WSN技术在桥梁隧道贯通地线测控中的应用研究

1引言

1.1选题背景及研究意义
现今的铁路控制系统，列车指挥和行车控制系统等系统的设备大量使用了微电子控制，为了不对这些系统造成干扰，就要消除室内及铁路沿线各电气设备与接地极的电位差，以保证电气系统的稳定可靠运行；同时，为减少雷电对控制设备的影响，使大量的雷击电流在侵入控制设备前就能被迅速有效地释放。综合贯通地线的出现解决了上述问题，它是一种将铁路系统上电气设备统一接地的电缆，使得在很大范围内的铁路电气设备的接地电位保持一致，消除了由接地电位差引起的不平衡电流，快速消除了各种电磁干扰，并且迅速释放了雷击电流，实现了对人员及设备的安全的有效防护。在铁路上使用综合贯通地线己经得到了铁路电务同行的广泛认可[1]。
综合贯通地线内部的芯线为铜质材料，由于其价格昂贵，而且贯通地线在一般情况下带电很小，一些不法分子利用此点想尽办法从电缆沟里将贯通地线抽出或割断。尤其在铁路沿线的桥粱及隨道区段，综合贯通地线无法埋地铺设，使得上述现象频繁发生。失去综合贯通地线会对列车的行车安全造成极大的威胁，因为铁路上所有电气设备都是连接到综合贯通地线上，一旦被抽出或割断就会失去其所有的防护功能。有分析表明，如果某一区段的综合贯通地线被割断，则原本应该流过贯通地线的电流会先经过电缆再流向贯通地线，导致了该区段中因电缆电流过大而烧毁。为了防止上述危险的情况发生，就需要在铺设贯通地线时同时安装监测装置并设计有效的贯通地线监测方案，使得一旦贯通地线被盗，相关人员能在第一时间赶往现场对被盗处进行重连，以保证列车的行车安全。
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1.2国内外研究现状及发展趋势
由于我国国情的特殊性，铁路综合贯通地线被盗的现象在我国较为常见，但是针对该问题的研究却很少。所以这里综合了国内外的电力行业对电缆的监测及对贯通地线的监测防盗所做的研宄，其中几个比较有代表性的研宄成果如下：
(1)电压电流检测法
通过监测电缆中流过的电流和电压来判断该电缆是否处于正常工作的状态，如果监测的数据显示电缆上有电压但是没有电流，就可以判断被监测的电缆发生了损坏或被盗的情况[2]。
对于贯通地线的监测，本方法的弊端在于其只适合监测长期通电的电缆，而铁路综合贯通地线是多点接地的，其上的电压及流过的电流与接入它的电气设备的工作情况和列车的运行情况有关，所以电压电流检测法不能直接应用于对贯通地线的监测。
(2)电容探测法
利用一对空置电缆，将其终端短路，始端接入一谐振振荡器。在这对空置电缆未受到损坏时，不会引起谐振振荡器的振动。而当这对空置电缆被截断时，该对电缆就成为了电容量大小与截断位置有关的电容，此时谐振振荡器输出信号的频率与其电容量大小相关。利用输出信号的频率和电容量大小的关系进行计算，就可以相对准确地得到空置电缆被截断的位置[2]。这种方法的弊端在于需要添加一对额外的空置电缆，增加了成本上的负担。并且现有的铁路综合贯通地线一般只有一根铜芯线，再无额外的空置电缆，实现起来也有很大难度，所以此方法也不能直接应用于对贯通地线的监测。
(3)电流传感器配合
GSM短消息的监测方案该方法是在不接触综合贯通地线的情况下，将监测装置上的无源电流传感器环套在贯通地线上，传感器上的感应电流大小随贯通地线上流过的电流的变化而变化。将感应电流信号转换为电压信号，再通过A/D转换器变成数字信号输入到监测装置的微处理器中。微处理器经过运算将输入的信号还原为真实的贯通地线电流大小数据，并通过GSM短消息将监测数据及时发送到远程监控微机。这种监测装置在贯通地线沿线多点铺设，这样若只有某一监测点发来的数据为0，而其他监测点正常时，即可判断该点处贯通地线出现了损坏或盗窃[3]。
该方案是专门针对贯通地线监测而提出的，基本实现了对贯通地线状态的有效监测。不过该方案实际应用起来依然有着一定的弊端，比如GSM模块的耗电量较大，若没有有效的功耗管理就需要频繁地为设备更换电源，极大浪费人力；再者一些远离基站的铁路沿线或險道内并没有GSM网络的覆盖或信号微弱，在这样的条件下监测数据能否有效且及时地发送到远程监控微机就成了问题。
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2无线传感器网络概述
无线传感器网络性能主要为稳定性高，发送延迟低，接入延迟低，吞吐量高等等，而其中最为关键的性能为低功耗。由于无限传感器节点设备的工作环境较为恶劣、更换电源比较困难，所以最大限度降低它的功耗就显得非常关键。另外，由于无线传感器网络没有统一的控制中心，节点设备也都是分布式工作的，因此无线传感器网络的性能主要取决于各节点设备的性能。但是由于节点设备易受周围环境影响，再加上对功耗严格的限制，这些特性也给无线传感器网络的传输协议设计带来了诸多挑战。

