引用本文

崔恩放, 張宏科, 楊冬. 無源無線傳感網(wǎng)在軌道交通車輛健康監(jiān)測中的應(yīng)用[J]. 北京交通大學(xué)學(xué)報(bào), 2018,42(5): 20-27.
CUI Enfang, ZHANG Hongke, YANG Dong. Application of passive wireless sensor network in health monitoring of rail transit vehicles[J]. JOURNAL OF BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY, 2018,42(5): 20-27.
Doi:10.11860/j.issn.1673-0291.2018.05.003  

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無源無線傳感網(wǎng)在軌道交通車輛健康監(jiān)測中的應(yīng)用

北京交通大學(xué) 電子信息工程學(xué)院,北京 100044

第一作者:崔恩放(1995—),男,河北吳橋人,博士生.研究方向?yàn)橄乱淮鷤鞲芯W(wǎng). email:enfangcui@bjtu.edu.cn.

收稿日期: 2018-06-28

基金:

北京市科技重大專項(xiàng)(Z171100001217004)

摘要

采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和云計(jì)算實(shí)現(xiàn)軌道交通車輛健康狀況的實(shí)時(shí)自動(dòng)化監(jiān)測,是軌道交通智能化運(yùn)營的發(fā)展趨勢. 為了解決軌道交通車輛車軸健康監(jiān)測場景中傳感器網(wǎng)絡(luò)壽命有限和電池更換困難的問題,本文首次提出了基于無源無線傳感網(wǎng)的軌道交通車輛健康監(jiān)測系統(tǒng),設(shè)計(jì)了公網(wǎng)與私網(wǎng)兩種方案,包括相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、時(shí)隙分配算法與中繼節(jié)點(diǎn)選擇算法.在真實(shí)地鐵環(huán)境中部署了單節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集和分析實(shí)驗(yàn),并對較為復(fù)雜的公網(wǎng)方案進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:部署傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行智能監(jiān)測是可行的,使用無源無線傳感網(wǎng)極大的延長了網(wǎng)絡(luò)壽命,本文所提出的公網(wǎng)方案在地鐵環(huán)境下的吞吐量為3.2 KB/s,丟包率為5%.

關(guān)鍵詞:無源無線傳感網(wǎng);軌道交通;車輛健康監(jiān)測

中圖分類號:TP393文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A文章編號:1673-0291(2018)05-0020-08

Application of passive wireless sensor network in health monitoring of rail transit vehicles

CUI Enfang ,ZHANG Hongke,YANG Dong

School of Electronic and Information Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044,China

Fund:Major Project of Beijing Science and Technology (Z171100001217004)

Abstract

The use of Wireless Sensor Networks (WSNs) and cloud computing to conduct real-time automatically health monitoring of rail transit vehicles is a trend of intelligent rail transit operation. In order to solve the problems of limited life time of sensor networks and difficult battery replacement in the scene of axle health monitoring of rail transit vehicles, we propose a rail transit vehicles health monitoring system based on passive WSNs in this paper. Two network schemes are designed based on public network and private network respectively, including the corresponding network topology, time slot allocation algorithms, and relay nodes selection algorithms.Single nodes are deployed in the real subway environment to carry out data acquisition and analysis experiments, and the more complex public network scheme is simulated. The simulation results prove that the passive WSN greatly prolongs network life. The throughput of the proposed public network scheme in the subway environment is 3.2 KB/s and the packet loss rate is 5%.

Keyword:passive wireless sensor network;rail transit;vehicle health monitoring

隨著我國軌道交通行業(yè)的蓬勃發(fā)展, 軌道車輛規(guī)模不斷擴(kuò)大.車輛健康監(jiān)測是軌道車輛安全運(yùn)行的重要保障, 傳統(tǒng)的人工定期檢查已無法滿足當(dāng)前的運(yùn)營需求, 采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和云計(jì)算實(shí)現(xiàn)軌道交通車輛健康狀況的實(shí)時(shí)自動(dòng)化監(jiān)測是軌道交通智能化運(yùn)營的發(fā)展趨勢.與傳統(tǒng)場景不同, 軌道交通車輛傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量龐大、拆卸困難, 定期對節(jié)點(diǎn)逐個(gè)更換電池或補(bǔ)充能量是難以實(shí)現(xiàn)的, 并且影響車輛的正常運(yùn)營, 如何延長傳感器網(wǎng)絡(luò)壽命是當(dāng)前研究的重要方向.

