摘 要： 在分析铁路货物运输特点的基础上，提出了基于无线Mesh网络的货运列车状态监控系统。以双模链状无线Mesh网络作为监控信息传输的通信网络，研究设计了基于Raspberry Pi平台的多媒体信息采集节点和智能的监控软件，实现了运输人员在货运机车中对在运物资的集中式、智能化监控。实验表明，该系统能够有效提高铁路货物运输的安全性和可靠性。

关键词： 链状无线Mesh网络；Raspberry Pi；货运列车监控系统

0 引言

　　铁路货运列车长期以来由于车体结构限制，没有基于总线结构的车载通信系统，也不具备自带电力设备和网络连接的条件，因此货运列车的安全监控相对比较困难。一方面，铁路平车运输的大型设备在运状态得不到监测；另一方面，棚车或集装箱承运的物资设备，经常受到非法入侵和车厢环境状态变化的威胁。如何进一步提升铁路货运的安全性成为热点研究内容。

　　国内外学者提出的基于无线传感器网络的货运列车车厢安全监测系统，将低成本、低功耗的无线传感器网络技术应用在铁路货运列车状态的检测上。但是低功率的无线传感网络不能有效地在电气化铁路条件下运行。另外，基于传感器网络的监控系统监控对象单一，只限于车门开关状态、温湿度等状态数据的监控，不能满足特殊条件下图像甚至视频信息稳定传输的需求[1-2]。

　　无线Mesh网络（Wireless Mesh Network，WMN）也称多跳（multi-hop）网络，是一种具有自愈合、自组织、多跳无线连接特性的宽带无线网络[3]。无线Mesh网络最大的特点在于支持多跳通信，节点之间能够按照一定的路由协议自动建立和维护通信链路，极大地提高了网络的可靠性。无线Mesh网络因其大容量、高速率、高覆盖、低成本等特点，在城域网、校园网、医院等企事业单位获得了发展与应用。

1 监控系统总体设计

　　本文以Mesh组网技术、嵌入式技术为基础，提出基于链状无线Mesh网络的货运列车监控系统，系统总体架构如图1所示。监控前端节点采集列车运行状态下的载运物资多媒体状态信息，监控信息通过链状Mesh网络多跳传输至监控终端，监控终端实时接收、存储和显示各监控点的车厢运行状态，并在危险状态下发出预警，从而实现对货运列车运输状态的集中式一体化监控[4]。

　　监控前端即物资、装备的状态信息采集节点，监控前端节点分布于载运货物的各类运输车厢内。节点以嵌入式Linux开发板为平台，由控制模块、信息采集模块、无线通信模块和电源模块4个功能模块组成。控制模块是监控前端节点的计算和控制核心，控制各模块运行；信息采集模块通过温度等各类传感器采集在运物资的状态信息；无线通信模块负责控制指令和监控信息的收发；电源模块为节点的运作提供电能。

　　Mesh路由节点是整个监控系统运行的关键，用来搭建链状无线Mesh网络，以实现各监控前端节点与监控终端的实时通信。节点由路由设备和附属设备组成，主要分布于运输车厢或运输装备上，承担数据传输骨干网络的构建和监控前端无线网络接入的AP功能。

　　监控终端由移动PC或定点监控中心组成，终端实时接收、存储监控信息，并运行监控软件智能显示和预警监控状态。

2 双模的链状Mesh网络设计

　　车载链状无线Mesh网络有如下特点：（1）当列车进行甩挂编组作业或局部节点发生故障时，原有的通信链路会发生相应变化，网络节点必须具备在完全无需人工干预的条件下始终保持通信链路通畅和数据稳定传输的能力；（2）监控信息传输涉及车厢之间信息的互通，即链状Mesh网络必须在车厢内和车厢外形成稳定的通路。基于此，本系统中的链状Mesh网络采用双模的传输结构设计，如图2所示。该网络中每个路由节点有两路射频，一路射频工作在IEEE802.11b/g标准2.4 GHz频段，另外一路射频工作在IEEE802.11a标准的5.8 GHz频段，两个射频模块独立工作在不同的信道上，相互之间不存在干扰[5]。

