。对网关设备分别进行了网络传输性能测试和电磁兼容测试，测试结果表明：此网关传输效率高、抗电磁干扰能力强，能够满足铁路轨道监测现场的应用要求。

钢轨监测； 网关； Zig Bee—3G； 远程访问；电磁兼容

0 引 言

无线传感器网络(wireless sensor networks，WSNs)能够实现广域数据的无线采集、传输、处理、融合[1],在军事侦测、环境监测、医疗诊断等领域得到广泛应用[2]。轨道监测领域中可利用WSNs技术，在监测区域内广泛布设无线传感器节点，对钢轨相应信息进行采集，实现对钢轨状态的全天候实时监控。目前，WSNs技术在轨道监测领域的应用已初见端倪，例如：Costa B J A等人[3]利用光纤传感器采集铁路桥的结构应变值，通过无线网络发送数据，用于动态评估铁路桥的结构疲劳强度；Back B M等人[4]开发了由温度传感器、Sink网关、数据中心及客户端组成的WSNs监测系统，应用于英国西海岸铁路线的轨温监测，系统采用GSM数据通信模式，适用于监测轨温等变化缓慢的对象；吴寅等人[5]开发了基于WSNs的轨道压力无线监测系统，采用CAN总线的传输模式，用于监测列车的行车状态和钢轨振动。

实际应用中的WSNs并不总能以一个独立的通信网络形式存在，需要网关来实现传感器网络与不同类型网络之间的互联。在WSNs系统中，网关主要实现网络间协议的转换、不同网络类型的网络路由、网络数据聚集、存储、处理及转发等重要功能。面向钢轨监测的WSNs网关布设在轨道沿线附近，信号系统处在一个复杂的电磁环境中，网关的数据通信受到严重影响。因此,用于轨道监测现场的网关应具有快速布设、可远程维护、抗电磁干扰能力强等特点。国内蔡皓等人[6]设计了一种具有多种通信方式的WSNs网关，能通过以太网等途径进行数据转发；Hwang K[7]等人结合WEB服务设计了一种WSNs网关，用户可以远程登陆网关的WEB服务器，管理该网关下的传感节点；Emara K A等人[8]提出了一种网关结构框架，该框架能实现WSNs与IP网络之间的透明交互，不需要进行协议转换。上述网关研究都集中在不同类型网络互联的实现方式上，而对网关的远程维护方案和电磁兼容性设计方面涉及甚少，难以直接在钢轨监测WSNs中直接应用。

本文针对铁路轨道现场需求特点，设计并实现了一种基于Zig Bee—3G通信的WSNs网关,给出了网关通信电路和电磁兼容性设计方案，并在WinCE操作系统平台上实现了Zig Bee网络与3G网络之间的互联，开发了网关远程维护管理模块，对网关设备分别进行了电磁兼容测试和网络传输性能测试。

1 WSNs系统

面向钢轨监测的WSNs系统由无线传感器节点(以下简称节点)、网关、接入服务器、数据库及监控客户端等组成，系统结构如图1所示。WSNs节点分布布设在监控区域的钢轨轨腰上，按设定的参数采集钢轨温度、应变及振动信号等，采集到的数据经处理后通过Zig Bee网络上传至节点所属的网关；网关对汇聚到的数据进行提取和协议转换后，通过3G网络将数据传输至互联网，由远程接入服务器接收并存储在数据库中；远程监控中心可以通过因特网访问数据库，对数据进行监测、处理及后续分析，从而实现对钢轨状态的实时判读。

图1 面向铁路钢轨监测的WSNs系统结构Fig 1 System architecture of WSNs for rail monitoring

2 网关硬件与电磁兼容设计

本文中网关的硬件设计建立在核心处理器的基础上，通过扩展Zig Bee模块和3G模块实现WSNs与外部网络之间的数据传输与控制。网关主要由通信层和供电层组成，其结构如图2所示。其中通信层为网关主功能部分，包括核心处理器模块、Zig Bee模块、3G模块。

处理器模块选用以Intel Atom N450处理器为核心的嵌入式主板作为网关的处理器模块,它具有丰富的外设接口且处理能力较强，另外,该模块可搭载Windows CE操作系统，可在此平台上进行应用软件的开发。网关的Zig Bee模块采用协调器模式，负责Zig Bee网络的创建和管理，另外,该模块的外围电路可扩展出RS—232串口，实现与处理器模块的数据通信。面向外部网络的接入模块选用3G路由器，该模块具有掉线自动重连、可远程监管等特点，可通过网口实现与处理器模块相连。同时，该模块通过自动拨号联网，实现与远程接入服务器之间的数据交互。供电层采用太阳能板与交流电源协同供电方式设计，网关可以根据实际情况选择供电方式。GSM短信遥控开关串联在供电层主电路中，可通过短信远程控制网关通信层的电路通断，实现远程重启网关的功能。

图2 网关硬件电路结构框图Fig 2 Structure block diagram of hardware circuit of gateway

本文还针对轨道监测现场环境存在的电磁干扰进行了如图3设计。

图3 网关电磁兼容设计Fig 3 Electromagnetic compatibility design of gateway

1)电路屏蔽:网关采用全封闭形式的箱体设计，箱体外壳运用导电阳极化工艺，使其可以充分接地；箱体内部的金属隔板，将箱体分为上、下两层。

2)信号屏蔽:网关中通信模块信号天线接口均布设在网关机箱外侧，信号线从外部接入。另外,各信号天线均采用金属网作为屏蔽层合理接地，避免信号线之间感应耦合产生电磁干扰。

