ZigBee無線通信技術在公路隧道環境下的應用

夏光亮

(廣西交科集團有限公司,廣西 南寧 530007)

0 引言

隨著“交通強國”建設的不斷展開和加速進行,我國公路建設成績斐然,公路建設中造價高、施工難度大的隧道數量也有較大的增長。根據交通運輸部的統計數據,截至2021年末,全國公路隧道共有23 268處,2 469.89萬延米,較2020年增加1 952處、269.96萬延米[1]。

保障隧道正常運行的機電設備種類較多,傳統隧道機電設備通信是使用有線通信的方法,可以較好地完成通信任務。然而,隧道內的布線管廊空間有限,線纜布設復雜,施工成本高,且由于長距離走線、導線內阻以及寄生電容增大,易使信號的完整性受影響,也容易受電磁干擾影響通信準確性,甚至遭感應雷擊導致設備損壞。使用物聯網無線通信可減少布線,降低成本,但是由于隧道的長度、隧道內機電設備干擾、隧道壁的反射等原因,造成信號衰減問題嚴重,一般只能進行短距離的通信。針對這些問題,本文設計實現了一套基于ZigBee無線通信技術進行Mesh組網的通信系統。與傳統的有線傳輸方法相比,本文提出的方法可以有效地減少布線成本;與現有的隧道無線通信系統相比,本文提出的組網可以通過ZigBee節點進行穩定的遠距離接力通信。試驗和實際應用表明,本文提出的方法可以有效解決隧道內的通信問題,為隧道設備穩定通信提供一種可行的方法。

1 物聯網無線組網

1.1 電磁波在隧道中的傳輸特點

隧道是一個電磁噪聲較多、無線電背景較復雜的半封閉空間,隧道壁由鋼筋、混凝土、土石等構成,可達上千米,彎道直道交錯,因此無線信號在隧道內的傳輸與在開闊空間的傳輸有很大不同。隧道中無線信號傳輸的不利因素有:

(1)電磁波在限定空間內經反射繞射,經過多個不同路徑達到接收機,這些經過反射的信號振幅、相位、極化不同,在接收設備處疊加后導致天線接收信號波形異常,嚴重影響信號質量,降低通信距離。隧道內電磁波多徑衰減比空曠陸地嚴重,其中快衰落深度可達30～40 dB[2]。

(2)受隧道內彎道影響,彎曲隧道結構對無線信號產生嚴重的遮擋和衰減,彎道半徑越小衰減越嚴重[3]。

(3)隧道內機電系統較多,其產生的電磁輻射對無線信號產生干擾,導致信號信噪比低,影響系統穩定性。

在確定隧道機電設備無線通信方式時,必須考慮規避這些不良因素。

1.2 ZigBee的組網原理與網絡結構

ZigBee具有低成本、低功耗、傳輸距離遠等優點,其網絡節點分為PAN協調器節點、路由器節點、終端節點三種,功能簡介如下:

PAN協調器節點:網絡核心節點,負責發起組建、維護和管理網絡,匯聚各個節點的信息并通過如以太網等通信方式與上位機進行數據傳遞。ZigBee網絡組網必須由協調器發起,協調器在ZigBee網絡中是唯一的。

路由器節點:該節點可與協調器節點、其他路由器節點、終端節點連接,可對數據包進行轉發,并進行路徑尋找和維護,可以為其他節點(協調器、路由器、終端)間數據通信進行接力。

終端節點:節點是網絡中的底層節點,可以連接到協調器節點和路由器節點,與其他終端節點是無法連接的。

由上述三種節點組成的ZigBee網絡結構有三種:如下頁圖1所示的星狀網絡、樹狀網絡、Mesh網絡(網狀網絡)。

圖1 三種ZigBee網絡結構拓撲圖

從圖1可知三種網絡的特點如下:

星型網絡,該拓撲節點之間通信必須通過協調器,考慮到ZigBee通信距離有限,隧道長度長短不一,這種拓撲不適合在隧道環境應用。

樹型網絡里協調器和路由器都可連接多個子節點,可以滿足隧道內信息接力傳遞的需求,但樹型網絡的路由器節點只能連接到一個父節點,如父節點掉線則該父節點下面的所有節點都會掉線。

Mesh網絡則擁有強大的路徑查找能力,通過“多級跳”的方式,可以實現各個節點之間的數據交互。網絡具有自組網、自愈功能。當某一個路由節點掉線后,原本與其連接的節點可以通過別的路由器節點進行通信。

綜上,本文設計的系統采用ZigBee的Mesh組網方式,既可以通過接力彌補電磁波在隧道內傳輸距離變短的問題,也避免了因隧道內臨時斷電導致部分設備掉線產生的接力鏈路中斷問題。

