基于ZigBee-GPRS技術的城市軌道交通列車關鍵設備監測系統

劉永樂于 毅趙 慧曲 昕(.中國聯合網絡通信有限公司大連市分公司,608,大連; .大連交通大學電氣信息學院,608,大連∥第一作者,碩士)

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基于ZigBee-GPRS技術的城市軌道交通列車關鍵設備監測系統

劉永樂1于 毅2趙 慧2曲 昕2
(1.中國聯合網絡通信有限公司大連市分公司,116018,大連; 2.大連交通大學電氣信息學院,116028,大連∥第一作者,碩士)

摘 要在對關鍵設備的監測中,目前運營單位普遍采用串行通信技術(如RS 232、RS 485等)作為主要的數據傳輸手段。如果被監測設備離監測中心較遠,則需要花費大量的人力物力鋪設電纜、光纜及配套設施;并且由于通信距離長,一旦鏈路出現故障,難以在短時間內準確定位。國內一些科研院所及行業領軍企業相繼提出基于ZigBee-GPRS(低功耗局域網協議-通用分組無線服務)模型的數據通信方式,并在農業微灌、油井監測、電力設備監測等系統得到成功應用。結合GPRS網絡技術和ZigBee傳感器網絡技術的優勢,以嵌入式Linux系統為平臺,提出一種適用于城市軌道交通列車關鍵設備監測的復合型ZigBee-GPRS系統模型。與紅外、藍牙等技術相比,節約能耗,傳輸距離遠;與傳統有線傳輸方式相比鋪設成本低。

關鍵詞城市軌道交通列車;低功耗局域網協議;通用分組無線服務技術;設備監測

First-author′s address China Unicom Dalian Branch, 116018,Dalian,China

城市軌道交通(以下簡稱“城軌”)主要設施和列車關鍵設備的運行狀態直接關系到乘客的出行安全,對其進行監測是保證安全的有效解決方法之一。例如,使用電力載波通信技術實現對道岔轉轍機工作電壓在線監測;使用地面紅外探測系統實現對機車軸溫實時監測[1-2]。但是,現有監測技術中的串行通信技術因其價格昂貴、布線復雜、難以維護等原因,難以在城軌列車中大規模使用。

ZigBee(低功耗局域網協議)技術[3]是一種新興的無線通信技術,與藍牙、紅外等無線通信技術相比,低功耗、低成本,更能夠滿足低能高效的要求。然而,ZigBee技術是短距離無線通信技術,需要結合可靠性高、傳輸速率適當的遠距離通信手段以滿足要求。通用分組無線服務[4](General Packet Radio Service,簡為GPRS)技術在原有的全球移動通信系統(GSM)網絡基礎上添加服務GPRS支持節點(SGSN)、網關GPRS支持節點(GGSN)等網關實體,并對軟硬件進行更新,提供中速的無線數據傳輸服務。采用的分組交換數據傳輸方式實現永久在線、按流量計費等功能,提供了一個良好的遠距離無線傳輸平臺。

ZigBee傳感器網絡技術與GPRS結合,用于城軌列車關鍵設備監測,節約能耗、傳輸距離遠、成本低,能實現遠端監控中心對城軌列車關鍵設備運行狀態的實時監測。

1　系統總體結構

因列車總體分布狀況呈線性,ZigBee網絡應以線性方式組網、多跳方式傳輸。節點監測裝置安裝在列車上,考慮列車總長度較短,讓每個傳感器節點都作為子節點直接接入網絡與匯聚節點通信,能夠簡化網絡復雜程度,避免多跳傳輸帶來的通信問題。匯聚節點將數據收集后通過串口通信方式傳輸到網關處理模塊,進而通過GPRS撥號上網的方式,與遠端監控中心建立連接,將現場數據傳回。監控中心的上位機可通過組態軟件等手段設計出可視化監控界面,對列車信息進行更加直觀的監測[5]。系統總體結構如圖1所示。

圖1　系統總體結構圖

2　系統組成設計

2.1數據融合處理

在城軌列車設備監測中,需要將監測的數據以數字量的形式傳送給處理器。CPU(中央處理器)在計算和處理后,將結果以數字量的形式輸出,或者轉換為控制量反饋給設備,或者進行數據存儲轉發。因此,在處理器和傳感器之間,必須設置信息傳遞和變換連接通道,按性質監測信息分為模擬量和數字量[6]。

