基于ZigBee和GSM技術的通信鐵塔安全監測系統研究

孫啟民 羅 鑫 任 雷

(北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100073)

?

基于ZigBee和GSM技術的通信鐵塔安全監測系統研究

孫啟民 羅 鑫 任 雷

(北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100073)

摘要：在通信鐵塔安全監測系統中使用基于ZigBee技術的采集傳感器和ZigBee+GSM技術的前端監測單元可大大減小施工難度，并減少對鐵路通信資源的占用。該技術也可應用到其他軌旁監測業務和電力鐵塔監測業務。

關鍵詞：ZigBee協調器；ZigBee終端；監測單元

Abstract:In the communication tower safety monitoring system, the acquisition sensor based on ZigBee technology and front monitoring unit based on ZigBee+GSM technologies can greatly decrease the construction dif fi culty and reduce railway communication resources. Zigbee technology can also be applied to other trackside monitoring services and power tower monitoring services.

Keywords:ZigBee coordinator; ZigBee terminal; monitoring unit

近年來，隨著中國鐵路客運專線的大規模建設，GSM-R網絡的規模也在日益擴大，通信基站鐵塔和直放站鐵塔的數量隨之在不斷增加。截止2013年底，粗略估計全路的通信鐵塔（以下簡稱“鐵塔”）數量已接近1萬架。根據國家《中長期鐵路網規劃（2008年調整）》的發展目標要求，今后幾年客運專線的規模還將繼續擴大，鐵塔的數量也將繼續增加。

數量巨大的鐵塔如果僅靠傳統的人工定期巡檢方式來進行日常維護的話，很難及時發現存在的安全隱患。一旦發生倒塔或者因塔基沉降、傾斜等造成通信故障，都將影響列車的正常運行，嚴重的話還將對鐵路以及旅客的人身安全造成威脅。另外，目前很多鐵塔所在的環境比較惡劣，給人工巡檢帶來很大的不便和危險。因此，鐵塔安全監測系統的上線是大勢所趨，它能及時發現鐵塔存在的安全隱患，保障鐵路的安全運營。

1　鐵塔安全監測系統結構設計

《鐵路通信鐵塔監測系統暫行技術條件》[1]規定鐵塔安全監測系統由監測中心、監測站及通信通道組成。監測中心由業務處理單元、數據存儲單元、監測終端及通信單元組成；監測站由監測單元、采集傳感單元、通信單元、本地管理終端和視頻處理單元組成，其中視頻處理單元只在使用有線方式組網時選配；通信通道根據現場需要可使用鐵路數據網、MSTP、GSM-R無線網及GSM無線網等多種方式，本文描述的鐵塔安全監測系統選用GSM短消息通信方式組網。

1.1硬件結構

鐵塔安全監測系統硬件結構如圖1所示。

監測站側的本地管理終端用于現場開通時配置所在監控站需要啟用的監測量、安裝的傳感器及通信參數等相關信息，并可用于現場巡檢時查看鐵塔的實時狀態及歷史告警信息。本地管理終端不屬于固定配置范疇，用戶使用自帶筆記本通過網口接入監測單元即可。

采集傳感單元和監測單元通過內置的ZigBee模塊進行星型或樹型組網通信。采集傳感單元層的各類傳感儀是在通用傳感器基礎上外接ZigBee終端模塊組裝而成，ZigBee終端模塊提供串口或模擬IO口與傳感器通信，并通過天線與ZigBee協調器進行信息交互；監測單元提供ZigBee協調器模塊，ZigBee協調器模塊與監測單元的業務處理模塊通過串口通信，并通過延長到通信站房外的天線與ZigBee終端進行信息交互。

1.2軟件結構

鐵塔安全監測系統軟件結構如圖2所示。

監測中心業務處理子系統負責實現配置告警、告警管理、性能管理及安全管理等功能，采用B/S結構實現。監測中心業務處理子系統控制GSM短消息模塊與監測單元業務處理子系統進行信息交互，實現鐵塔狀態信息采集、告警信息采集等功能。

監測中心數據存儲子系統和監測單元數據存儲子系統均通過MySql數據庫實現，通過索引、分區表、存儲過程等方式提高數據讀寫效率，保證系統的處理性能。

監測單元業務處理子系統負責實現數據采集、告警識別、告警上報、數據存儲等功能，能夠控制GSM短消息模塊與監測中心業務處理子系統進行信息交互，并能通過通信協議轉換子系統實現與傳感層的交互。

