基于无线Mesh网络的无线轴温报警装置自组网研究与设计

标准技术/ S t a n d a r d T e c h n o l o g y
基于无线M esh网络的无线轴温报警装置
自组网研究与设计
孙海莉
(西安铁路职业技术学院，陕西西安710026)
摘要：在火车行驶中轴温的监测通常采用有线的方式，而文章所设计的自组网可以使轴温检测装置具有电池供 电免布线、测量精度高、抗干扰能力强、超低功耗等优点。

运用自组网方式将轴温报警装置采用超低功耗技术 和先进无线技术结合，采用电池供电、无线电波传输数据，加上组网方便、低成本等特性使其成为火车轴溫监 测的首选。

关键词：轴温报警装置；自组网；无线传输
1无线M esh网络的拓扑结构
传统的无线网络拓扑结构属于简单树状结构，隶 属父子关系，每个节点只与它直接有父子关系的节点联系，父节点故障将导致其所有子节点无法正常工作。

无线M e s h网络拓扑结构非父子关系结构，只要在无线发射功率可及范围内的节点都可以进行通信，一个 节点故障只会影响与其相关的无线链路，其他链路不受影响，可以正常通信。

1.1无线M e s h网络建设安装方便快捷
M e s h网络节点的安装非常简单，只需要给设备供电就可以，不需要参数配置。

在整个网络中，通常 末端节点都是低功耗设计、电池供电，不需要每个节点都需要有线电缆连接。

M e s h网络的目的就是尽最大 可能减少有线A P的数量，大大减少安装工作量，极 大地降低成本。

1.2无线M e s h网络采用多跳机制传输数据
无线M e s h网络是一种复杂的网络架构，因此，很容易采用多跳进行数据传输，在室外和公共场所有着广泛的应用前景。

信号发出节点先将数据发给可以直接视距的节点，然后这个节点再将接收到的信号转发给离目标节点就近的其他节点，最终数据达到目标节点。

这种信号能够自动选择最佳路径不断从一个用户跳转到另一个用户，并最终到达目标节点的方式中，直接可视距节点在系统中起路由功能，这样大大扩展了无线应用领域和覆盖范围。

1.3无线M e s h网络安全稳定，具有自修复能力
无线M e s h网络是由一种复杂网络的路由器来传输数据的。

在整个系统中，由于某个路由器发生故障不影响信息的传递，可以通过其他路由路径将信息传输至目标节点。

这种网络比单跳网络更加健壮，因为 每个节点不单单依靠某一单一节点，都有多条路径到达目标节点。

类似的传输数据方式有E-m a il，邮件信息被分成 若干个数据包，然后经多个路由器通过Internet发送，最后再进行重新组装到达用户收件箱。

1.4无线M e s h网络结构灵活多样，兼容性与互操作性强
在传统单跳网络中，节点都需要共享A P，如果 多个节点同时访问网络，就可能产生通信堵塞，导致 系统运行速度降低。

而无线M e sh网络采用多跳结构，各个节点可以通过不同路径同时连接到网络，因此，运行不会影响系统运行速度。

另外，M e sh网络具有冗 余机制和通信负载平衡功能。

在整个网络运行过程中，每个设备都有多条传输信息的路径，网络可以根据每个节点通信负载情况动态的分配通信路由，有效避免了节点通信堵塞。

目前的单跳网络不具有动态处理接入点堵塞问题，一旦出现堵塞将降低系统运行效率，更严重的导致整个网络瘫痪。

2无线轴温报警装置自组网原理
在车辆运用上，选用无线轴温仪表的优势就是采用电池供电，不需要布线、安装方便，然而工业恶劣的现场环境不能使无线仪表像民用手机那样可以短期充电解决供电问题，它一般需要整块仪表在户外装一节电池使用1年以上，因此无线轴温报警装置作为整个系统的末端，必须带休眠控制功能，最大限度地节约电池能量。

因此，作为整个系统末端的无线轴温报警装置只能是单向通信设计，平时处于休眠状态，定 时将采集数据上传给路由节点。

基于以上原因整个无线压力M e s h网络结构由3部分组成，分别是主节点(M N P)、带路由功能的子节点（R N P)和无路由功能的末端可休眠节点（E N P)。

数据方向是M N P到 R N P的数据传输称为下传，E N P到R N P或者R N P到 M N P的数据传输称为上传。

其中，主节点（M N P)对应设备是无线智能接收机；带路由功能的E N P节点对应设备是无线中继器；末端可休眠节点（ENP)对应设备是无线轴温报警装置。

主节点接收机服务器进行数据的总汇集、并和上位机系统进行数据交互；带路由功能节点的中继器负责整个网络数据的中转；末端可休眠节点负责末端物理量
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的采集和发送。