目前, 國內(nèi)外學(xué)者對延長傳感器網(wǎng)絡(luò)壽命的問題已開展大量研究, 主要集中于節(jié)能策略設(shè)計(jì), 如數(shù)據(jù)鏈路層節(jié)能措施SMAC[1]、BMAC[2]、XMAC[3], 網(wǎng)絡(luò)層的路由算法節(jié)能優(yōu)化[4], 占空比策略[5], 盡管上述技術(shù)優(yōu)化了能量的使用, 但是有很大的局限性, 越來越不能滿足當(dāng)前的應(yīng)用需求. 如為了延長壽命, 節(jié)點(diǎn)大部分時(shí)間處于休眠狀態(tài), 這不適用于一些有實(shí)時(shí)性需求的場景. 此外, 由于協(xié)議優(yōu)化的局限性, 電量耗盡是無法避免的, 節(jié)點(diǎn)們將隨機(jī)的耗盡電量, 需要人工更換電池. 雖然在一次性應(yīng)用場景中傳感器耗盡電量后將被丟棄, 并重新部署新的傳感器節(jié)點(diǎn). 但在長時(shí)間應(yīng)用場景中, 如軌道交通和汽車領(lǐng)域, 傳感器部署困難, 更換電池也非常困難, 這造成了傳感網(wǎng)難以在這些領(lǐng)域大規(guī)模應(yīng)用. 綜上所述, 在電池供電的WSN設(shè)計(jì)中, 能量消耗仍然是一個(gè)關(guān)鍵的挑戰(zhàn)[6].

為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn), 無源無線傳感網(wǎng)[7]被提出, 無源無線傳感網(wǎng)可以很好地平衡網(wǎng)絡(luò)性能與網(wǎng)絡(luò)壽命之間的矛盾[8], 被認(rèn)為是一項(xiàng)很有前景的技術(shù). 無源無線傳感網(wǎng)是由具有能量收集能力的傳感器節(jié)點(diǎn)組成的傳感器網(wǎng)絡(luò), 節(jié)點(diǎn)可以利用電磁感應(yīng)、光電效應(yīng)、壓電效應(yīng)等方式來收集環(huán)境能量并將其轉(zhuǎn)換成電能存儲起來, 從而不斷地恢復(fù)自身電量, 通過合理的設(shè)計(jì), 理論上可以將網(wǎng)絡(luò)壽命延長至硬件壽命的水平. 無源無線傳感網(wǎng)可以使用多種類型的環(huán)境能量, 如太陽能、流體能和振動(dòng)能[9]等. 太陽能收集適合于有太陽能光照條件的應(yīng)用, 如環(huán)境監(jiān)測[10]、智慧農(nóng)業(yè)和智能建筑. 振動(dòng)能量收集適用于工業(yè)設(shè)備監(jiān)測、軌道交通等具有振動(dòng)環(huán)境的領(lǐng)域. 流體能源, 如風(fēng)能和水能的收集, 被應(yīng)用于風(fēng)速檢測[11]、智能水表和水質(zhì)監(jiān)測等領(lǐng)域. 最近的研究集中于射頻能量的收集和傳輸領(lǐng)域[12], 其目的是收集空間中豐富的射頻能量進(jìn)行使用.

本文作者提出了基于無源無線傳感網(wǎng)的軌道交通車輛健康監(jiān)測系統(tǒng), 采用了振動(dòng)能量收集模塊, 可收集列車運(yùn)行過程中產(chǎn)生的振動(dòng)能量并將其轉(zhuǎn)換為電能存儲在儲能元件中以供使用; 提出了公網(wǎng)與私網(wǎng)兩種方案, 為了解決長距離多跳路由易沖突重傳造成能量損失的問題, 物理層通信采用時(shí)分復(fù)用的方式, 即將傳輸時(shí)間分成若干時(shí)隙, 并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、時(shí)隙分配算法與中繼節(jié)點(diǎn)選擇算法, 本文對固定電池和能量收集兩種傳感網(wǎng)進(jìn)行了仿真, 結(jié)果顯示能量收集可以極大延長傳感網(wǎng)壽命, 本文進(jìn)一步對所提出的公網(wǎng)方案進(jìn)行了性能仿真, 所提方案在采用能量收集供電的情況下, 整個(gè)網(wǎng)絡(luò)可以達(dá)到3.2 KB/s的吞吐量, 同時(shí)丟包率僅為5%.

1 軌道交通車輛健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的基于無源無線傳感網(wǎng)的軌道交通車輛健康監(jiān)測系統(tǒng)見圖1.無源無線傳感器節(jié)點(diǎn)部署在軌道交通車輛底部車軸附近, 用于定期采集車軸的振動(dòng)頻譜和溫度等信息, 除此之外, 傳感節(jié)點(diǎn)配備能量收集模塊, 可以在列車運(yùn)行時(shí)采集振動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為電能使用. 傳感器節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)可以通過兩種方式傳輸給服務(wù)器:1)公網(wǎng)方案. 通過運(yùn)營商基站連接互聯(lián)網(wǎng), 經(jīng)過公網(wǎng)傳輸給服務(wù)器, 此種方案便捷迅速, 無需重新建網(wǎng), 但是數(shù)據(jù)傳輸不安全易泄露. 2)私網(wǎng)方案. 通過部署地面網(wǎng)關(guān), 將數(shù)據(jù)傳輸給地面網(wǎng)關(guān), 經(jīng)過私網(wǎng)傳輸給服務(wù)器, 此種方案安全可控, 無需經(jīng)過互聯(lián)網(wǎng), 避免了數(shù)據(jù)泄露, 但是需要重新建網(wǎng). 通過兩種方案獲得數(shù)據(jù)后, 服務(wù)器通過機(jī)器學(xué)習(xí)等方法對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析, 并將分析結(jié)果展示在客戶端, 為相關(guān)管理人員提供決策輔助.

