基于ZigBee與GPRS的無線通信網絡在鐵路上的新應用

楊濟琛 楊云 張玉東 李欣 李俊城 甘祖泉 邱廣

（華東交通大學，南昌 330013）

基于ZigBee與GPRS的無線通信網絡在鐵路上的新應用

楊濟琛 楊云 張玉東 李欣 李俊城 甘祖泉 邱廣

（華東交通大學，南昌 330013）

概述ZigBee與GPRS技術各自的理論和特點，以及它們在國內外的最新研究應用狀況，分析兩種技術結合之后所形成的優勢互補局面。設計一個基于ZigBee和GPRS兩種無線通信方式的鐵路自然災害智能報警系統。

ZigBee；GPRS；鐵路自然災害；智能報警

近年來，隨著我國鐵路線路總長不斷的增加，鐵路不斷的加大加強發展，“鐵路行車安全”這個話題也在不斷的被國民關注并多次成為輿論熱點。而復雜的地理氣候自然環境，也造就了我國是世界上自然災害發生最頻繁的國家之一的現實，鐵路部門也自然成為最嚴重的受災者之一。為更強效的減少并防止自然災害給國民經濟及人身安全造成的重大損失及威脅，現代鐵路需要具備一套更加完備可靠的報警系統。本文設計一個基于ZigBee與GPRS兩種無線網絡通信方式相結合的智能監測報警系統，具備監測自然災害對鐵路沿線造成的側移量、覆蓋量和下沉量的功能，能夠在自然災害發生并影響到行車安全時，及時準確的發出報警信號，提醒相關鐵路部門工作人員。

1 系統關鍵技術

1.1 ZigBee技術簡介

ZigBee技術是一種基于IEEE802.15.4標準低功耗局域網協議的短距離無線通信技術。一般構成星型網絡、樹狀網絡、網狀網絡3種網絡結構。ZigBee協議的網絡結構層從下到上分別為：物理層(PHY)、媒體訪問控制層(MAC)、傳輸層(TL)、網絡層(NWK)、應用層(APL)。

ZigBee技術具有近距離、短時延、低速率、高容量、高安全、低功耗、免執頻、低成本的特點。在研究應用方面，國外研究起步較早，而國內較晚，但目前ZigBee技術已經在世界上廣泛應用，主要應用于智能家居、智能交通等領域。而近年來國內各大高校也相繼開展了許多基于ZigBee而構建的無線傳感器網絡項目，ZigBee技術在短距離無線通信領域中顯得生機勃勃，趨向繁榮。

1.2 GPRS技術簡介

GPRS技術，是一種基于GSM系統的廣域無線通信技術。其提供端到端的無線IP連接，以“分組”的形式將資料傳送到用戶手上。因其借助于移動公司的信號塔來傳輸信號，故而一般情況下其穩定性良好。

GPRS技術具有永遠在線、費用低廉、快速登錄、信道保障、高速傳輸、組網靈活、防雷擊的特點。在研究應用方面，GPRS應用范圍很廣，具有多種類型的業務，主要運用于交通運輸和公共安全等領域。目前國內4G已經開始逐步普及，而3G已經廣泛應用，國外如韓國等發達國家4G已經普及，正在向5G進軍。但該系統本著低成本、實用的原則，依然采用GPRS來與ZigBee進行結合，且由這兩種長短距離的無線通信方式所構成的優勢互補局面，可以很好的滿足系統在數據傳輸方面的需求。

2 系統總體方案

整個系統由數據采集模塊、通信模塊、上位機模塊3部分組成，系統結構如圖1所示。本方案提出利用GPRS和ZigBee兩種無線通信方式來向上位機傳遞由各個傳感器節點所采集到的數據。

圖1 系統結構框圖

在ZigBee 網絡中有協調器、路由器、終端節點3種節點。本系統ZigBee采用星型網絡結構，它是由安裝在鐵路沿線的一組（本系統中為5個）數據終端節點與1個協調器構成的，其中協調器除了構建及維護網絡外，還承擔路由功能。星型網絡結構如圖2所示。在利用ZigBee無線傳感器網絡的同時，采用GPRS網絡接收并傳輸協調器收集到的終端節點所采集的數據，一個GPRS模塊對應一個協調器。通過在鐵路沿線安裝多組星型網絡節點來構成一個大的數據采集網，從而有效解決了因其中一個或幾個網絡節點出現故障而導致系統采集到的數據誤差太大問題。而在數據采集節點與GPRS模塊處分別添加看門狗設置，使其具有斷電復位功能，這樣就實現了數據采集模塊、通信模塊與上位機模塊三者之間的呼叫應答，從而有效解決了系統數據誤差問題。

圖2 星型網絡結構圖

3 系統硬件設計

本系統中，ZigBee模塊采用TI公司的型號為CC2530的無線通信模塊，它的閃存值為256 kB，擦除周期為20 kB，具有+4 dBm的可編程輸出功率。該模塊有一套廣泛的外設集且具有良好的接收器靈敏度和健壯的抗干擾性。GPRS模塊采用Simcom公司型號為SIM900的無線通信模塊，它不僅支持GSM/GPRS通信，內嵌了TCP/IP協議棧，還具有RS-232串口等接口，具有射頻天線以及支持SIM卡連接。該模塊采用AT指令進行控制，易操作且很適合系統集成與軟件開發，自帶串口也便于與MSP430進行串口通信。本系統中ZigBee模塊與GPRS模塊之間以及與上位機進行連接的GPRS部分模塊與上位機之間，均采用串口連接方式。前者采取此種連接方式具有可靠、接口簡單的優點，而后者則可以通過此種連接方式實時顯示由下位機傳來的數據，便于調試。

