基于Zigbee 的无线传感器网络在铁路上的新应用

林春梅，杨 云，黄祖宁，朱贤浩，聂敏林，张 旭

0 引言

近年来，随着社会经济和铁路的飞速发展，不同类型的铁路沿线自然灾害也在发展、变化，特别是重大、特大灾害事故如泥石流、山洪发生的频率越来越快，处置的难度越来越高，给人们的铁路安全出行等带来极大影响。现代社会的铁路沿线需要建立一个有效而可靠的安全保障系统，提高监测和预警各类自然灾害的能力。下文在研究传感器网络在铁路领域内的应用的基础上，设计了一个基于ZigBee的无线传感器网络为无线通信方式的监测与预警系统。该系统主要是对自然灾害在沿线铁轨造成的侧移量、覆盖量和下沉量进行监测。

1 Zigbee技术

Zigbee是基于 IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议的一种中短距离的双向无线通信技术，可以嵌入各种设备，主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间接性数据和低反应时间数据传输的应用，如数据采集、工业监控、楼宇自动化、安防、环境数据采集等。它是一种高可靠的无线数传网络，其数传模块类似于移动网络基站，通信距离可以无线扩展。

Zigbee技术的主要特点：

（1）低功耗。在低耗电待机模式下，2节普通5号干电池可使用半年到2年。

（2）低成本。Zigbee模块的初始成本约6美元，而且还在降价，Zigbee协议是免专利费的。

（3）可靠性。使用了免碰撞机制和重发机制，同时预留了专用时隙需要固定带宽的通信业务，避免了数据传输时竞争和冲突，MAC层采用了完全确认的数据传输模式。

（4）网络容量大。Zigbee是一个由可多到65 500个无线数据传输模块组成的无线传输数据网络平台，在整个网络内，每一个 Zigbee无线数据传输模块可以互相通信。

（5）时延短。通常时延为 15～30 ms，唤醒休眠状态和通信时延的时延都很短，适应于对实验要求苛刻的应用。

（6）安全性高。协议简单，采用了 AES-128的加密算法。

Zigbee无线传感器网络，其节点体积小、数量大，布局十分方便，任何一个节点的失效都不会对整体任务的完成造成致命性影响，另外，它可实现快速组网传输、自动回复和电源高级管理，为电子设备之间提供方便、快速的数据传输。Zigbee的这些特点使之最适合在铁路沿线自然灾害多发地段进行安全、可靠的无线通信。

2 系统总体方案

通过铁路沿线安装检测模块采集数据信息，由Zigbee进行无线数据汇总后再由CAN总线将数据发送给计算机进行报警。系统其工作原理是：微处理器将传感器采集的信息进行分析处理，再将信息通过通信模块发送至计算机，计算机接收到信息后进行相应的显示报警。从而实现了对铁路路况的检测及灾害报警。系统结构框图如图1所示。

图1 系统结构框图

该系统采用星状拓扑结构，即多点数据采集方式，在复合传感器内采集的数据由 Zigbee路由节点，通过无线通信将数据发送至 Zigbee协调器，Zigbee协调器将数据汇总，通过有线通信传送至数据库操控平台，将铁路沿线各个地点的监测情况及时地反馈给监测人员。16～32字节的数据包的传输间隔为20～50 ms，假设网络是6层，则从底层的检测装置发现有情况至监测人员接收到信息最多也只需0.3 s。

为了保证即使在恶劣环境下也能正常传输数据信息，Zigbee模块传输距离范围控制为 50～100 m，即表示在某一灾害多发地段，假设该地段内的铁路沿线长达1 000 m，则需要十几个Zigbee路由器，而最终将数据汇总于唯一的协调器；而一个路由器或者一个协调器最多只能直接绑定有限个路由，这里可以采用路由级联方法，即数据由终端节点通过串口传输至最底层的路由，再通过路由无线传输一层一层地往上传，直至传输至数据库操控平台。在数据库操控平台能够清晰地反应出最底层路由的地址，从而迅速确定事故发生地点。

就以成昆线中的羊臼河站—小村站段铁路为例，该铁路段距离为10 km。从半山腰的小村站到羊臼河站虽然直线距离只有2 km，火车行进不用7 min，但因山势陡峭，修路时设计成盘山公路样的线路，需要穿 6个遂道、跨 6座桥梁，绕道10 km。六渡河展线位于成昆线南端羊臼河－小村之间，展线形式“之”字形。所谓展线，即“展长线路”的缩略说法。一般来讲，展线只出现在因坡度限制或遇特殊地形条件的情况下，牺牲线路顺直程度来换取尽可能低的限制坡度，换句话说是以长度换高度，通俗的讲就是“盘山铁路”，平坦地区基本不存在展线的问题。图2为数据库操控平台显示的羊臼河站—小村站段铁路路线示意图。

