ZigBee 技術在STP中的應用研究

徐慶標

無線調車機車信號和監控系統 （以下簡稱STP系統）的推廣應用，實現了對調車作業過程的動態監控，有效提高了調車作業的安全防護水平。但對于作業機車的實時定位，仍缺乏獲取停留車位置的技術手段，影響了系統的控制進度和連掛作業自動防護功能的實現。為了實現對作業機車的位置跟蹤，只能通過地面點式應答器獲取作業機車的初始位置，并根據車站聯鎖信息進行調車進路跟蹤；為了能確定停留車位置，保留了存放作業時刻的大致位置，而無法確定非STP系統存放的停留車位置。即便如此，仍無法克服因通信時延、鉤確認時機不同等造成的定位誤差。為此，調車監控模式和非調車監控模式才應運而生。ZigBee技術將全面解決現有STP系統的車列定位問題，克服因位置未知帶來的需初始入網注冊才能進入調車監控模式、距停留車距離未知時無法自動連掛等問題。

1 構建基于ZigBee的Mesh定位網絡

ZigBee技術是一種無線網絡技術，其特點是近距離、低復雜度、自組織、低功耗、低數據傳輸速率、低成本等。

1．1 STP系統及相關設備

STP系統由地面設備和車載設備二大部分組成，如圖1所示，其中地面主機和車載主機分別為核心設備。地面主機與計算機聯鎖系統相連，獲取車站聯鎖信息；車載主機與LKJ主機接口，接收機車工況，并發送車站聯鎖信息和控車信息等；平調設備中的機控器與LKJ主機接口，傳送調車手持臺的調車指令。此外，與計算停留車位置相關的設備還有成對的智能鐵鞋，分別設置在停留車兩端最外側車輪和鋼軌之間，是車輛防溜的固定裝置。

1．2 基于ZigBee技術的Mesh網絡

為實時定位作業機車和停留車位置，需構建覆蓋整個作業站場的、以ZigBee模塊為節點的無線網絡。網絡中的節點有車載主機、平調手持臺、智能鐵鞋和站場規定區域內布置的參考節點。除參考節點外，其他3類節點的位置都需要根據參考節點的已知位置坐標進行計算。

圖1 STP系統及相關聯設備組成框圖

ZigBee網絡中有3種節點類型：網絡協調器、網絡路由器和網絡終端節點。其中網絡協調器是必不可少的，車載主機、平調手持臺、智能鐵鞋和參考節點均集成有全功能的ZigBee定位模塊，車載主機將作為網絡協調器或網絡路由器，其他設備將作為網絡路由器。

ZigBee網絡有3種拓撲結構：星形網 （Star）、樹狀網 （Cluster－tree）和網狀網 （Mesh）。Mesh網絡與傳統的點到點網絡相比，能實現節點間數據傳輸的多鏈路選擇性，有更大的覆蓋范圍、很強的自愈能力以及更高的可靠性和冗余性。根據STP系統中各設備在調車作業站場內的分布特點，并兼顧無線網絡全站場覆蓋的需要，將作業站場按咽喉區進行劃分，分別構建上行咽喉區Mesh網和下行咽喉區Mesh網：

1．在咽喉區里，首次上電運行的車載主機作為網絡協調器，其后運行的車載主機、平調手持臺、智能鐵鞋和參考節點作為網絡路由器，加入網絡時根據檢測到的信道能量大小選擇父設備，父節點可能是協調器，也可能是路由器。

2．在現有點式應答定位器和發車信號機附近的道岔轉轍機，或就近的線纜盒內布置參考節點，如咽喉區跨度較大，可在咽喉區中部位置再增設若干參考節點，確保遠離網絡協調器的參考節點能通過鄰近的參考節點接入網絡。

3．當本咽喉區作為網絡協調器的車載主機跨過股道，進入另一咽喉區時，解除與各網絡節點的關聯，或作為網絡協調器重新構建另一咽喉區Mesh網，或作為網絡路由器接入另一咽喉區Mesh網；同時本咽喉區中作為網絡路由器的車載主機將成為網絡協調器，重新構建本咽喉區Mesh網。

4．當本咽喉區作為網絡路由器的車載主機跨過股道，進入另一咽喉區時，解除與本咽喉區Mesh網的關聯，作為網絡路由器接入另一咽喉區Mesh網。

上行咽喉區Mesh網絡結構圖如圖2所示，矩形框圖表示車載主機網絡協調器，橢圓形框圖表示網絡路由器，框中的 “主”、“鐵”、“手”、“參”分別表示車載主機、智能鐵鞋、平調手持臺和參考節點對應的網絡協調器或路由器。

為延伸單個網絡節點無線傳輸距離，減少Mesh網絡中參考節點數量，可以為ZigBee模塊增加功率放大模塊，使傳輸距離由傳統的不足80m提高到1km左右，以更好地滿足現場應用需求。

圖2 上行咽喉區Mesh網

2 基于RSSI測距模型的定位算法設計

基于距離的定位算法，就是要盡可能準確地獲得節點間的距離。ZigBee模塊內嵌有基于RSSI的硬件定位引擎，可通過輸入環境參數和參考節點的坐標，輸出待定位節點的坐標，但定位精度不足，缺乏靈活性。基于RSSI測距模型的定位算法，將借助ZigBee模塊提供的RSSI值，由計算能力強大的車載主機實時收集大量的參考節點RSSI值，計算出待定位節點的坐標。