2.1无线传感器网络概述
近些年来，无线传感器和无线通信的技术突飞猛进，无线传感器网络技术也随之迅速发展，现在的很多企业和科研机构都会使用一些成本很低的传感器来做监测并取得需要的数据信息，进而进行更深入的研究和预测。通过这样的方式可以避免由于人们亲身去获取数据所带来的危险。当然，人们使用无线传感网络的时也需要考虑它自身的一些限制，比如有限的能量资源供应，有限的信道资源等等。下面就对无线传感器网络的结构特点及协议特点进行介绍。
2.1.1 无线传感器网络的结构特点
无线传感器网络是由许多个传感器节点设备组成的监测区域、负责收集并处理数据的中心节点设备以及后台与之相关的处理部分组成，它们协同工作，共同完成对网络的监测和对数据的收集等任务。在无线传感器网络中，节点设备用来收集监测的数据信息，然后把信息发送给中心节点设备，最后中心节点通过因特网将收集的数据发送给远程微机。
节点设备是无线传感网络的关键组成部分，它要负责完成所有的数据监测和采集，如果节点设备失效，严重时可能会造成整个网络的崩溃。节点设备是一个包括传感器、微处理器和功耗管理模块的嵌入式系统设备。无线传感器网络最大的特点就是监测区域内的节点数量巨大，这也就要求了节点设备的成本要相对较低。所以，节点设备的运算能力、通信能力和数据储存能力也相应较低。一个无线传感器网络就是由许多这样的节点设备组成，因此相较其它的无线通信网络，无线传感器网络有着自身的一些特点，如节点设备数量巨大、功耗被限制较低、网络拓扑方式变化灵活，并且网络是由自组织方式构成的，可以自主配置和自主维护[4]。
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2.2IEEE802.15.4/ZigBee 协议概述
IEEE802.15.4/ZigBee是一个新兴的无线传感器网络协议标准，现在已经在各种实际需求中有了广泛的应用。它主要的特点是传输距离短，传输速率低。IEEE802.15.4/ZigBee技术的基础是ffiEE802.15.4部分，正EE802.15.4处理的是物理层协议和MAC层协议。后来ZigBee联盟成立，ZigBee联盟标准化了协议的网络层和API，同时还开发了协议的安全层。IEEE802.15.4/ZigBee协议具有简洁紧凑、功能实现简单的优点，因此在许多行业都得到了广泛应用。完整的ffiEE802.15.4/ZigBee协议模型如图2-2所示。

