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網(wǎng)絡協(xié)議在鐵路安全的運用

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網(wǎng)絡協(xié)議在鐵路安全的運用

本文作者:解莉孫長國劉志宏作者單位:中國人民解放軍92117部隊

1引言

低功耗無線電通信技術、嵌入式計算技術、微型傳感器技術及集成電路技術的飛速發(fā)展和日益成熟,使得大量的、低成本的微型傳感器通過無線鏈路自組織成無線傳感器網(wǎng)絡成為現(xiàn)實。無線傳感器網(wǎng)絡能夠通過各類集成化的微型傳感器協(xié)作地實施監(jiān)測、感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息,這些信息通過無線方式被發(fā)送,并以自組多跳的網(wǎng)絡方式傳送到用戶終端。目前,鐵路物資押運防盜的網(wǎng)絡監(jiān)控在國內尚處于空白狀態(tài),將無線傳感器網(wǎng)絡應用于物資押運,對于保證物資在鐵路運輸過程中的安全,并降低押運人員工作強度,是十分有意義的。

2自組織協(xié)議用于鐵路運輸安全的優(yōu)勢

鐵路系統(tǒng)棚式貨運列車均為鐵制,且滿掛時達數(shù)百米,因此,要求無線通信能夠長距離傳輸數(shù)據(jù),并能有效克服金屬(列車車體)的影響。金屬對于無線通訊的影響非常大。能否有效克服金屬影響是實現(xiàn)整套系統(tǒng)的自動傳輸?shù)年P鍵,因為它直接關系到各個節(jié)點之間的組網(wǎng)性能。目前,成熟的無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)議主要就是ZigBee協(xié)議,該協(xié)議為免費協(xié)議。ZigBee技術是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)傳輸速率、低成本的雙向無線通信技術。在ZigBee網(wǎng)絡中,由許多個小型的節(jié)點所構成,以這些工作節(jié)點為依托,通過無線通信組成各種網(wǎng)絡托普結構。為降低成本,系統(tǒng)中大部分的節(jié)點為子節(jié)點,從網(wǎng)絡結構上看,他們只是其功能的一個子集,稱為RFD(精簡功能設備),這種設備不具有路由的功能;另外還有一些節(jié)點負責與控制子節(jié)點通信、匯集數(shù)據(jù)和控制,或起到通信路由的作用,稱為FFD[1]。ZigBee協(xié)議設備部署示意圖如圖1所示。隨著ZigBee技術的開發(fā)和應用,國內現(xiàn)有各種基于Zig-Bee技術的報警系統(tǒng)。國際上,ZigBee技術支持868MHz、915MHz和2.4GHz三個頻段,但在國內只能工作在2.4GHz頻段。物資運輸沿途環(huán)境復雜,要求單跳傳輸距離遠、繞射障礙物能力好、抗干擾能力強等。2.4GHz頻段,其半波長僅為幾厘米,近似直線傳播,繞射能力很差;高頻導致傳播損耗大,傳輸距離短;另外,工作在該頻段的設備很多,如WiFi、藍牙等,頻段擁擠,通信可靠性大大降低。綜合上述,采用ZigBee協(xié)議不適合應用于鐵路運輸安全。在物資押運列車安全監(jiān)控網(wǎng)絡中,監(jiān)控節(jié)點采用電池供電,無人看守,節(jié)點能量有限。通信距離是影響能量消耗的主要因素,減少單次傳輸半徑就可以降低功耗,但會帶來覆蓋范圍的降低,因此系統(tǒng)必須支持多跳中繼來傳輸數(shù)據(jù),因此,高效路由協(xié)議的開發(fā)是降低節(jié)點功耗的關鍵。在無線傳感器網(wǎng)絡中,路由協(xié)議和應用背景密切相關,對不同的應用需求,需要使用特定專用協(xié)議。考慮到物資押運列車的各個節(jié)點的位置相對固定,可以考慮采用基于位置信息的路由協(xié)議,節(jié)點的位置信息可以作為路由設計的輔助條件,用來改善路由算法的性能,減少泛洪帶來的數(shù)據(jù)無效傳輸問題,這為設計高效可靠的物資安全運輸報警監(jiān)控系統(tǒng)專用協(xié)議提供了可能性。

3協(xié)議框架

為了監(jiān)控整個列車,無線傳感器網(wǎng)絡需要在列車沿線布置一定數(shù)量的電子鎖終端節(jié)點以達到對整個列車的覆蓋。多把電子鎖協(xié)調工作,實現(xiàn)列車車廂狀態(tài)的采集和傳輸,還需要一個手持終端。因此,硬件上系統(tǒng)包括一定數(shù)量的電子鎖終端節(jié)點、一個手持終端組成[2]。其拓撲結構如圖2所示。電子鎖終端節(jié)點:傳感器終端節(jié)點主要負責網(wǎng)絡的形成,數(shù)據(jù)的采集,并將數(shù)據(jù)通過多跳傳輸?shù)絽R聚節(jié)點。手持終端:實際上就是后臺監(jiān)控設備,主要負責數(shù)據(jù)的處理、網(wǎng)絡拓撲的控制及網(wǎng)絡的監(jiān)護工作。其內部集成了網(wǎng)絡的主節(jié)點,也稱為匯聚節(jié)點,是無線傳感器網(wǎng)絡的中心節(jié)點,負責網(wǎng)絡的發(fā)起,拓撲的形成與維護,網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的匯集與處理,與后臺監(jiān)控系統(tǒng)的通信與信息交互[3]。匯聚節(jié)點是傳感器終端節(jié)點中能力較強的一種。系統(tǒng)的工作流程為:列車車廂上鎖后,由手持終端獲取該電子鎖的ID信息、車廂信息、相對于主節(jié)點的位置等信息。在整個列車完成部署完成后,手持終端內就存儲了各個節(jié)點的位置信息,從而完成路由基礎信心的建立。手持終端組網(wǎng)命令,系統(tǒng)進入監(jiān)控狀態(tài)。若某個電子鎖被破壞,則相應的信息缺失,系統(tǒng)報警,實現(xiàn)了押運過程的實時監(jiān)控。每列火車可以自行組成一個封閉的監(jiān)控網(wǎng)絡,也可以與鐵路方統(tǒng)一設立的監(jiān)控中心聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控。一旦發(fā)生重大盜搶事件,監(jiān)控中心可以在第一時間做出反應,調集相關力量進行后續(xù)應對。