針對模擬量,把監測的模擬信號,如電壓、電流、轉速、溫度、流量、壓力等,轉換為相應的數字量,并輸入CPU。對于非電物理量,還需經相應的傳感器和變送器,把它換為統一的電信號,然后進行模/數(A/D)轉換。

針對數字量,輸入一般按組進行,每組輸入數字量的位數和CPU字長相等。來自被測對象的數字量經過信號調理電路調整后,再經I/O(輸入/輸出)接口或帶有三態控制的數據鎖存緩沖器與CPU數據總線相連。

2.2數據采集節點

數據采集節點使用JENNIC公司的JN 5148-001[7]模塊。該模塊是針對ZigBee網絡協議而開發的一款超低功耗、高能效的無線微控制器。發送數據時工作電流為18 m A,接收數據時為15 m A。32位精簡指令集計算機(RISC)處理器通過可變長指令集,提供高效編碼率,并擁有多級的命令管道和低功率的可編程時鐘速率。它包含基于IEEE 802. 15.4標準的2.4 GHz無線收發器、128 k B的只讀存儲器(ROM)和隨機存取存儲器(RAM),以及豐富的模擬、數字外部設備。大容量存儲器引腳允許設備同時運行在ZigBee網絡協議棧和嵌入式應用程序或協處理器模式。

2.3GPRS模塊

GPRS模塊選用華為公司GTM 900模塊,其應用較為廣泛,能夠實現GSM網絡下的各種無線傳輸業務,價格合理、性能可靠,且便于升級。模塊主要由GSM射頻模塊、GSM基帶處理器、供電模塊、天線接口等組成。其中基帶處理器作為核心部件,主要處理GSM終端內的語音/數據信號,并涵蓋蜂窩射頻設備中的模擬數字功能。工作頻段為EGSM 900/GSM 1 800雙頻;最大發射功率為EGSM 900 Class4(2W)、GSM 1 800 Class1(1W);接收靈敏度＜-106 d Bm;工作溫度為-20℃～+ 70℃;電源電壓為3.4～4.7 V;平均待機電流為3.5 m A(非連續接收DRX=5);關機漏電流為50 μA;協議為支持GSM/GPRS Phase2/2+;AT(調制解調器命令語言)命令為GSM標準AT命令。

2.4ZigBee-GPRS網關設計

ZigBee-GPRS網關實現功能分為兩個方面:首先,將無線傳感器網絡采集的監測數據按設定速度通過串口通信方式接收到FIFO(先入先出)緩沖區。為方便調試,系統測試過程中將JN 5148串口引腳做成了USB(通用串行總線)接口,再連接到OK 6410開發板;然后,嵌入式處理器通過串口向GPRS模塊發送特定的AT命令,從而將監測數據發送到遠端監控的中心。

嵌入式網關選用三星公司基于ARM 11架構的S3C 6410芯片作為微處理器,并與GTM 900模塊共同實現數據轉發功能。ZigBee節點、S3C6410微處理器和GPRS模塊之間均采用RS 232串口標準通信。S3C6410是一個16/32位RISC微處理器,為2.5 G和3 G通信服務提供優化的H/W(變速/帶寬)性能,S3C6410采用了64/32位內部總線架構。內部總線結構由高級可擴展接口(AXI)、先進高性能(AHB)和高級外設(APB)總線組成,還包括許多強大的硬件加速器,例如視頻處理、音頻處理、二維圖形、顯示操作和縮放等。

3　系統構建

3.1硬件構建

Zigbee無線傳感器網絡節點、GPRS通信模塊與S3C6410嵌入式處理器間均采用通用異步傳輸器(UART)串口方式通信,接收數據引腳(RXD)與發送數據引腳(TXD)直接相連。一方面CPU讀取節點JN 5148傳輸的監測數據,另一方面通過向GPRS模塊發送AT命令控制GTM 900通信模塊進行數據轉發。因為GPRS網絡的數據傳輸速率遠大于節點采集的數據總量,因此并沒有數據緩存問題。JN 5148部分電路原理圖與GPRS部分電路原理圖分別見圖2和圖3。