2．1 RSSI測距模型和定位基本原理

式中，A表示相距1m處接收到的RSSI值，以dB為單位；n為路徑損耗指數，用來描述信號強度隨距離增加而遞減的速率，依賴于無線通信外部環境。

ZigBee模塊可直接從接收到的信息中獲得RSSI值，根據 （1）式推算出信息發送端和接收端間的距離d。

在一個二維空間中，只要知道待定位節點到3個參考節點間的距離，就能計算出待定位節點的坐標。假設3個參考節點的坐標分別為 （X1，Y1）、（X2，Y2）和（X3，Y3），待定位節點的坐標設為（X，Y），待定位節點到3個參考節點的距離分別為d1、d2和d3，根據二維空間距離計算公式，得到方程組：

這是一個非線性方程，可以采用線性化方法求出未知量 （X，Y）。

2．2 定位算法設計

建立咽喉區Mesh網后，為避免同一網絡節點信息發送和接收的沖突，網絡協調器采用輪詢方式呼叫參考節點，對參考節點播發廣播信息進行嚴格的時序控制，收集待定位節點一跳范圍內所有參考節點的RSSI值。

1．協調器從節點短地址列表中依次取出與參考節點對應的短地址，向該參考節點發送RSSI Blast廣播請求命令。

2．擁有該短地址的參考節點廣播RSSI值，一跳范圍內的所有網絡節點 （包括其他參考節點）收到RSSI Blast信號，分別記錄該參考節點的RSSI值。

3．所有的參考節點輪詢一遍后，網絡中車載主機、平調手持臺、智能鐵鞋節點將完整記錄了一跳范圍內所有參考節點的RSSI值 （每一個參考節點也都記錄了其他參考節點的RSSI值）。

4．協調器分別向平調手持臺節點、智能鐵鞋節點發送RSSI請求命令，收集它們記錄的RSSI值。

5．平調手持臺節點、智能鐵鞋節點收到RSSI請求命令后，也同時向非協調器的車載主機節點發送它們記錄的RSSI值。

車載主機通過比較自己記錄的各參考節點RSSI值，選中2個最大RSSI值的參考節點，作為“待定位節點”，分別找到此 “待定位節點”的最大RSSI值的參考節點，將已知的RSSI值和距離d，代入 （1）式，計算出n和A的值；以車載主機為待定位節點，再從車載主機記錄的各參考節點RSSI值中找到3個最大RSSI值的參考節點，根據計算出的n和A，再次代入 （1）式，求出d1、d2和d3，并代入方程組 （2），得到車載主機的位置坐標。

同理，計算平調手持臺和智能鐵鞋的位置坐標時，也先選擇它們所記錄的2個最大RSSI值的參考節點，作為 “待定位節點”，求出n和A；再從它們記錄的各參考節點RSSI值中選3個最大RSSI值的參考節點進行計算。

2．3 定位算法修正

鏈路質量指示 LQI （Link Quality Indicator）與RSSI相類似，也隨距離的增加而減小，ZigBee模塊可以從接收的信息中一并獲取。LQI的動態范圍為0～255，比RSSI值大，有更高的分辨率。將LQI值融入RSSI的測距算法中，可進一步提高測距精度。調車車列運行在軌道區段上，停留車也位于股道或無岔區段上，計算出的位置坐標必須根據“三點一線”的原理進行修正，確保位置坐標修正到調車車列或停留車所在的區段上。

3 可行性分析及展望

調車作業站場的ZigBee定位網絡，涉及到的設備都需要增加ZigBee模塊。車載主機本身就是以嵌入式單板計算機為核心的多板卡集成設備，方便增加ZigBee模塊；集成有ZigBee模塊的智能鐵鞋也有實際的應用；平調手持臺體積小，便于攜帶，也需要對主控板重新設計，集成ZigBee模塊；參考節點就是單一的ZigBee模塊，但需解決現場安裝和供電問題。ZigBee模塊體積小、功耗低，可考慮將其布置到咽喉區道岔轉轍機或電纜盒中，并根據定位的需要靈活配置。

通過構建覆蓋整個站場的ZigBee定位網絡，能實時計算作業車列和停留車的位置，拓展了STP系統的調車作業監控范圍。

1．可取消地面點式應答定位模塊，系統一上電運行，即進入調車作業監控狀態，不再區分監控模式和非監控模式。

2．通過智能鐵鞋實時獲取作業端的停留車位置及平調手持臺提供的車列前部位置，實現連掛作業的自動防護，取消十五三車連掛作業方式。

3．采用ZigBee模塊實現非集中道岔狀態采集功能，將采集機作為非集中區Mesh定位網絡中的參考節點，傳輸道岔狀態信息，實現非集中區調車作業監控。

4．智能鐵鞋所具備的定位、監測和無線通信功能，便于將智能鐵鞋的監測和管理統一納入到STP系統的維護管理中。

4 結束語

在STP－KA系統研發初期，設計了成對的基于ZigBee模塊的無線平調接口盒，分別連接到車載主機和便攜式平調機控器的外圍接口上，使得車載主機能以無線的方式，實時接收便攜式平調機控器的調車指令，實現了本務機車在中間站調車作業時的十五三車連掛作業的機控功能，為ZigBee模塊在STP系統中的成功應用積累了一定的經驗。基于RSSI測距模型的定位算法與環境變量n和A直接相關，作業站場的障礙物 （如停留車多少）、天氣條件等都會影響無線信號的傳輸；研究的定位算法基于實測的RSSI值，適宜選擇典型的非集中區站場進行試驗，方便在試驗過程中不斷修正、完善定位算法，先期實現非集中區調車作業的監控，為最終實現統一的集中區和非集中區調車作業安全監控，做好充分的技術準備。

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［2］ 中華人民共和國 ．GB／T 7178．1－9－1996鐵路調車作業標準［S］．1996．

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