2 無源無線傳感網(wǎng)設(shè)計(jì)

在車輛運(yùn)行時(shí), 各節(jié)點(diǎn)的振動(dòng)程度是不同的, 造成其能量收集速率不同, 對于長距離路由, 其中繼節(jié)點(diǎn)需要合理的選擇, 避免過度使用某一中繼節(jié)點(diǎn).除此之外, 在實(shí)際工程中, 車輛并不是一直運(yùn)行, 可能會停放一段時(shí)間造成無法進(jìn)行能量收集的情況, 需要合理的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行同步.

為了減少由于節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)沖突重傳造成的能量浪費(fèi), 本文采用了基于時(shí)分多址接入(Time Division Multiple Access, TDMA)的實(shí)時(shí)工業(yè)傳感網(wǎng)通信技術(shù)[13], 為每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配不同的時(shí)隙, 節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的傳輸在不同時(shí)隙完成, 避免載波偵聽多路訪問(Carrier Sense Multiple Access, CSMA)機(jī)制帶來的信道沖突問題.在此基礎(chǔ)上, 設(shè)計(jì)了適用于軌道交通車輛梯形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的組網(wǎng)方案, 針對車輛運(yùn)行中能量收集速率不斷變化的問題, 改進(jìn)了傳統(tǒng)傳感網(wǎng)基于剩余能量的中繼節(jié)點(diǎn)選擇算法, 采用了基于能量預(yù)測的能耗均衡策略. 為了應(yīng)對實(shí)際工程中可能出現(xiàn)的短期無法收集能量的情況, 設(shè)計(jì)了基于備用電池的同步方案, 保證網(wǎng)絡(luò)的可靠性.

2. 1 公網(wǎng)方案

2.1.1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

公網(wǎng)方案的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D2所示, 包含傳感器節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn). 每節(jié)車廂車軸位置均放置一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)用于數(shù)據(jù)采集, 每節(jié)車廂共8個(gè)節(jié)點(diǎn), 車頭放置一網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn), 傳感器節(jié)點(diǎn)以多跳的方式將數(shù)據(jù)傳輸給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn).

本文將該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)抽象成一種梯形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2(a)所示, 按照傳感器節(jié)點(diǎn)所處的位置, 將其分為1、2、3、…、l、…、L區(qū), 用于組網(wǎng)時(shí)的位置識別, L表示總區(qū)數(shù), 每個(gè)區(qū)處于兩節(jié)車廂交界處, 除1區(qū)和L區(qū)包含4個(gè)節(jié)點(diǎn)外, 其余每個(gè)區(qū)包含8個(gè)節(jié)點(diǎn), 節(jié)點(diǎn)按照1區(qū)到L區(qū)的順序編號為1、2、…、m、…、M, M表示傳感器節(jié)點(diǎn)的總數(shù)目, 每個(gè)區(qū)域內(nèi)部按照順時(shí)針編號, 如圖2(b)所示. 數(shù)據(jù)的多跳傳輸將從l區(qū)傳輸?shù)絣-1區(qū), 直至網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn).

2.1.2 時(shí)隙分配

時(shí)隙表的分配如圖3所示, rth表示傳感器網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行在第r個(gè)活躍周期, 每一個(gè)活躍周期的幀分為5個(gè)時(shí)隙段, ith表示第i個(gè)時(shí)隙段, 這5個(gè)時(shí)隙段分別用于鄰居信息獲取、中繼節(jié)點(diǎn)選擇、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸和休眠. 每個(gè)時(shí)隙段又分為Ni個(gè)時(shí)隙, 每個(gè)時(shí)隙的長度為Tslot, 則每個(gè)時(shí)隙段的長度為NiTslot. 時(shí)隙的具體分配如下.

1)鄰居信息獲取時(shí)隙分配:此時(shí)隙段中N1=M, 此時(shí)隙段滿足為每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配一個(gè)單一的廣播時(shí)隙. 設(shè)置m節(jié)點(diǎn)的編號為m的時(shí)隙為廣播時(shí)隙, 節(jié)點(diǎn)在該時(shí)隙廣播自己身份信息, m+1時(shí)隙為監(jiān)聽時(shí)隙, 處于監(jiān)聽狀態(tài)接收下一節(jié)點(diǎn)廣播信息. 假設(shè)m節(jié)點(diǎn)在l區(qū), 則在l區(qū)所有節(jié)點(diǎn)廣播完成之前, l+1區(qū)節(jié)點(diǎn)均處于接收狀態(tài), 即l+1區(qū)節(jié)點(diǎn)會收到l區(qū)所有節(jié)點(diǎn)的信息用于中繼節(jié)點(diǎn)選擇.