監測單元的本地管理子系統負責實現監測站本地的數據配置、鐵塔狀態信息查看及告警信息查看等功能，采用B/S結構實現。

監測單元的通信協議轉換子系統和采集傳感層的通信協議轉換控制子系統負責實現ZigBee通信信息的交互。監測單元側通信協議轉換子系統接收監測單元業務處理子系統的數據查詢請求，將請求信息封裝處理后通過ZigBee網絡下發到采集傳感層的通信協議轉換控制子系統；采集傳感層的通信協議轉換控制子系統收到查詢請求后進行消息識別，若滿足本地處理請求，則查詢傳感器的實時信息，并將查詢結果按設定格式返回給監測單元側通信協議轉換子系統；監測單元側通信協議轉換子系統收到查詢結果信息并做相應處理后，將數據返回給監測單元業務處理子系統。

采集傳感層的通信協議轉換控制子系統，同時負責傳感器的供電控制，在節電模式下定時切斷傳感器的供電輸入，并在收到監測單元的查詢請求后重新為傳感器供電。

采集傳感層的數據采集子系統主要負責鐵塔實時狀態信息的采集，由傳感器自帶的處理模塊實現。

2　ZigBee及GSM技術簡介

2.1ZigBee技術簡介

1) ZigBee技術特點

ZigBee技術是一種短距離、低功耗的無線通信技術，其主要特點如下[2]。

超低功耗：由于ZigBee技術傳輸速率低、傳輸數據量很小、內存使用量少，因此，信號的收發時間很短。ZigBee節點可以在大部分時間內處于睡眠狀態,所以ZigBee節點非常省電。

網絡容量大：一個ZigBee的網絡最多包括255 個ZigBee網絡節點，其中一個是主控設備，其余則是從屬設備。若是通過網絡協調器，整個網絡最多可以支持超過65 000個ZigBee網絡節點。

時延短：ZigBee的響應速度較快，從睡眠狀態轉入工作狀態只需15 ms，節點連接進入網絡只需要30 ms，既節約能源，又縮短了時間。相對而言，Bluetooth需要3～10 s，WiFi需要3 s。

安全性：ZigBee提供了數據完整性檢查和鑒權功能，在數據傳輸中提供了三級安全性。ZigBee加密算法采用AES-128用來保護數據凈荷和防止攻擊者冒充合法器件，同時各個應用可以靈活設定其安全性。

2) ZigBee設備分類

ZigBee網絡中的設備，按功能可分為全功能設備（FFD）和簡化功能設備（RFD）；按設備在網絡中承擔的任務可分為協調器（Coordinator）、路由器（Router）和終端設備(End Device）。

ZigBee協調器是啟動和配置網絡的一種設備。協調器可以保持間接尋址用的綁定表格，支持關聯，同時還能設計信任中心和執行其他活動。協調器負責網絡正常工作以及保持同網絡其他設備的通信。一個ZigBee網絡只允許有一個ZigBee協調器，ZigBee協調器是FFD設備。

ZigBee路由器是一種支持關聯的設備，能夠將消息發到其他設備。ZigBee網狀網絡或樹型網絡可以有多個ZigBee路由器，ZigBee路由器也是FFD設備。

ZigBee終端設備可以執行它的相關功能，并使用ZigBee網絡到達其他需要與之通信的設備，它的存儲器容量要求最少，可以用于ZigBee低功耗設計。ZigBee終端設備可以是FFD設備，也可以是RFD設備。

3) ZigBee網絡結構

ZigBee技術具有強大的組網能力，可以形成星型、樹型和網狀網。

星型拓撲是最簡單的一種拓撲形式，它包含一個Coordinator節點和一系列的End Device節點。每一個End Device節點只能和Coordinator節點進行通訊。如果需要在兩個End Device節點之間進行通訊，必須通過Coordinator節點進行信息轉發。星型網絡拓撲結構如圖3所示。

樹型拓撲包括一個Coordinator以及一系列的Router和End Device節點。Coordinator連接一系列的Router和End Device,其子節點的Router可連接一系列的Router和End Device，這樣可以重復多個層級。樹型網絡拓撲結構如圖4所示。

網狀拓撲包含一個Coordinator和一系列的Router和End Device。其形式和樹型拓撲相同，但具有更靈活的信息路由規則，路由節點之間可直接通訊。這種路由機制使得信息的通訊變得更有效率，且意味著一旦某個路由路徑出現問題，信息可以自動的沿著其他路由路徑進行傳輸。網狀網絡拓撲結構如圖5所示。

2.2GSM技術簡介

GSM是全球移動通信系統的簡稱，其空中接口采用時分多址技術。GSM系統具有網絡容量大、頻譜效率高、接口開放、安全性高等特點。

GSM系統提供的業務分為4類[3]：電信業務、承載業務、補充業務和智能網業務。電信業務和承載業務屬于基本通信業務，補充業務是基本通信業務的補充，而智能網業務是在電信業務和承載業務基礎上實現的增值業務。其中短消息業務屬于電信業務的一種。