4 系統軟件設計

4.1 監控系統軟件設計

監控系統軟件采用C#語言編寫，具有實時監控、報警顯示、實時定位、歷史查詢、打印報表等功能。系統可以對鐵路各數據采集點所在線路的狀況進行實時監控，當鐵路線路出現狀況時，監控界面將會定位在具體地理位置上，并彈出報警信息即界面原線路相關部分會閃爍且紅白雙色之間隔秒轉換，同時發出警報提示音。系統利用SQL數據庫進行歷史數據存儲，從而實現歷史查詢和打印報表的功能。用戶可根據需求對路段、日期、時間進行設置，系統按照設置內容從數據庫中對歷史信息進行查詢，并顯示查詢結果。系統界面友好、人性化，具有強大功能的同時，操作簡便，處理事故節約時間，減小工作人員的勞動強度。監控系統軟件界面如圖3所示。

圖3 監控系統軟件界面

4.2 終端節點軟件設計

首先，由協調器構建一個網絡，然后處于實時數據請求模式的5個終端節點向協調器發送建立連接的請求信令，協調器收到此信令后，開始連接網絡，連接成功后返回一個確認幀給終端節點。當終端節點收到確認幀之后開始采集鐵路沿線的狀況數據，并將其收集到的數據打包發送給協調器。每當終端節點向協調器發送一次數據之后，協調器都要返回一個確認信令給終端節點，當終端節點成功收到協調器發送的確認信令后，此次數據傳輸結束，開始進行下一次的數據采集與傳輸。如果終端節點未成功收到協調器發送過來的確認信令，那么它將在3次未成功連接之后進行斷電復位，開始采集并發送新的數據給協調器。終端節點設計流程如圖4所示。

圖4 終端節點設計流程圖

4.3 協調器軟件設計

當協調器與終端節點之間構建好網絡之后，協調器便開始準備接收終端節點發送過來的數據，當收到數據后，將這些數據進行打包處理，然后經由已經通過PPP協議構建好網絡的GPRS發送給上位機。與終端節點的設計相同，本系統中，GPRS也具有斷電復位的功能。協調器設計流程如圖5所示。

5 結語

圖5 協調器設計流程圖

目前，我國鐵路在自然災害監測報警方面存在著諸多不足之處。基于ZigBee和GPRS兩種無線通信方式的監測報警系統，在傳輸數據方面表現出其可靠、安全的特性，同時兩種通信方式的結合帶來的優勢互補，也更加展現了整套系統的科學可行性與創新性。在如今的互聯網、大數據時代里，物聯網與無線通信等技術也在日趨成熟并飛速發展，此套系統立足于時代技術的前沿，集靈活、經濟、可靠、智能等諸多優點于一身，很好的解決鐵路運輸在安全方面因自然災害帶來的隱患與威脅的問題，確保國家經濟財產與國民人身安全不受損害，從而滿足鐵路、國家以及廣大人民的需求。而隨著相關技術的發展，本套系統也將更加成熟。

[1]胡子軒,張曉光.淺談ZigBee技術在智能交通系統中的應用[J].內蒙古科技與經濟，2014（12）：63-64.

[2]蔡樹向,袁海文,張月魁,等.基于GPRS的路用試驗儀器遠程監測系統的可靠通信技術研究[J].測控技術，2014，33（1）：38-42.

[3]呂宏,黃釘勁.基于ZigBee技術低功耗無線溫度數據采集及傳輸[J].研究與開發，2012，31（2）：58-60.

[4]劉國錦,劉新霞.GPRS無線數據傳輸技術的應用[J].信息化研究，2010，36（2）：1-3.

[5]郭耀華.基于ZigBee和GPRS網絡的智能變電站設備溫度無線監測系統[J].儀表技術與傳感器，2014（1）：79-82.

[6]蔣煜琪,谷兆貴,史旺旺.基于ZigBee和GPRS的多通訊功能無線測控系統[J].機電工程，2014，31（6）：814-818.

[7]姜立明,莊衛東.ZigBee/GPRS技術在精準農業中的應用研究[J].農機化研究，2014（4）：179-182.

[8]宋冬,廖杰,陳星,等.基于ZigBee和GPRS的智能家居系統設計[J].計算機工程，2012，38（23）：243-246.

The paper summarizes the theory and features of ZigBee and GPRS technologies, as well as their latest development and application status at home and abroad, analyzes the situation of complementary advantages after combining the two technologies, and presents the design of an intelligent alarm system for railway natural disasters based on two wireless communication modes of ZigBee and GPRS technologies.

ZigBee; GPRS; railway natural disasters; intelligent alarm system

10.3969/j.issn.1673-4440.2015.02.011

2015-01-19）