2)中繼節(jié)點(diǎn)選擇時(shí)隙分配:此時(shí)隙段中N2=M, 同樣滿足為每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配一個(gè)單一的廣播時(shí)隙. 設(shè)置m節(jié)點(diǎn)的編號為m的時(shí)隙為廣播時(shí)隙, 節(jié)點(diǎn)在該時(shí)隙廣播自己的中繼節(jié)點(diǎn)選擇結(jié)果, 假設(shè)m節(jié)點(diǎn)在l區(qū), 則在l區(qū)所有節(jié)點(diǎn)廣播完成之前, l-1區(qū)節(jié)點(diǎn)均處于接收狀態(tài), 特別的是, 1區(qū)無需進(jìn)行此項(xiàng)廣播, 默認(rèn)其中繼節(jié)點(diǎn)為網(wǎng)關(guān).

3)數(shù)據(jù)采集時(shí)隙分配:該時(shí)隙段中N3可根據(jù)需要采集的數(shù)據(jù)量自由選擇, 該時(shí)隙段用于數(shù)據(jù)采集, 即所有的節(jié)點(diǎn)均處于數(shù)據(jù)采集狀態(tài).

4)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)隙分配:此時(shí)隙段中N4=M. 設(shè)置m節(jié)點(diǎn)的編號為N-m+1的時(shí)隙為發(fā)送時(shí)隙, 節(jié)點(diǎn)在該時(shí)隙發(fā)送自己的數(shù)據(jù)給中繼節(jié)點(diǎn); 每個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)在選擇自己為中繼節(jié)點(diǎn)的若干子節(jié)點(diǎn)的發(fā)送時(shí)隙處于接收狀態(tài), 接收子節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù).

5)休眠時(shí)隙分配:此時(shí)隙段中N5可根據(jù)實(shí)際能量收集速率自由選擇. 該時(shí)隙段所有節(jié)點(diǎn)均處于休眠狀態(tài), 用于電量恢復(fù).

2.1.3 運(yùn)行流程

公網(wǎng)方案無源無線傳感網(wǎng)的運(yùn)行流程見圖4.節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)后初始化時(shí)隙表, 在時(shí)隙表安排的時(shí)隙中.

1)首先完成鄰居節(jié)點(diǎn)信息的獲取, 即在規(guī)定的廣播時(shí)隙發(fā)送廣播告知鄰居節(jié)點(diǎn)自身信息, 在規(guī)定的監(jiān)聽時(shí)隙監(jiān)聽鄰居節(jié)點(diǎn)的廣播; 在完成鄰居節(jié)點(diǎn)信息的獲取后, 節(jié)點(diǎn)將根據(jù)中繼節(jié)點(diǎn)選擇算法選擇中繼節(jié)點(diǎn), 并在規(guī)定的時(shí)隙廣播通知該中繼節(jié)點(diǎn)自己的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)隙標(biāo)號, 中繼節(jié)點(diǎn)接收到該通知, 記錄該子節(jié)點(diǎn)的標(biāo)號, 完成整個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)選擇流程.

2)在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)隙, 中繼節(jié)點(diǎn)將在子節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)隙處于接收狀態(tài), 接收子節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù), 數(shù)據(jù)將按照時(shí)隙安排經(jīng)由多跳傳送至網(wǎng)關(guān), 從而完成數(shù)據(jù)的傳輸.

3)數(shù)據(jù)傳輸完成后進(jìn)行休眠, 休眠過程中能量采集模塊將會采集振動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為電能并存儲, 補(bǔ)充電能以供使用. 休眠結(jié)束后, 首先判斷能量收集是否正常, 在列車長時(shí)間停放造成無法收集能量的情況下, 節(jié)點(diǎn)將會切換到備用電池進(jìn)行同步, 在振動(dòng)能量充足時(shí)將會回充備用電池, 從而保證網(wǎng)絡(luò)壽命.

2.1.4 中繼節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)選擇算法

1)中繼節(jié)點(diǎn)的選擇采用基于能量預(yù)測的能耗均衡策略.在傳統(tǒng)固定電池傳感網(wǎng)中, 均以剩余能量作為參考選擇中繼節(jié)點(diǎn), 在無源無線傳感網(wǎng)中, 除了考慮剩余能量, 還要考慮每個(gè)節(jié)點(diǎn)未來一段時(shí)間的能量收集情況, 在同等剩余能量的情況下, 使未來一段時(shí)間能量收集較多的節(jié)點(diǎn)負(fù)載更多數(shù)據(jù)包.