M N P作为整个系统的最高一级无线节点，它负责 整个网络路由的建立和对末端仪表数据汇集，并将汇集的数据汇入更高一级系统。

如汇入D C S系统，通常 它有数字接口和模拟接口2种方式，数字接口一般是R S-485和以太网接口，通信协议分别为M odbus-R T U和M odbus-TC P。

模拟量接口一般是1~5 V电 压信号和4~20m A电流环信号。

R N P是构建整个网络的骨架，它负责数据链路的连接和数据的转发，相 当于一个临时仓库，实时接收E N P的数据，并构建最佳途径将数据发送给M N P节点，在整个系统中起承上 启下的作用。

M N P在整个系统中处于末端节点，它平 时处于休眠状态，为了最大限度提髙电池寿命它只能发送数据，不能接收数据，定时地将数据发送给最近一个RNP,并且发射数据加有碰撞退避算法，提高网络的健壮性。

整个无线轴温网络如图1所示，在网络中除MNP 外，其余网络建立无需外界干预，由网络各个节点上电自动完成。

网络中的节点根据自己的位置与相邻节点的位置自动确定自己在网络中的跳。

在整个系统中E N P例，节点E N P3-0到R N P2-3的距离比到MNP 1-0的距离近，但是ENP 3-0可以和MNP 1-0可靠通讯，因此不需要路由器RNP 2-3而直接和 MNP 1-0通信。

除了自动组网外，网络中数据传输也是自动路由，并且是智能选择最佳传输路径。

例如，ERP3-7节点既可以通过路由RNP2-5和RNP2-3到达MNP 1-0; 也可以通过路由RNP 2-6、RNP 2-5和RNP 2-3到 达MNP 1-0。

前者是3跳，后者是4跳，因此ENP3-7上传数据通过自动路由选择路短的途径通讯。

整个网络中，采用统一的软件ID和物理信道，这 样可以保证不同R F模块之间互相干扰的问题，又保证 同频模块的串扰问题。

整个系统采用数据传输碰撞退避设计与数据重发设计，可以提高了网络数据传输成功率。

根据计算与测试，如不采取碰撞退避与重发技术，若整个网络中单跳的成功率为90%,4跳后数据传输成功率只有50%，即使单跳成功率为99%,4跳后也只有80%。

系统采用数据传输碰撞退避与数据重发技术，可以将数据传输成功率提高到95%以上。

3无线自组网数据接□协议
整个系统中网络建立协议如表1所示；命令字表
示命令类型，如O xaa表示建立路由命令，等级为系
统中各个节点所处级别，如M N P节点最高是0x00,
E N P节点最低0x05, R N P出厂默认为0x04。

源ID
是各个节点在系统中唯一的识别码，信号强度用于判
断数据通信是否可靠，并为系统建立最优网络通信路
径，数据长度为E N P节点发送的有效数据长度，本系
统中仪表发送数据长度为20字节，所以它为0x14。

数据内容就是E N P节点具体数据内容。

本系统采用的
校验算法是循环冗余校验（CRC )。

整个网络建立首先是由M N P节点发起，当就近
的路由节点R N P接收到M N P发送的网络建立命令后，
首先判断信号强度是否稳定，如果稳定将自己的等级
降为0x01,作为系统最高一级路由节点。

然后第一级
路由节点在发起网络建立命令，比它高级别的M N P节
点和同级R N P节点收到网络建立命令后，不做任何处
理，比它级别低的R N P节点收到网络建立命令后，判
断信号强度是否稳定，如果稳定将自己的级别调为第
二级R N P节点，如果不稳定则不予处理，依次逐一建
立各级R N P节点。

表1无线自组网通信协议格式
1命令字1字节命令类型
2等级1字节各个节点的等级
3源ID2字节整个系统的ID
4信号强度1字节接收强度
5数据长度1字节序号6的内容有效长度
6数据内容20字节发送的数据内容
7校验值2字节
序号1-6的校验值，
计算前需清零
4小结
本文由无线M e s h网络基本原理，根据市场现有
Z ig B e e技术在工业上通信距离短的缺陷，设计了一种
基于433M H z的无线信号，进行了自组网原理分析，
进行了无线轴温报警装置自组网设计。

作者简介：孙海莉（1980-)，女，籍贯：河南巩义，
学历：硕士，职称：讲师，研究方向：电子通信。

参考文献：
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