基于ZigBee的鐵路信號燈失效無線預(yù)警監(jiān)測系統(tǒng)的組網(wǎng)與實現(xiàn)

戴娜 張興強(qiáng) 侯興強(qiáng)

摘要：筆者主要介紹了如何通過ZigBee無線組網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)鐵路信號機(jī)無線預(yù)警監(jiān)測系統(tǒng)在車站內(nèi)的組網(wǎng)，在該系統(tǒng)監(jiān)測到信號燈使用情況后，能夠及時的將監(jiān)測到的信息通過無線傳輸?shù)姆绞絺鞯娇刂浦行摹Ｔ撓到y(tǒng)既可以在信號燈故障后進(jìn)行報警，又能在燈泡失效前根據(jù)光強(qiáng)的波動提前給出報警提示。這種實時檢測系統(tǒng)能提高鐵路信號設(shè)備檢測的可靠度，對保證列車進(jìn)入?yún)^(qū)間安全運行有非常重要的意義。

關(guān)鍵詞：ZigBee協(xié)議;無線組網(wǎng);鐵路信號機(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)在鐵路信號系統(tǒng)中也有極大的使用空間。傳統(tǒng)的鐵路信號燈系統(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)的無線信號燈控制系統(tǒng)，可有效將信號燈終端設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行連接，通過相關(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，且通過網(wǎng)絡(luò)建構(gòu)信息高效傳輸環(huán)境，可提高信號燈設(shè)備的實際運行質(zhì)量。

2. ZigBee概述

ZigBee技術(shù)本質(zhì)上是低功耗低速率的無線通信技術(shù)，其基于IEEE.802.15.4無線標(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。

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)層主要實現(xiàn)節(jié)點加入或離開網(wǎng)絡(luò)、接收或拋棄其他節(jié)點、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)計網(wǎng)絡(luò)的軟件架構(gòu)時，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。ZigBee協(xié)議也在OSI（Open System Interconnection）七層參考模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合無線網(wǎng)絡(luò)的特點，采用分層的思想實現(xiàn)。ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)各層示意圖如圖2所示。

3.無線芯片

針對本無線預(yù)警監(jiān)測系統(tǒng)的特點，需要選擇一個高性能、低功耗的單片機(jī)作為無線收發(fā)模塊的芯片。CC2530芯片是最常用的ZigBee無線數(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)計者可以直接根據(jù)設(shè)計的需求直接在該芯片上完成各種功能。目前來說，CC2530在ZigBee業(yè)界來說是應(yīng)用最為廣泛、使用效果最好的一種。

4 .ZigBee組網(wǎng)及無線通信

4.1組網(wǎng)部分

4.1.1車站內(nèi)的信號機(jī)

鐵路車站由各類車場組成，車場是辦理列車各種作業(yè)的場所，是鐵路車站的重要組成部分。各類車場由辦理同一種作業(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，出發(fā)場，到發(fā)場，通過車場，編組場，編發(fā)場，地區(qū)車場，交換車場，客車整備場。每個不同種類的車場又在不同位置設(shè)置有不同種類的信號機(jī)如進(jìn)站信號機(jī)，出站信號機(jī)，進(jìn)路信號機(jī)，通過信號機(jī)，預(yù)告信號機(jī)，調(diào)車信號機(jī)，駝峰信號機(jī)等。

4.1.2 Mesh拓?fù)?/p>

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

4.1.3布局優(yōu)勢

雖然網(wǎng)狀拓?fù)湫问胶蜆湫瓮負(fù)湎嗤?，但是網(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路由路徑出現(xiàn)了問題，信息可以自動的沿著其他的路由路徑進(jìn)行傳輸。也就是說即使某個車場的路由器出現(xiàn)了故障，信號機(jī)上的終端節(jié)點發(fā)出的信息也可以通過其他車場的路由器傳輸?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線傳輸，既節(jié)省了人工成本又節(jié)省了線路成本。

4.2無線數(shù)據(jù)通信

通過ZigBee協(xié)議實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)通信一般有三個步驟。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)，以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的建立與節(jié)點的加入。第二步是發(fā)送：發(fā)送節(jié)點調(diào)用協(xié)議棧的無線數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)，實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)發(fā)送。第三步是接收：接收節(jié)點調(diào)用協(xié)議棧的無線數(shù)據(jù)接收函數(shù)，實現(xiàn)無線數(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無線網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)在鐵路信號燈無線預(yù)警監(jiān)測系統(tǒng)的組網(wǎng)，可有效將鐵路信號燈監(jiān)測系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行連接，通過相關(guān)網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議的設(shè)定，有效地擺脫信號燈監(jiān)測有線操控的局限性。該系統(tǒng)的實現(xiàn)只需要通過主控制器設(shè)備的ZigBee模塊與協(xié)議之間的對接，便可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程的監(jiān)測，在一定程度上也節(jié)省了搭建線路的成本，且通過網(wǎng)絡(luò)建構(gòu)信息高效傳輸環(huán)境，能夠極大的提高監(jiān)測系統(tǒng)的實時性與準(zhǔn)確性。

通過ZigBee組網(wǎng)來實現(xiàn)鐵路信號燈的監(jiān)測系統(tǒng)，組網(wǎng)快捷方便，保證了無線網(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燈使用狀況監(jiān)測的便利性和精準(zhǔn)性。

參考文獻(xiàn)

[1]郭進(jìn).鐵路信號基礎(chǔ)[M].北京：中國鐵道出版社，2011：56.

[2]段愛科.基于在線監(jiān)測技術(shù)的鐵路信號燈運行異常自動檢測研究[J].自動化與儀器儀表，2020（12）：46-49.

[3]侯興強(qiáng)，張興強(qiáng)，高明成.鐵路信號燈失效無線預(yù)警監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].信息與電腦（理論版），2020，32（04）：73-75.

[4]郭威.基于ZigBee的無線智能路燈系統(tǒng)研究[D].北京交通大學(xué)，2014.

[5]楊明堃.一種基于ZigBee的長距離野外無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)[J].通信技術(shù)，2019，52（11）：2834-2838.

[6]牛萍娟，羅德智，劉雷，郭云雷，李舒舒.基于ZigBee組網(wǎng)的自適應(yīng)道路照明系統(tǒng)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2019，42（04）：121-124.

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)：軌道交通信號與控制指導(dǎo)老師：張興強(qiáng)，副教授。

基金項目：2019年省級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目《鐵路信號燈失效無線預(yù)警監(jiān)測系統(tǒng)》（項目編號：S201910452066）

臨沂大學(xué)