這樣做可以優(yōu)先使用能量收集情況好的節(jié)點(diǎn)作為中繼節(jié)點(diǎn), 避免由于能量存儲空間有限造成的能量浪費(fèi), 除此之外, 還可以更平穩(wěn)的實(shí)現(xiàn)能耗的均衡.在選擇中繼節(jié)點(diǎn)時(shí), 需要設(shè)定一個(gè)閾值Eth, 當(dāng)節(jié)點(diǎn)能量低于此閾值時(shí)節(jié)點(diǎn)會死亡.設(shè)當(dāng)前剩余電量為Eremain, 數(shù)據(jù)發(fā)送功率為Psend, 安排的發(fā)送時(shí)隙時(shí)間為Tsend.

2)第1階段選擇是要確定節(jié)點(diǎn)可以完成此次數(shù)據(jù)傳輸而不會中斷, 首先遍歷所有待選節(jié)點(diǎn), 若節(jié)點(diǎn)滿足Eremain-PsendTsend> Eth.則完成此周期數(shù)據(jù)傳輸后節(jié)點(diǎn)剩余能量高于閾值, 節(jié)點(diǎn)不會死亡, 可以進(jìn)行下一階段選擇, 否則放棄選擇其作為中繼節(jié)點(diǎn).

3)第2階段采用支持向量回歸(SVR)[14]進(jìn)行能量收集預(yù)測, 其流程如下:選取最近一段時(shí)間的能量收集歷史數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練數(shù)據(jù), 表示為{(E1, t1), …, (Ei, ti), …, (EI, tI)}?R× R, 其中Ei表示第i個(gè)周期休眠所收集的能量, ti表示第i個(gè)周期, 目標(biāo)是預(yù)測第I+1周期收集的能量.

SVR的方法是找到一個(gè)線性函數(shù), 使其與訓(xùn)練數(shù)據(jù)的偏差不超過ε , 設(shè)線性函數(shù)為

f(t)=w·t+b, 其中w∈Rn, b∈R(1)

式中:w 表示線性函數(shù)權(quán)重; b為線性函數(shù)常數(shù)量.

為求最優(yōu)近線性函數(shù), 需要最小化‖ w‖ 2, 本文用y表示f(t), 可以將該問題表示為凸優(yōu)化問題

min12‖w‖2+C∑i=1lξi+ξi* (2)s.t.y-w·t-b≤ε+ξiw·t+b-y≤ε+ξi* ξi, ξi* ≥0(3)

式中:ξ i, ξi* 為引入的松弛變量, 目的是減小誤差; C為常數(shù), 對優(yōu)化式的第1項(xiàng)和第2項(xiàng)取折中.

為解決此凸優(yōu)化問題引入拉格朗日函數(shù)

L=12‖w2‖+C∑i=1lξi+ξi* -∑i=1lαiε+ξi-yi+w·ti+b-∑i=1lαi* ε+ξi+yi-w·ti-b-∑i=1lηiξi+ηi* ξi* (4)

其中α i, αi* , η i, ηi* 為對偶變量, 滿足

αi, αi* , ηi, ηi* ≥0(5)

得到優(yōu)化問題的對偶形式為

max-12∑i, j=1lαi-αi* αj-αj* (ti·tj)-ε∑i=1lαi+αi* +∑i=1lyiαi-αi* (6)s.t.∑i=1lαi-αi* =0αi, αi* ∈[0, C](7)

求解該對偶問題得到

w=∑i=1lαi-αi* ti(8)f(t)=∑i=1lαi-αi* (ti·t)+b(9)

根據(jù)KTT條件計(jì)算b的值為

b=yi-w·ti-ε, 　　αi∈0, Cyi-w·ti+ε, 　　αi* ∈0, C(10)

代入訓(xùn)練數(shù)據(jù)可以求得該線性函數(shù), 進(jìn)而預(yù)測下一周期收集的能量大小Eharvest.求得預(yù)測休眠完成后待選節(jié)點(diǎn)的剩余能量為

Enext=Eremain-PsendTsend+Eharvest(11)

將剩余能量最多的k個(gè)節(jié)點(diǎn)放入備選集中, k可以自由選擇, k∈ [1, 4].最后節(jié)點(diǎn)在備選集中隨機(jī)選取一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為中繼節(jié)點(diǎn), 并在廣播時(shí)隙廣播.

