基于ZigBee的鐵路信號(hào)燈失效無(wú)線預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組網(wǎng)與實(shí)現(xiàn)

戴娜 張興強(qiáng) 侯興強(qiáng)

摘要：筆者主要介紹了如何通過(guò)ZigBee無(wú)線組網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)鐵路信號(hào)機(jī)無(wú)線預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在車站內(nèi)的組網(wǎng)，在該系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到信號(hào)燈使用情況后，能夠及時(shí)的將監(jiān)測(cè)到的信息通過(guò)無(wú)線傳輸?shù)姆绞絺鞯娇刂浦行摹Ｔ撓到y(tǒng)既可以在信號(hào)燈故障后進(jìn)行報(bào)警，又能在燈泡失效前根據(jù)光強(qiáng)的波動(dòng)提前給出報(bào)警提示。這種實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)能提高鐵路信號(hào)設(shè)備檢測(cè)的可靠度，對(duì)保證列車進(jìn)入?yún)^(qū)間安全運(yùn)行有非常重要的意義。

關(guān)鍵詞：ZigBee協(xié)議;無(wú)線組網(wǎng);鐵路信號(hào)機(jī);

Abstract：The author mainly introduces how to network the railway signal wireless early warning and monitoring system in the station through the ZigBee wireless networking technology.After the system monitors the use of signal lights，it can timely transmit the monitored information to the control center through wireless transmission.The system can not only give an alarm after the failure of the signal lamp，but also give an alarm in advance according to the fluctuation of light intensity before the failure of the bulb.This real-time detection system can improve the reliability of the detection of railway signal equipment and is of great significance to ensure the safe operation of trains in the interval.

Key words：ZigBee protocol;Wireless networking;Railway signal;

1. 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和遠(yuǎn)程控制技術(shù)的應(yīng)用日益廣泛，此技術(shù)在鐵路信號(hào)系統(tǒng)中也有極大的使用空間。傳統(tǒng)的鐵路信號(hào)燈系統(tǒng)大多都為有線傳輸系統(tǒng)，但是有線傳輸?shù)男问綄⒄紦?jù)比較多的空間資源，且現(xiàn)場(chǎng)施工受地理環(huán)境、城市規(guī)劃布局等影響因素較大，間接加大了成本耗用量。以ZigBee協(xié)議為基礎(chǔ)的無(wú)線信號(hào)燈控制系統(tǒng)，可有效將信號(hào)燈終端設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行連接，通過(guò)相關(guān)網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議的設(shè)定，有效擺脫有線操控的局限性，一定程度上極大地節(jié)省了電力成本的消耗，且通過(guò)網(wǎng)絡(luò)建構(gòu)信息高效傳輸環(huán)境，可提高信號(hào)燈設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行質(zhì)量。

2. ZigBee概述

ZigBee技術(shù)本質(zhì)上是低功耗低速率的無(wú)線通信技術(shù)，其基于IEEE.802.15.4無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)，使用2.4GHz頻段，擁有低復(fù)雜度和短距離以及低成本等優(yōu)點(diǎn)。

ZigBee的結(jié)構(gòu)有四層，分別為應(yīng)用層（ASP），網(wǎng)絡(luò)層（NWK），物理層（PHY）和MAC層。ZigBee協(xié)議棧的核心部分在網(wǎng)絡(luò)層。網(wǎng)絡(luò)層主要實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)加入或離開(kāi)網(wǎng)絡(luò)、接收或拋棄其他節(jié)點(diǎn)、路由查找及傳送數(shù)據(jù)等功能，支持Cluster-Tree等多種路由算法，支持星形（Star）、樹(shù)形（Cluster-Tree）、網(wǎng)狀（Mesh）等多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。ZigBee的結(jié)構(gòu)分工如圖1。

在設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)的軟件架構(gòu)時(shí)，一般采用分層的思想，不同的層負(fù)責(zé)不同的功能，數(shù)據(jù)只能在相鄰的層之間流動(dòng)。ZigBee協(xié)議也在OSI（Open System Interconnection）七層參考模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，采用分層的思想實(shí)現(xiàn)。ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)各層示意圖如圖2所示。

3.無(wú)線芯片

針對(duì)本無(wú)線預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的特點(diǎn)，需要選擇一個(gè)高性能、低功耗的單片機(jī)作為無(wú)線收發(fā)模塊的芯片。CC2530芯片是最常用的ZigBee無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸芯片，該芯片內(nèi)部集成8051內(nèi)核，因此能直接當(dāng)做單片機(jī)使用，設(shè)計(jì)者可以直接根據(jù)設(shè)計(jì)的需求直接在該芯片上完成各種功能。目前來(lái)說(shuō)，CC2530在ZigBee業(yè)界來(lái)說(shuō)是應(yīng)用最為廣泛、使用效果最好的一種。

4 .ZigBee組網(wǎng)及無(wú)線通信

4.1組網(wǎng)部分

4.1.1車站內(nèi)的信號(hào)機(jī)