2 ZigBee在隧道除濕系統中的應用

2.1 場景選擇

隧道內眾多機電設備的控制箱、配電箱,需運行在適宜的濕度環境下,所以這些箱體內部需除濕終端進行除濕。各除濕終端在隧道內分布安裝的特點與ZigBee的Mesh網絡可接力傳遞數據的特點契合,故在隧道智能除濕系統中應用并驗證了ZigBee技術。

2.2 系統架構設計

隧道智能除濕系統由智慧運維平臺、ZigBee集中控制終端、智能除濕終端、網絡中繼器構成。

如圖2所示,系統采用了ZigBee的Mesh結構,除濕終端和中繼器配置為路由器節點,集中控制終端配置為協調器節點。集中控制終端通過ZigBee網絡獲取除濕終端當前溫度濕度以及除濕模式等狀態信息并通過以太網回傳給運營中心的智慧運維平臺,智慧運維平臺根據預設定的方案把控制指令發到集中控制終端,再轉發到相應除濕終端。

圖2 隧道除濕系統框圖

2.3 智慧運維平臺簡介

智慧運維平臺部署在高速公路運營中心,包括服務器系統、監控軟件、數據庫系統等,主要實現除濕終端管理、狀態報警、信息記錄、控制策略下發、遠程升級等功能。

2.4 ZigBee集中控制終端設計

集中控制終端安放在隧道機房,作為ZigBee網絡的協調器。其將獲取的除濕終端信息發給智慧運維平臺,接收智慧運維平臺下發的命令并轉發給除濕終端,同時實現本地查詢除濕終端信息、更新控制策略、升級除濕終端固件等功能。

控制終端通過ZigBee模塊與除濕終端通信。設備可通過有線以太網和后臺通信,也可通過4G模塊和后臺通信。設備配備觸摸屏,提供人機交互界面,可在現場讀取除濕終端狀態,控制除濕終端。如圖3所示。

圖3 集中控制終端框圖

2.5 除濕終端設計

除濕終端的設計除濕功率為50 W,安裝在隧道內的設備控制柜或者供電開關柜內。該終端在ZigBee網絡是路由器節點角色,從外部溫濕度傳感器采集環境的溫度、濕度數據,根據程序預設的策略控制半導體制冷片制冷,空氣中的熱濕空氣遇到與制冷片連接的散熱片后水分冷凝,從而達到降低空氣濕度的效果。選用的ZigBee模塊無線最大發射功率為27 dBm,接收靈敏度為-99 dBm。在室外天氣條件晴朗的空曠地帶,通信距離最大可達2 000 m。如圖4所示。

圖4 除濕終端框圖

2.6 中繼器設計

中繼器在隧道除濕ZigBee網絡中的角色也是路由器節點,其放置在距離較遠的兩個除濕終端之間,起信號中繼作用。中繼器通過ZigBee模塊和隧道內的其他ZigBee設備連接獲取除濕終端的信息,然后通過光纖網絡將數據傳給集中控制終端,集中控制終端也可通過中繼器發送控制指令或者升級包給除濕終端。

2.7 除濕終端及中繼器安裝

除濕終端的安裝位置和隧道的特征與信號的衰減有直接關系[3-4],因此將除濕終端以及中繼器的天線從設備箱中引出并固定在隧道壁2 m左右的高度。在除濕終端安裝完成并進行了通信能力的測試后,驗證隧道直道與隧道彎道的安裝位置,如圖5所示。為了表示本文設計的系統在實際隧道中的應用情況,選取了隧道直道和彎道作為測試對比。測試傳輸波特率為9 600 bps,選用天線增益5 dBi,駐波比≤1.5。隧道直道測試結果如表1所示,隧道彎道處測試結果如表2所示。

表1 隧道直道ZigBee連接距離測試結果表

表2 隧道彎道ZigBee連接距離測試結果表

圖5 除濕機及中繼器安裝示意圖

測試結果表明,在直道中,終端信號衰減較慢,在400 m以內可以保證穩定的通信;在彎道中,終端信號衰減嚴重,只能保證250 m以內的穩定通信。因此,在實際終端布設中,為了保證ZigBee網絡的穩定性,隧道直道的終端間隔建議為400 m,彎道布設間隔建議為250 m,超過這個間隔需要加裝中繼器。

3 實際應用效果

本文設計的基于ZigBee無線組網技術的隧道智能除濕系統目前已經應用于廣西都安至巴馬高速公路全線隧道,設計的間隔使用了本文推薦的布設間隔。系統的實際運行表明,按照本文推薦的系統設計和布設間隔,ZigBee網絡可以很好地保持穩定通信,為實現遠程監控、遠程運維提供良好的通信保障。

4 結語

由于隧道的長度、隧道壁對電磁波反射等原因,難以在長隧道中部署穩定的無線通信設備。針對這一問題,本文設計實現了一套基于ZigBee無線通信技術進行Mesh組網的通信系統。通過對ZigBee節點信號在隧道中的衰減研究,提出了一套具有工程意義的布設方案。實際應用表明,本文設計的物聯網無線系統可以保障機電設備在長隧道中的穩定通信。