2. 2 私網(wǎng)方案

2.2.1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

私網(wǎng)方案網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D5所示, 與公網(wǎng)方案相同, 網(wǎng)絡(luò)包含傳感器節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn), 并進(jìn)行分區(qū)和編號. 不同的是, 在私網(wǎng)方案中, 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)分為車頭網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和地面網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn). 除此之外, 本文將每個(gè)區(qū)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行內(nèi)部組網(wǎng), 組成一個(gè)小型分布式網(wǎng)絡(luò), 每個(gè)小型分布式網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)由中心節(jié)點(diǎn)和多個(gè)子節(jié)點(diǎn)組成的星形網(wǎng)絡(luò), 并且每個(gè)網(wǎng)絡(luò)之間相互獨(dú)立. 傳感網(wǎng)以各小型分布式網(wǎng)絡(luò)為基本單位, 每個(gè)分布式網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部子節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸給中心節(jié)點(diǎn). 車頭網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)具有定位能力, 當(dāng)車頭網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)自己位置處于地面網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)接收范圍內(nèi)時(shí)將會廣播發(fā)送信令, 告知各中心節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù), 中心節(jié)點(diǎn)則以單跳的方式將匯總的數(shù)據(jù)傳輸給地面網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn). 地面網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)會通過光纖等設(shè)備將數(shù)據(jù)傳輸至服務(wù)器.

2.2.2 時(shí)隙分配

時(shí)隙表的分配如圖6所示, 包括中心節(jié)點(diǎn)選擇時(shí)隙段、數(shù)據(jù)采集時(shí)隙段、子節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)隙段、休眠偵聽時(shí)隙段、中心節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)隙段5部分.

1)中心節(jié)點(diǎn)選擇時(shí)隙段:N1=1, 即該時(shí)隙段占用一個(gè)時(shí)隙, 用于中心節(jié)點(diǎn)選擇下一任節(jié)點(diǎn)并廣播其選擇的下一任中心節(jié)點(diǎn)身份信息.

2)數(shù)據(jù)采集時(shí)隙段:該時(shí)隙段中N2可根據(jù)數(shù)據(jù)量的大小自由決定, 用于各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的采集.

3)子節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)隙段:N3=7, 用于子節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)傳輸給中心節(jié)點(diǎn), 每個(gè)時(shí)隙對應(yīng)一個(gè)節(jié)點(diǎn), 除中心節(jié)點(diǎn)外的所有子節(jié)點(diǎn)在其對應(yīng)時(shí)隙處于發(fā)送狀態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸, 中心節(jié)點(diǎn)在所有的子節(jié)點(diǎn)發(fā)送時(shí)隙均處于接收狀態(tài), 接收子節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù). 該數(shù)據(jù)包括傳感數(shù)據(jù)和能量數(shù)據(jù), 其中能量數(shù)據(jù)用于下一任中心節(jié)點(diǎn)選擇.

4)休眠偵聽時(shí)隙段N4=K(Tmon+Tsleep)/Tslot.其中, Tmon表示監(jiān)聽時(shí)間長度; Tsleep表示休眠時(shí)間長度; K表示從時(shí)隙段開始到接收到中心節(jié)點(diǎn)的發(fā)送信令所經(jīng)過的監(jiān)聽加休眠的輪數(shù); Tslot表示每個(gè)時(shí)隙的長度.

5)中心節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)隙段:該時(shí)隙段中N5可根據(jù)數(shù)據(jù)量的大小自由決定, 用于中心節(jié)點(diǎn)向地面網(wǎng)關(guān)傳輸匯聚的整個(gè)區(qū)所有節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù).

2.2.3 運(yùn)行流程

私網(wǎng)方案運(yùn)行流程如圖7所示, 節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)后初始化時(shí)隙表, 按照時(shí)隙表順序依次操作.

1)進(jìn)行中心節(jié)點(diǎn)選擇, 每個(gè)小型分布式網(wǎng)絡(luò)會設(shè)定一個(gè)默認(rèn)的節(jié)點(diǎn)作為初始中心節(jié)點(diǎn), 該節(jié)點(diǎn)在第1個(gè)周期的中心節(jié)點(diǎn)選擇時(shí)隙段將會廣播自己身份信息, 告知區(qū)域內(nèi)其他節(jié)點(diǎn)以自己為中心節(jié)點(diǎn)組網(wǎng).2)在其他周期, 經(jīng)過上一周期子節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)隙段后中心節(jié)點(diǎn)擁有子節(jié)點(diǎn)的能量信息, 由中心節(jié)點(diǎn)指定剩余能量最高的子節(jié)點(diǎn)為下一任中心節(jié)點(diǎn). 3)中心節(jié)點(diǎn)選擇完畢后, 在數(shù)據(jù)采集時(shí)隙段, 各節(jié)點(diǎn)將進(jìn)行數(shù)據(jù)采集, 采集完的數(shù)據(jù)將在子節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)隙傳輸給中心節(jié)點(diǎn). 中心節(jié)點(diǎn)匯聚完各自區(qū)域的數(shù)據(jù)后, 進(jìn)入休眠偵聽時(shí)隙段, 開始等待發(fā)送信令, 該時(shí)隙段中節(jié)點(diǎn)會周期性的休眠和重啟監(jiān)聽, 從而恢復(fù)電量并減少能耗. 當(dāng)各個(gè)中心節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽到發(fā)送信令后則立即進(jìn)入中心節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)隙段, 將數(shù)據(jù)發(fā)送給地面網(wǎng)關(guān).