鐵路車站由各類車場(chǎng)組成，車場(chǎng)是辦理列車各種作業(yè)的場(chǎng)所，是鐵路車站的重要組成部分。各類車場(chǎng)由辦理同一種作業(yè)的站線聯(lián)結(jié)而成，按作業(yè)內(nèi)容一般可分為：到達(dá)場(chǎng)，出發(fā)場(chǎng)，到發(fā)場(chǎng)，通過(guò)車場(chǎng)，編組場(chǎng)，編發(fā)場(chǎng)，地區(qū)車場(chǎng)，交換車場(chǎng)，客車整備場(chǎng)。每個(gè)不同種類的車場(chǎng)又在不同位置設(shè)置有不同種類的信號(hào)機(jī)如進(jìn)站信號(hào)機(jī)，出站信號(hào)機(jī)，進(jìn)路信號(hào)機(jī)，通過(guò)信號(hào)機(jī)，預(yù)告信號(hào)機(jī)，調(diào)車信號(hào)機(jī)，駝峰信號(hào)機(jī)等。

4.1.2 Mesh拓?fù)?/p>

基于鐵路車站的這種分布結(jié)構(gòu)，因此我們?cè)赯igBee無(wú)線組網(wǎng)時(shí)常常采用網(wǎng)狀（Mesh）拓?fù)洹＞W(wǎng)狀（Mesh）拓?fù)浒粋€(gè)協(xié)調(diào)者（Coordinator）和一系列的路由器（Router）和終端（End Device）節(jié)點(diǎn)。在控制中心安裝一個(gè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)RS485總線與上位機(jī)連接，此節(jié)點(diǎn)作為Mesh拓?fù)涞膮f(xié)調(diào)者（Coordinator）。在車站每個(gè)車場(chǎng)分別設(shè)置節(jié)點(diǎn)作為協(xié)調(diào)器路由器（Router），此節(jié)點(diǎn)與控制中心的協(xié)調(diào)器無(wú)線連接，并且每個(gè)車場(chǎng)的路由器相互無(wú)線連接，互相傳輸數(shù)據(jù)。每個(gè)車場(chǎng)里的每一個(gè)信號(hào)機(jī)上安裝信號(hào)燈失效預(yù)警監(jiān)測(cè)器作為終端（End Device）節(jié)點(diǎn)，每一個(gè)終端節(jié)點(diǎn)與該信號(hào)燈所在車場(chǎng)的路由器無(wú)線連接，以便于將數(shù)據(jù)傳輸給該車場(chǎng)的路由器，進(jìn)而通過(guò)路由器將信息傳送至控制中心。

4.1.3布局優(yōu)勢(shì)

雖然網(wǎng)狀拓?fù)湫问胶蜆?shù)形拓?fù)湎嗤蔷W(wǎng)狀拓?fù)渚哂懈屿`活的信息路由規(guī)則，在可能的情況下，路由節(jié)點(diǎn)之間可以直接的通訊。這種路由機(jī)制使得信息的通訊變得更有效率，而且意味這一旦一個(gè)路由路徑出現(xiàn)了問(wèn)題，信息可以自動(dòng)的沿著其他的路由路徑進(jìn)行傳輸。也就是說(shuō)即使某個(gè)車場(chǎng)的路由器出現(xiàn)了故障，信號(hào)機(jī)上的終端節(jié)點(diǎn)發(fā)出的信息也可以通過(guò)其他車場(chǎng)的路由器傳輸?shù)娇刂浦行模@樣的布局有效的保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。并且所有的信息傳送均是無(wú)線傳輸，既節(jié)省了人工成本又節(jié)省了線路成本。

4.2無(wú)線數(shù)據(jù)通信

通過(guò)ZigBee協(xié)議實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)通信一般有三個(gè)步驟。第一步是組網(wǎng)，調(diào)用協(xié)議棧的組網(wǎng)函數(shù)、加入網(wǎng)絡(luò)函數(shù)，以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的建立與節(jié)點(diǎn)的加入。第二步是發(fā)送：發(fā)送節(jié)點(diǎn)調(diào)用協(xié)議棧的無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)，實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)送。第三步是接收：接收節(jié)點(diǎn)調(diào)用協(xié)議棧的無(wú)線數(shù)據(jù)接收函數(shù)，實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)接收。其網(wǎng)絡(luò)初始化流程及入網(wǎng)流程如圖4。

5.結(jié)論

本文利用ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)在鐵路信號(hào)燈無(wú)線預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組網(wǎng)，可有效將鐵路信號(hào)燈監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行連接，通過(guò)相關(guān)網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議的設(shè)定，有效地?cái)[脫信號(hào)燈監(jiān)測(cè)有線操控的局限性。該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)只需要通過(guò)主控制器設(shè)備的ZigBee模塊與協(xié)議之間的對(duì)接，便可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的監(jiān)測(cè)，在一定程度上也節(jié)省了搭建線路的成本，且通過(guò)網(wǎng)絡(luò)建構(gòu)信息高效傳輸環(huán)境，能夠極大的提高監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性與準(zhǔn)確性。

通過(guò)ZigBee組網(wǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)鐵路信號(hào)燈的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，組網(wǎng)快捷方便，保證了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)內(nèi)信息傳輸?shù)馁|(zhì)量，減少了搭建線路的麻煩，達(dá)到了空間布局的極大優(yōu)化，進(jìn)一步提高了鐵路信號(hào)燈使用狀況監(jiān)測(cè)的便利性和精準(zhǔn)性。

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作者信息：

戴娜（1999-），女，山東濟(jì)寧人，本科，專業(yè)：軌道交通信號(hào)與控制

侯興強(qiáng)（1998-），男，山東聊城人，本科，專業(yè)：軌道交通信號(hào)與控制指導(dǎo)老師：張興強(qiáng)，副教授。

基金項(xiàng)目：2019年省級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目《鐵路信號(hào)燈失效無(wú)線預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)》（項(xiàng)目編號(hào)：S201910452066）

臨沂大學(xué)