图2-2 IEEE802.15.4/ZigBee协议模型示意图
Figure 2-2 The System Structure of IEEE802.15.4/ZigBee Protocol
由图 2-2 可知，IEEE802.15.4/ZigBee 协议是由 ffiEE802.15.4 小组和 ZigBee 联盟两个组织共同制定完成的协议规范-其中IEEE802.15.4小组主要负责制定MAC层和物理层标准，而ZigBee联盟则负责制定网络层、应用层和安全层等标准。下面就对物理层、MAC层、网络层以及应用层的功能进行简单介绍。
2.2.1 物理层（PHY)
2.2.1.1物理层概述
物理层（PHY)定义了无线信道的接口，为物理层的数据和管理提供了相关服务。物理层（PHY)的数据服务主要负责在无线信道上对数据的收发，物理层(PHY)的管理服务主要负责对一个由物理层的有关数据构成的数据库进行维护。
物理层的数据服务功能包括以下五个方面：
(1)激活和休眠射频收发机；
(2)检测信道能量；
(3)检测接收到数据的链路质量指示；(4)对空闲信道的评估；(5)无线收发数据。
(4)对信道能量的检测为网络层提供了选择信道的依据。它主要是对目标信道中的信号功率强度进行测量，由于能量检测不具备解码功能，所以检测的结果是同时包含信号和噪声功率的总功率。
对空闲信道的评估是用来判断信道是否处于空闲状态。IEEE802.15.4规范定义了三种空闲信道的评估方式：第一种是判断信道的信号能量大小，当信号能量大小低于某一设定的限值就会认为该信道空闲；第二种是判断信道中无线信号的两方面特征，即载波频率和扩频信号的特征；第三种是对前两种方式的综合，同时对信号强度大小和特征进行检测，来判断信道是否空闲。
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2.2.1.2物理层载波调制和DSSS技术
物理层定义了两个标准和三个载波频段用于无线收发数据，三个频段分别为868MHz、915MHz和2.4GHz。这三个载波频段共提供了 27个信道：其中868MHz频段有1个信道，915MHz频段有10个信道，2.4GHz频段有16个信道。具体的频率和信道分配示意图如图2-3所示。

图2-3频率和信道分配示意图
Figure 2-3 Distribution Channel and Frequency
物理层三个载波频段都使用了直接序列扩频(DSSS)技术，物理层数据包格式也都相同，而其区别在于传输速率、调制方式和频码片速率的不同。详细见下表 2-1:

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3 基于IEEE802.15.4/ZigBee协议的多信道MAC方案设计......................12
3.1无线传感器网络MAC协议概述..............................12
3.1.1无线传感器MAC协议的分类.........................................12
3.1.2无线传感器MAC协议所面临的问题..............................13
3.2IEEE802.15.4/ZigBee 协议的接入机制.................................14
3.2.1时隙CSMA/CA机制介绍....................................14
3.2.2非时隙CSMA/CA机制介绍...................................16
3.3 隐藏终端和暴露终端.................................18
3.3.1 隐藏终端.............................18
3.3.2暴露终端...........................19
3.4 基于IEEE802.15.4/ZigBee的多信道MAC方案设计........................20
3.4.1基于IEEE802.15.4/ZigBee的网络拓扑结构设计...........................20
3.4.2基于IEEE802.15.4/ZigBee的多信道分配方式设计......................24
3.4.3基于CSMA/CA的自适应MAC接入机制设计......................................32
3.5 本章小结....................................36
4  基于无线传感器网络的贯通地线监测方案.............................38
4.1单点监测设备.................................38
4.1.1数据采集部分................................38
4.1.2数据发送部分...................................39
4.2 网络拓扑结构.................................39
4.2.1铁路贯通地线沿线的场景特点.........................40
4.2.2网络拓扑结构的设计...............................40
4.3 定时休眠机制......................................41
4.4 数据传输格式设计..................................41

4.4.1 ZigBee协议栈数据包格式................................41
4.4.2 ZigBee协议各层帧格式分析.............................43
4.4.3 APS净荷数据格式的设计.................................45
4.5 本章小结................................................48