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 單節(jié)點(diǎn)部署實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證數(shù)據(jù)的可靠性和智能監(jiān)測可行性, 本文在地鐵環(huán)境中部署了單節(jié)點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn).

實(shí)驗(yàn)設(shè)備包含傳感器節(jié)點(diǎn)、振動(dòng)發(fā)電電池和外殼連接裝置. 傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件電路如圖8所示, 圖中振動(dòng)傳感器量程為± 200 g, 采集頻率最大范圍為6 400 Hz, 滿足實(shí)際振動(dòng)量程要求.振動(dòng)發(fā)電電池采用了電磁感應(yīng)發(fā)電原理, 內(nèi)置磁鐵和銅線圈. 外部連接裝置如圖9所示, 采用防磁鋁合金制成, 包括連接手臂、傳感節(jié)點(diǎn)固定裝置和電池固定裝置. 本文將該連接裝置固定于車軸保護(hù)殼外部, 與車軸外殼緊密接觸.

實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置:實(shí)驗(yàn)中傳感節(jié)點(diǎn)無線通信模塊的通信頻率為780 MHz, 信號發(fā)射強(qiáng)度為9 dBm, 加速度傳感器的采樣頻率為5 129Hz; 儲能電容為10 F; 通信距離30 m, 另外, 整個(gè)節(jié)點(diǎn)工作電壓為3.3 V, 為其滿足中國IEEE 802.15.4C標(biāo)準(zhǔn); 測得了節(jié)點(diǎn)在此參數(shù)下的功耗如表1所示.

表1 節(jié)點(diǎn)功耗 Tab.1 Node energy consumption

分別在車軸良好和一個(gè)準(zhǔn)備返廠維修的已知問題車軸上部署了單節(jié)點(diǎn), 采集了其實(shí)際運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)數(shù)據(jù)和電容電壓數(shù)據(jù), 并進(jìn)行處理分析, 值得注意的是, 為了獲取準(zhǔn)確的充電時(shí)間和能量收集功率、進(jìn)一步確定電池設(shè)計(jì)參數(shù), 在此實(shí)驗(yàn)中采用電池給節(jié)點(diǎn)供電, 電容只充電而不放電.

圖10為振動(dòng)發(fā)電電池的能量收集情況, 振動(dòng)發(fā)電電池在90 min將10 F電容從0 V充到了3.5 V左右, 所收集的能量為61.25 J, 約5.1 mAh, 平均能量收集功率為11.3 mW.

圖11為振動(dòng)的頻譜對比, 結(jié)果顯示, 車況良好時(shí)包含一個(gè)主頻和兩個(gè)諧振頻率, 且其頻譜幅度較小; 車況惡劣時(shí), 在1 300 Hz左右出現(xiàn)了一個(gè)異常, 且其各個(gè)主頻和諧振頻率的幅度較大.

3.2 無源無線傳感網(wǎng)仿真

為驗(yàn)證無源無線傳感網(wǎng)的有效性并檢驗(yàn)其性能, 本文對較為復(fù)雜的公網(wǎng)多跳方案進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn). 仿真中, 設(shè)置32個(gè)節(jié)點(diǎn), 組成圖5的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu), 比較固定電池傳感網(wǎng)和無源無線傳感網(wǎng)的性能.

仿真設(shè)置為50個(gè)喚醒周期, 每個(gè)周期時(shí)長為1 min, 在每個(gè)周期中, 各個(gè)節(jié)點(diǎn)將會產(chǎn)生80個(gè)數(shù)據(jù)包, 每個(gè)數(shù)據(jù)包包含80字節(jié)數(shù)據(jù), 并經(jīng)過多跳的方式傳輸給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn).

1)在兩種傳感網(wǎng)中, 本文按照測定的節(jié)點(diǎn)功耗參數(shù)和能量收集數(shù)據(jù), 設(shè)置每個(gè)節(jié)點(diǎn)的初始能量為61.25 J, 設(shè)定每個(gè)數(shù)據(jù)包發(fā)送和接收時(shí)間為10 ms, 則每發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包將消耗0.825 mJ, 每接收一個(gè)數(shù)據(jù)包將消耗0.627 mJ, 休眠功耗為3.3 mW, 設(shè)定數(shù)據(jù)采集時(shí)間為1 s, 則數(shù)據(jù)采集功耗為28 mJ.無源無線傳感網(wǎng)將在每個(gè)周期中隨機(jī)的按照功率11.3± 4 mW補(bǔ)充能量, 來模擬實(shí)際中的振動(dòng)能量收集.