3　ZigBee和GSM技術在鐵塔安全監測系統中的優勢

傳統的鐵路監測業務主要通過監測線纜將傳感器接入現場監測儀、現場監測儀再通過數據網或傳輸網匯總到監測中心的有線組網方式實現，這種組網方式施工相對復雜且會占用大量的網絡資源。和傳統的監測組網方式相比，使用ZigBee和GSM技術組網具有以下優勢。

1) 節約鐵路網絡資源

鐵塔狀態變化是一個漸進的過程，因此鐵塔監測系統對數據的實時性要求可適當降低，從而為GSM短消息技術的使用提供可能。

通過GSM短消息技術實現鐵塔監測單元和監測中心的交互，完成數據查詢、告警上報等業務操作，減少對鐵路有限的網絡資源占用，同時也保證了那些無法提供有線通信網絡條件的監測點順利接入監測網。

2) 提高監測單元利用率，降低建設成本

鐵塔安全監測系統需要監測鐵路沿線的基站鐵塔和直放站鐵塔，如果為每個鐵塔都安裝監測單元，將增加鐵路建設成本。同時，每個鐵塔的業務監測量較少，監測單元的利用率不高。

根據現場鐵塔分布情況，可通過ZigBee樹型或星型拓撲技術將直放站鐵塔的監測傳感器接入到所屬信號源基站鐵塔的監測單元中，提高監測單元的利用率，從而降低建設成本。

3) 提高施工效率，提升系統健壯性

監測單元與監測傳感器通過ZigBee組網通信，每個傳感器可獨立安裝，且不用安裝監測傳感器與監測單元通信的監測線纜，大大降低安裝復雜度，減少安裝工作量，從而節約人力成本。另外，每個傳感器可根據現場的實際情況選擇最方便的位置進行安裝，提高安裝靈活度，也提高了施工效率。

由于采用無線組網，不會發生因監測線纜故障影響正常的監測業務，可明顯提升系統的健壯性。

4) 更高的可擴展性及可維護性

監測單元與監測傳感器通過ZigBee組網通信，方便新加監測傳感器的接入；監測單元與監測中心通過GSM短消息通信，方便新加監測單元的接入。通過ZigBee+GSM技術實現前端監測站的組網接入，大大提高鐵塔監測系統的可擴展性。

同時，各監測傳感器和監測單元以獨立模塊的方式運行，單個傳感器或監測單元故障不會影響其他模塊的使用，進行維護時也只需修改或替換單一模塊，保證系統的可維護性。

4　系統關鍵技術

4.1監測站側供電

鐵塔安全監測系統為每個鐵塔安裝的監測傳感器配置統一的配電控制器進行供電，配電控制器支持AC 220 V和DC 48 V輸入，輸出為DC 12 V。如果現場允許接入鐵路綜合視頻監控系統的配電箱，則通過綜合視頻配電箱給鐵塔監測系統的配電控制器供電；否則，通過太陽能蓄電池為配電控制器供電。

監測單元一般部署在通信基站的站房，可直接使用站房內的電源供電。若監測站側無法為監測單元提供外電輸入，系統也支持使用太陽能蓄電池為監測單元供電。

4.2節電模式控制

當使用太陽能蓄電池供電時，為了降低監測傳感器功耗，系統將采用節電模式控制傳感器的供電。

節電模式下，監測單元的采樣周期將調整至分鐘級，采集傳感層在閑置模式下會自動定時切斷傳感器的供電，并在收到監測單元的查詢指令后重新為傳感器上電。

4.3鐵塔狀態趨勢分析

鐵塔的傾斜及沉降是一個漸變的過程，當傾斜或沉降達到一定程度時，就有發生倒塔的可能，因此系統提供關鍵參數的趨勢分析功能。

趨勢分析結果以曲線圖形式呈現，結果中包含設定時間段內按分析周期獲取的最大值、最小值和平均值。曲線圖中同時繪制設定的安全門限水位線，可直觀顯示鐵塔狀態參數值是否超過安全水位線，若有超過安全水位線的，將直觀的給出提示。

5　結束語

鐵塔安全監測系統提升了鐵路通信鐵塔巡檢工作的效率，可及時發現鐵塔的安全隱患，避免因倒塔影響行車或造成人員及財產損失。ZigBee+GSM技術的使用，顯著提升鐵塔安全監測系統的效率，該技術值得在鐵路其他軌旁監測業務中推廣。基于ZigBee+GSM技術的鐵塔安全監測系統更適合推廣到輸電領域，可解決電力塔側的通信及供電困難問題。

參考文獻

[1]鐵運[2012]276號 鐵路通信鐵塔監測系統暫行技術條件[S].

[2]路婷婷.基于ZigBee技術的在線監測系統的研究[D].北京：北京交通大學，2011.

[3]韓斌杰，張建斌.GSM原理及其網絡優化[M].北京：機械工業出版社，2009.

(收稿日期：2015-03-19）

DOI:10.3969/j.issn.1673-4440.2016.01.009