3)接地设计:采用多点/就近混合接地的方式，在减少接地线的长度和辐射的同时也可以降低接地点间电位差，增强了网关的抗干扰能力。

4)电源设计：外部电源通过电源滤波器抑制高频信号干扰后，经由开关稳压电源提供给网关。

3 网关软件设计

本文设计的网关软件基于Windows CE平台开发，主要实现Zig Bee网络与3G网络之间的数据传输控制、Zig Bee—3G间的协议帧和数据帧的转换、Zig Bee网络节点管理等功能。软件由外部接口、数据处理函数及内存缓冲区三部分组成，其架构如图4所示。

外部接口部分为网关提供2个数据接口，负责与Zig Bee网络和外部3G无线网络之间的数据转换。数据处理函数负责完成数据提取、协议转换及数据转发。

图4 网关软件架构Fig 4 Architecture of gateway software

4 远程访问管理机制

为了降低维修难度和便于故障分析，制定了一种网关远程访问管理机制。该机制实现了监控端与网关的远程连接，从而可以实现网关软件远程更新和文件管理。下面以远程更新网关软件程序为例分析网关远程访问管理机制，步骤如下：

1)接入服务器向网关发送访问命令，该命令包含远程监控端的IP和端口号，网关接收到该命令后向接入服务器回复，接入服务器收到确认消息后，远程访问的通信链路形成。

2)远程监控端与网关连通后，网关向远程监控端上传其存储的文件信息。上传成功后远程监控端可对网关文件进行删除、下载、上传等操作。

3)选择将要更新的目标程序，并开始向网关发送程序代码。为提高数据传输效率，远程监控端将目标程序代码拆分成固定长度的数据帧单元，依次将所有代码数据帧发送完毕。

4)远程监控端将目标程序发送完成后，继续发送一条校验数据帧。网关会根据之前收到的数据帧进行校验位的计算，计算出的校验位与接收到的校验位比对，若校验位不一致，则认为传输过程中出现错误，在发送次数不超限的前提下，需要重新发送；当持续不能发送成功，次数超限，则认为发送失败。若校验位一致，则认为文件传输成功，网关向远程监控端返回确认信息，传输成功，上传结束。

5 性能测试

按照国家EMC标准GB/T 24338.5，对网关进行电磁兼容测试，结果如表1所示，测试结果分4级，可见，在复杂的电磁干扰下网关仍能正常的工作。

表1 电磁兼容试验测试结果Tab 1 Test result of EMC experiments

判据A：试验中EUT在规范极限值内性能正常；判据B：试验中EUT功能或性能暂时降低或丧失，但能自行恢复；判据C：试验中EUT功能或性能暂时降低或丧失，但需操作者干预或系统重调(或复位)；判据D：试验中EUT因装置(或元件)损坏而不可恢复的功能降低或丧失。

另外，对网关数据传输耗时进行了测试，实验在中国国家铁道试验中心架设的钢轨应力监测WSNs上开展，该传感网能够测试线路钢轨锁定轨温、应变、振动加速度等指标。无线传感节点单元盒分别安装在两侧轨道轨腰上，内含4个传感节点：静态应变节点、温度节点、动态应变节点、加速度节点，网关安装在轨道旁，通过交流电源分别给网关和单元盒供电。试验中每个网关与2个单元盒组成一个WSNs。

定义WSNs节点从开始传输数据到接入服务器完成接收的时间间隔为传输耗时。试验过程中按实际工作情况对WSNs节点进行了参数设置，试验开始时同步接入服务器与节点的时间，节点开始传输数据时记录此时的时间Ts，接入服务器完成接收时记录此时时间Te，则传输耗时Tc约为Te-Ts。分别测试不同节点的传输耗时，结果如表2。

表2 数据传输耗时测试Tab 2 Time comsuming measurement of data transmission

6 结 论

本文面向钢轨监测WSNs现场异构网络数据传输的需求，提出并实现了一种用于钢轨力学、环境等参数监测的WSNs网关。网关的传输性能与电磁兼容测试结果表明：一个WSNs节点单元盒完成数据传输的时间为51.85 s，而监测现场节点采集数据的时间间隔为15 min，远大于数据传输时间，不会造成耗时累加情况，符合实时传输要求；网关电磁兼容测试结果达到判据A要求，确保了网关能在电磁环境复杂的轨道监测正常工作。

[1] 余子轩.无线传感网和物联网中网络的地位和作用[J].射频世界,2010(4):21.

[2] 刘瑞玲,李祥林.无线传感网络研究与应用综述[J].电脑知识与技术,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] 吴 寅,刘文波,李开宇.铁轨压力状态监测无线传感系统的设计[J].自动化仪表,2011,33(7):73-75.

[6] 蔡 皓,冯仁剑,万江文.具有多种通信方式的无线传感器网络网关[J].传感技术学报,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

国家“十二五”科技支撑计划资助项目(2011BAG05B02—03,2011BAG05B02—02)

U 285

A

1000—9787(2014)12—0094—04

刘 冲(1963-)，男，重庆人，教授，博士生导师,研究方向为微传感器、物联网技术及精密测试技术。