5 IEEE802.15.4/ZigBee协议的抗电磁干扰能力分析

在对贯通地线的实际监测中，设备会遇到各种各样的同频电磁干扰，其中的干扰源主要以Wi-Fi和电气化铁道的射频干扰为主。对于Wi-Fi的电磁干扰，可以通过建立网络时对可用信道扫描，选择无干扰的最佳信道搭建网络以避免使用被Wi-Fi占用的信道。再通过第三章中提到的MAC层的CSMA/CA信道接入机制，即接入信道前对信道进行扫描，待信道空闲且无干扰时再接入进行数据传输，保证避幵了 Wi-Fi干扰的同时，也减弱了网络内的干扰和冲突。
而对于电气化铁道的射频干扰，首先要分析一下其干扰的特性。电气化铁路上弓网离线等问题引起的无线电磁干扰大致可以分为稳态和脉冲两种类型。电气化射频的脉冲干扰幅度较高，但持续时间相对较短，通常在1μs之内。而稳态电磁干扰的幅度可以参考EN50121-2[22]中铁路系统对外界电磁发射限值的要求，由于目前规定的电磁频率上限为IGHz，而2GHz频段并未设要求，而且对应的测试点距轨道中心有10m的距离。这里，依据该标准中的限值曲线进行合理的推算，得出在30MHz时场强大小限值数据为lOOdB V/m，每10倍频率下降20dB，贝ij在ZigBee工作频带3GHz附近的场强大小约为60dBPμV/m (相当于ImV/m)。
从信噪比指标上看，IEEE802.15.4标准中规定2.4GHz无线设备的接受灵敏度最小值为-85dBm(本方案所使用的设备灵敏度为-97dBm)，相当于l0dBμV/m(3.16/μV/m)。ZigBee模块的信噪比为86.5dB，由上文可知环境中的干扰场强为60dBμV/m。由以上数据计算可知，ZigBee设备的信噪比及灵敏度指标满足在电气化铁路稳态电磁干扰环境下正常使用。除此之外，ZigBee协议自身也有着一些非常有效的抗同频电磁干扰的措施，对环境中的稳态电磁干扰及脉冲电磁干扰都可以从容应对，下面就对MAC层的差错校验编码十六位CRC校验以及物理层的直接序列扩频通信方式进行详细分析。5.1十六位CRC校验的抗干扰性能分析
在本文上一章中提到过，在IEEE802.15.4/ZigBee协议的MAC层数据格式包含了倾校验序列（FCS)，其使用的就是一组十六位的循环冗余校验码（CRC-16)，生成多项式为：g(x)=xi6+xi2+x5+l。CRC校验是信息通信领域中最常用的差错校验编码，其目的在于对传输的数据进行检验，若发现数据在传输过程中出现误码，则对出现误码的顿进行重传，通过这样的方式也可在一定程度上抵抗电气化铁路环境下的稳态及脉冲等电磁干扰。
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6总结与展望

6.1总结
本论文首先提出了一种基于IEEE802.15.4/ZigBee协议的无线传感器网络多信道MAC方案，意在解决在无线传感器网络中长期存在的隐形终端和暴露终端等问题。而后针对我国铁路综合贯通地线屡屡被盗这一问题，使用DEEE802.15.4/ZigBee协议的无线传感器网络技术设计了一种对贯通地线的监测方案。该方案解决了对综合贯通地线的丢失或损坏无法及时得知和维修的问题，保证了列车的行车安全，同时使用无线传感器网络的方案解决了过去的监测方案在实际实施中的一些弊端，为方案今后的真正应用打下了坚实的基础。最后对IEEE802.15.4/ZigBee协议的抗电磁干扰性能进行了分析，并通过仿真证明了其可靠性完全可以胜任对贯通地线的监测。
本论文的主要研究成果如下：
(1)基于IEEE802.15.4/ZigBee协议提出了一种使用分簇网络拓扑结构的多信道MAC机制，从理论上解决了无线传感器网络一直以来存在的隐形终端和暴露终端等问题；
(2)根据铁路综合贯通地线的现状，提出一种基于IEEE802.15.4/ZigBee协议的无线传感器网络贯通地线监测方案，并就监测设备、网络拓扑结构、定时休眠机制及数据传输格式几方面对方案进行了详细的设计；
(3)通过理论数据分析和Simulink仿真分析两方面对BEEE802.15.4/ZigBee协议的抗干扰性能进行了分析，证明了其数据可以在电气化铁路环境的电磁干扰下可靠传输。
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参考文献（略）