除此之外, 設(shè)置每個(gè)節(jié)點(diǎn)的最低電壓為2.6 V, 即當(dāng)電容低于2.6 V時(shí), 節(jié)點(diǎn)會死亡, 此時(shí)剩余能量為33.8 J(最小剩余能量), 低于33.8 J節(jié)點(diǎn)死亡.當(dāng)在某個(gè)周期, 節(jié)點(diǎn)預(yù)計(jì)發(fā)送完自己負(fù)載的數(shù)據(jù), 剩余能量會低于33.8 J時(shí), 節(jié)點(diǎn)會將數(shù)據(jù)緩存, 在該周期不發(fā)送數(shù)據(jù)包. 設(shè)置當(dāng)數(shù)據(jù)超過5輪沒有傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)或者節(jié)點(diǎn)死亡時(shí)會被丟棄, 會造成數(shù)據(jù)的丟失. 在仿真中測量了各節(jié)點(diǎn)的剩余能量.

圖12為固定電池傳感網(wǎng)的仿真結(jié)果, 仿真測量了第1、9、17、25、33輪的各節(jié)點(diǎn)能量剩余情況. 可以看出, 除了離網(wǎng)關(guān)最近的1、2、3、4這4個(gè)直接傳輸給網(wǎng)關(guān), 并且不會被選擇作為中繼節(jié)點(diǎn)的傳感節(jié)點(diǎn)外, 越靠近網(wǎng)關(guān)的區(qū)域節(jié)點(diǎn)能量消耗越快, 這是由于越靠近網(wǎng)關(guān), 其匯聚的子節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)積累越多, 離網(wǎng)關(guān)最近的幾個(gè)節(jié)點(diǎn)幾乎匯聚了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù), 能耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于離網(wǎng)關(guān)較遠(yuǎn)的邊緣節(jié)點(diǎn). 當(dāng)5到12號節(jié)點(diǎn)能量耗盡死亡時(shí), 整個(gè)網(wǎng)絡(luò)將會癱瘓.

為了與固定電池傳感網(wǎng)作對比, 選取不同輪測量各節(jié)點(diǎn)的剩余能量見圖13. 與固定電池傳感網(wǎng)趨勢相同, 除了1、2、3、4這4個(gè)節(jié)點(diǎn)外, 越靠近網(wǎng)關(guān)的節(jié)點(diǎn)能量消耗越快. 不同的是, 由于可以收集能量, 各個(gè)節(jié)點(diǎn)的能量會隨機(jī)的恢復(fù), 從圖13中可以看出, 到第33輪時(shí), 所有節(jié)點(diǎn)剩余電量均高于50 J, 而固定電池傳感網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)均低于此值.

2)為了進(jìn)一步測試無源無線傳感網(wǎng)性能, 將無源無線傳感網(wǎng)的初始電池電量設(shè)置為33.8 J, 使電池完全使用收集的電量進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸.分別在不同喚醒周期的條件下進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn), 吞吐量和丟包率性能結(jié)果見圖14和圖15.每個(gè)周期參數(shù)進(jìn)行了多次試驗(yàn), 實(shí)驗(yàn)結(jié)果以箱型圖的方式表示.

圖14中, 隨著喚醒周期時(shí)長的增加, 節(jié)點(diǎn)在每個(gè)周期中所收集的能量越來越多, 數(shù)據(jù)發(fā)送成功率越來越高, 吞吐量呈增加趨勢, 在60 s時(shí)吞吐量達(dá)到最佳, 當(dāng)時(shí)間大于80 s時(shí), 能量收集已經(jīng)足夠完成所有數(shù)據(jù)的傳輸, 已經(jīng)不再是網(wǎng)絡(luò)吞吐量的限制因素, 此時(shí)由于每個(gè)周期的數(shù)據(jù)采集數(shù)量維持不變, 所以吞吐量呈下降趨勢.

圖15中, 隨著喚醒周期時(shí)間的增加, 每個(gè)周期收集的能量越多, 丟包率越低.綜合兩個(gè)性能結(jié)果, 為了最大化網(wǎng)絡(luò)性能, 可選擇喚醒周期為60 s, 此時(shí)網(wǎng)絡(luò)吞吐量為3.2 KB/s, 丟包率為5%左右.

4 結(jié)論

1)設(shè)計(jì)了適用于軌道交通領(lǐng)域的兩種無源無線組網(wǎng)方案, 包含成本低廉的公網(wǎng)方案和安全保密性強(qiáng)的私網(wǎng)方案.通過時(shí)隙分配算法和中繼節(jié)點(diǎn)選擇算法, 實(shí)現(xiàn)了多跳組網(wǎng)和能耗均衡.

2)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 部署傳感節(jié)點(diǎn)進(jìn)行智能監(jiān)測是可行的, 無源無線傳感網(wǎng)可以在完全使用收集的能量供電, 本文提出的方案在喚醒周期為60 s的情況下, 網(wǎng)絡(luò)吞吐量為3.2 KB/s, 丟包率為5%左右.

本文下一步的工作是在實(shí)際環(huán)境中部署組網(wǎng)方案, 對無源無線傳感網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的研究、完善和推廣應(yīng)用.

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