3.2軟件系統構建

嵌入式網關選擇在Initramfs系統下運行,上位機開發環境選擇使用WMWARE虛擬機,可以有效地節省資源,運行Red Hat Enterprise Linux紅帽企業版操作系統。嵌入式硬件平臺選用OK 6410開發板作為試驗平臺,上位機交叉編譯開發工具鏈使用arm-linux-gcc-4.5.1-v6-vfp。

圖2　JN 5148部分電路原理圖

系統內核部分采用Linux 2.6.36版本、Tilera處理器架構支持、新的文件通知接口Fanotify; Intel顯卡上實現密鑰管理服務(KMS)和Linux內核調試器(KDB)整合,并行管理工作隊列;Intel i 3/5平臺上內置顯卡和CPU的智能電源管理;通用網絡文件系統(CIFS)本地緩存,改善虛擬內存的層級結構,提升桌面操作響應速度,改善虛擬內存溢出終結器的算法,整合App Armor安全模型。

4　系統測試

首先在PC(個人計算機)機上建立一個傳輸控制協議(TCP)服務器,如圖4所示。在GPRS模塊撥號過程中需要提供TCP服務器的IP(網絡之間互連的協議)地址,如果TCP服務器所在的PC機存在于一個內網中(通過路由器再次分配地址),則需要在路由器設置頁面的虛擬服務器處,將隔離區(DMZ)主機IP換為本機地址,如圖5所示。其目的是將所有針對廣域網服務端口段范圍的訪問重新定位給通過IP地址指定的局域網網絡服務器。

對方IP為“117.136.5.199”,發送數據1234@到TCP對端。Zigbee父節點在設備初始化后就自動地建立網絡,并允許子節點加入網絡,如圖6所示。

圖3　GPRS部分電路原理圖

圖4　TCP測試服務器

圖5　TCP服務器測試成功

5　結語

本文將低功耗、低成本的ZigBee技術與穩定、可靠的GPRS技術相結合,以Linux為系統平臺,為城軌列車提供無線傳感器網絡遠程傳輸平臺。通過Zigbee組網和GPRS數據轉發的測試,基本上實現了監測系統的主要功能,可以根據實際監測環境更換不同種類的傳感器以滿足相應的城軌設備監測要求,達到預期效果。

圖6　終端節點加入網絡

參考文獻

[1] 胡志雄.道岔轉轍機電動機在線監測通信方案的設計與實現[D].成都:西南交通大學,2011.

[2] 哈爾濱威克科技股份有限公司.HTK-499型紅外線軸溫探測系統[R].哈爾濱:哈爾濱威克科技股份有限公司,2006.

[3] 蔣挺,趙成林.紫蜂技術及其應用[M].北京:北京郵電大學出版社,2006.

[4] 文志成.GPRS網絡技術[M].北京:電子工業出版,2005.

[5] 楊璽著.面向實時監測的無線傳感器網絡[M].北京:人民郵電出版社,2010.

[6] 陶艷.列車網絡控制技術原理與應用[M].北京:中國電力出版社,2010.

Key Equipment Monitoring System in Rail Transit Train Based on ZigBee-GPRS Technology

Liu Yongle,Yu Yi,Zhao Hui,Qu Xin

AbstractIn key equipment monitoring system,serial communication technique(such as RS232,RS485 etc.)is commonly used as the main means of data transmission.If the monitored equipment is far away from the monitoring center,a lot of manpower must be spent on laying cables and supporting facilities.Besides,any link fault happens in the long distance communication,it will be difficult to detect the accurate position in a short time.Some domestic research institutes and leading industries in China have proposed data communication system based on ZigBee-GPRS model,which has been successfully applied in agricultural micro irrigation,oil well monitoring and power equipment monitoring system.By way of combining the advantages of both Studying on GPRS network technology and ZigBee sensor network with Linux system as the platform,a composite Zig Bee-GPRS system suitable for monitoring the key equipment of rail transit train is proposed.Compared with the infrared and bluetooth technologies,this system could save energy,increase the transmission distance and reduce the laying costs compared with the traditional wired transmission mode.

Key wordsurban rail transit train;ZigBee;general packet radio service(GPRS);equipment monitoring

(收稿日期:2014-04-06)

DOI:10.16037/j.1007-869x.2016.02.026

中圖分類號U 285.4+4