4協(xié)議設計

4.1協(xié)議的層次結構

針對物資押運的特點,提出了基于位置信息的高效的專用協(xié)議。圖3給出了協(xié)議的層次結構圖。包括射頻層、網(wǎng)絡層和應用層。通信及信息傳輸由射頻層完成[4],網(wǎng)絡的組織、管理及維護都由網(wǎng)絡層完成,應用層實現(xiàn)用戶功能。協(xié)議的每一層都以函數(shù)庫的形式提供給上一層,由上一層調用。

4.2協(xié)議幀格式

圖4給出了協(xié)議的幀格式。在射頻層中,前導碼、同步字、RSSI(接收強度指示)和CRC(校驗值)均由無線單片機硬件自動添加,長度字節(jié)用于指示網(wǎng)絡層中數(shù)據(jù)的長度,n=15字節(jié)。在網(wǎng)絡層中,目的地址和源地址用于收發(fā)識別,標志位用于ACK驗證,應用層數(shù)據(jù)長度為m=12字節(jié)。在應用層中,ID1、ID2兩級識別號用于多個系統(tǒng)同時應用時電子鎖身份認證;幀號用于區(qū)分不同的工作周期;命令字用于指示該幀的不同功能,如開鎖、關鎖及狀態(tài)查詢等;同步信息用于各個電子鎖與手持終端在時間上的同步;應用層中,(7)-(12)定義為電子鎖信息域,指示電子鎖自身地址、父節(jié)點地址、自身級別、接收父節(jié)點信息時的信號強度、鎖開合狀態(tài)信息、電子鎖對應的車輛編號等[5]。

4.3數(shù)據(jù)傳輸過程

圖5給出了協(xié)議的工作流程圖。首先,手持終端對各個電子鎖進行初始化設置,獲取電子鎖相應的車輛編號。編號由按前至后的方向順序編號,并設押運車輛編號為,電子鎖對應車輛編號為。在步驟102中,手持終端作為第0級父節(jié)點發(fā)送升序或者降序方向廣播幀,該廣播幀要求定向擴散,即按車輛編號向著升序或者降序方向傳播。滿足方向要求的電子鎖成功接收該幀,根據(jù)廣播幀的內容更新父節(jié)點地址、級別、接收信號強度、時鐘等,并計算信息回傳的延時。計算方法為:設延時為t,則。延時時間到,電子鎖將自身信息(電子鎖信息域)發(fā)送至父節(jié)點,發(fā)送采用ACK方式,即發(fā)送后等待命令正確應答,確保發(fā)送成功。在步驟103中,父節(jié)點首先將在時間內收集的數(shù)據(jù)發(fā)送至上一級父節(jié)點,并對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析,若接收到的電子鎖節(jié)點數(shù)大于0,說明可能存在下一級節(jié)點。經(jīng)過步驟104的分析,父節(jié)點收集的電子鎖節(jié)點個數(shù)大于0,因此,在步驟105,父節(jié)點首先將收集的數(shù)據(jù)發(fā)送至上一級父節(jié)點。然后選擇一個電子鎖節(jié)點作為下一級廣播的簇頭。簇頭設置方法為:在所有接收到節(jié)點中,去掉接收信號強度值低于-70dB的節(jié)點,然后取距離手持終端最遠的節(jié)點作為簇頭(若發(fā)送降序廣播幀,則最遠節(jié)點就是車輛編號較小的,否則,發(fā)送升序廣播幀,則最遠節(jié)點就是車輛編號較大的)。擔當簇頭的電子鎖收到設置命令后,將廣播幀中級別值加1,繼續(xù)發(fā)送升序或者/降序方向廣播幀。重復步驟103。若在步驟104后,某一級父節(jié)點收到的節(jié)點數(shù)等于0,則說明已經(jīng)沒有未被查詢的電子鎖節(jié)點,則在步驟106,作為最后一級簇頭的電子鎖將向其父節(jié)點發(fā)送查詢結束命令,該命令最終到達手持終端,本輪查詢結束。重復步驟102,發(fā)送相反方向廣播幀,直到步驟106。手持終端完成所有電子鎖數(shù)據(jù)的匯集。

5結束語

采用基于位置信息的專用協(xié)議進行組網(wǎng)通信,克服了利用ZigBee等現(xiàn)有無線網(wǎng)絡技術信號傳輸距離短、繞射障礙物能力差的不足,且信息傳輸實時性好;且該協(xié)議僅由手持終端和一般電子鎖節(jié)點構成,各個電子鎖節(jié)點可以任意部署到各個運輸車輛上,部署方便快捷;由該協(xié)議構建的鐵路運輸安全保障裝置具有較好的勤務適應性,具有無線化、智能化、小型化、自動組網(wǎng),實時性好,功耗低,可長時間工作等特點。應用于鐵路運輸過程,將使得鐵路安全運輸更加信息化、智能化,押運人員、物資運輸?shù)陌踩缘玫接行ПU希瑴p少大量的押運人力投入,降低押運人員工作強度,具有良好的軍事和經(jīng)濟效益。

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