　　这种双模链状结构的特点之一是构成实际“多链”结构，节点可以按照路由协议自由建立通信链路。当节点顺序发生变化或者某个节点失效时，节点重新进行路由计算，从多条可用的通信路径中选择一条最优路径进行信息传输，降低了对某单一节点的依赖性，提高了系统运行的稳定性。双模Mesh网络结合多天线技术，为2.4 GHz和5.8 GHz两路频率配置相应的全向天线，并将两路天线分别置于车厢内和车厢外。通过节点本身的地址转换实现车厢内外信息的互通，信号不用穿透金属车体即可回传至骨干网络，完全满足链状网络监控信息的传输需求。

3 系统实现

　　3.1 监控前端硬件设计

　　本文选用Raspberry Pi开发板作为监控前端节点的嵌入式核心系统即节点的控制模块。Raspberry Pi[6]是一个面积不超过信用卡大小却具有强大的计算和处理能力的微型计算机。通过Raspberry Pi的GPIO口外接温湿度传感器、烟雾传感器和红外传感器，USB接口接入摄像头和无线网卡，Micro USB接口接入大容量移动电源，构建多媒体监控前端节点硬件，硬件结构如图3所示。

　3.2 软件设计

　　温、湿度检测功能主要通过瑞士Sensirion公司推出的SHTxx单片数字温湿度集成传感器实现，主要根据传感器输出的数据，通过计算公式实现数据的修正，最后通过软件输出；红外传感器通过红外感应模块实现相应的功能，传感器周围红外线辐射相对较强并超过或等于判定临界值时，软件设计输出高电平，烟雾传感器与红外原理相同；图像信号通过USB摄像头获取，Raspberry Pi开发板中的VENC模块编码通道实现H.264图像压缩，安装图像抓拍软件fswebcam实现图像实时监测。

　　节点应用软件中网络通信是基于套接字（Socket）的方式实现的。以TCP/IP通信协议为基础，建立流式套接字（SOCK_STREAM）的网络通信模式。网络通信方式上，使用了多个线程去处理不同类型数据的传输。各个监控前端主动发起与终端的连接，不同类型的传感器采集的数据通过不同的线程被发送至监控终端的服务器中。当节点状态异常时，系统主动发起声音和文字预警，待异常状态解除后报警自动解除，节点状态重新回到“正常”，实现了智能监控的功能[7]。监控终端软件设计流程如图4所示。

4 实验验证

　　系统测试分网络性能测试和监控软件测试两部分。通过在货运列车上构建链状Mesh网络，以方便安装的网络摄像头为载体进行网络性能测试，测试截图如图5所示。实验表明，链状Mesh网络在列车运行中基本稳定，能够满足监控信息实时传输的需求。图6为实验室测试监控软件性能截图，监控界面能够实时显示监控信息，表明监控系统软件是可靠的。

5 结论

　　本文将无线Mesh网络应用于货运列车状态监控系统中，提出基于链状无线Mesh网络的货运列车监控系统整体解决方案，研究构建面向铁路货物运输中物资监控信息稳定传输的通信网络和智能化的监控系统。实验表明，系统能够满足铁路货物运输多媒体实时监控的需要，实现机车工作人员对整个列车所承运物资的状态和环境状况的全方位监控。

　　参考文献

　　[1] ABOELELA E， EDBERGW， PAPAKONSTANTINOU C， et al. Wireless sensor network based model for secure railway operations[C]. Performance， Computing， and Communications Conference， IPCCC 2006， 25th IEEE International， IEEE， 2006： 623-628.

　　[2] 鞠迎华.基于WSN和RFID的铁路危险品在途监测技术研究与实现[D].北京：北京交通大学，2012.

　　[3] AKYILDIZ I F， Wang Xudong. A survey on wireless mesh networks[J]. Communications Magazine， IEEE， 2005，43（9）：23-30.

　　[4] 姚国才.基于无线Mesh网络的视频监控系统的研究与设计[D].北京：北京邮电大学，2011.

　　[5] STEFAN A， WOLFGANG S. Performance measurements in wireless 802.1lg multi-hop networks[D]. Sweden： University of Hogskolani Halmstad， 2006.

　　[6] RICHARDSON M， WALLACE S. Getting started with Raspberry Pi[M]. O′Reilly Media， Inc.， 2012.

　　[7] 宋敬彬，孙海滨.Linux网络编程[M].清华大学出版社，2010.