图2 羊臼河站—小村站段铁路线路监控界面

Zigbee模块节点在恶劣环境条件下按 10～100 m布置一个，当然整条线路的节点布置不需要这么密集，只在事故多发地段布置密集一些。黑点（即深颜色的点）代表数据采集汇聚节点，白点（即浅颜色的点）代表上一层的路由节点，当数据库操控平台上的某一点出现红色时，即某一个节点出现异常情况，通过检测传感器传输上来的信号就粗略可知是何种自然灾害，及时提醒工作人员处理。

2.1 监控界面

数据库操控平台对数据各节点的数据显示界面如图3。启动后显示各节点的实时数据，并对历史数据进行存储，以便查询、打印和分析研究。当环境参数值超过预设范围，界面进行显示，报警装置开始工作，提醒监测人员做相应处理。

图3 监控界面截图

2.2 硬件设计

协调器和路由节点都是监测系统中必不可少的硬件设备，尽管其在系统中的作用各不相同，但它们的硬件结构是一致的，其结构组成包括无线通信、通信接口和电源（锂电池）、传感器和微处理器4个模块。

该系统使用的无线通信芯片是Chipcon公司的CC2530，它的链路质量高达102 dB，该通信芯片具有较强的抗干扰能力和高强度的接收灵敏度，还有多种闪存尺寸，4种供电模式，外射集的范围广，其中有2个USART，12位ADC和21个常用GPIO。协调器和数据库操控平台间的信息传递是通过CAN总线传输的，CAN总线与计算机通信是通过CAN转USB实现的，USB是一种速度更快的通信方式。CAN总线由控制模块和收发模块组成，控制芯片采用 SJA1000，该控制芯片一般用于工业坏境中的区域网络控制，具有抗干扰强的特点；而收发芯片采用 TJA1050芯片，该芯片有较强的抗干扰能力，采用高速光耦 6N137实现SJA1000与 TJA1050之间的电气隔离，保护控制系统电路，以满足在最高速率 1 M/s下的电气响应。2个模块组成高速稳定的CAN传输总线，并能最多达到110个分支节点。协调器的CC2530芯片模拟SPI通信，控制CAN总线控制器。

2.3 Zigbee节点的软件流程

无线传感器节点的主要功能是数据采集，网络连接、保持与邻近节点间的通信、检测链路状态和担当部分路由功能。为了降低损耗，采用定时采集数据的方式。在传感器节点设置断点，间歇性采集和发送数据。由于节点采用电池供电，在程序编写时，还应考虑CC2530和发射芯片的低功耗运行和周期性数据传输。图 4是无线传感器节点的传输流程图。

图4 无线传感器节点的传输流程图

协调器在监测系统中的作用是控制和管理铁轨沿线的各个子节点，协调器的工作流程如图 5所示，可以看出，整个过程的通信依靠 Zigbee技术完成。

图5 协调器的工作流程图

3 结语

铁路沿线自然灾害自动监测报警系统的实施可以及时解决地质或自然灾害造成的临时调配的混乱，可以及早合理地进行灾害防御。所以对铁路周围自然灾害的检测具有重大意义，能够及时做出防范，减少人民生命财产的损失。Zigbee以其灵活、可靠、易于布置等特点在许多领域得到了广泛的应用。将其应用于铁路自然灾害监测与预警系统的优点有：无线化，减少铁路电子设备连线的复杂度；低成本；低功耗；可靠性强；网络容量大；智能化，各 Zigbee节点间自动搜索建立连接。随着需求增长和技术进一步成熟，Zigbee在铁路自然灾害监测与预警系统中会有更为广阔的应用前景。

[1] 孙军，朱小平，方彦军.基于Zigbee的无线传感器网络在变电站中的应用[J].电气应用，2008，27，（9）.

[2] 李辉，张晓光，高顶，等.基于Zigbee的无线传感器网络在矿井安全监测中的应用[J].仪表技术传感器，2008，（04）.

[3] QAZV1透传模块说明书.

[4] 谢静思.基于Zigbee技术的煤矿安全监控系统的设计与实现[J].煤炭技术，2013，32，（2）：118-119.

[5] 朱萍.张长利.董守田.Zigbee技术在水稻催芽监控系统中的应用[J].农机化研究，2013，（1）.

[6] 杨秀蔚.基于Zigbee工业测控网络构建问题研究[J].山东轻工业学院，2012，1，（2）.

[7] 夏伯锴.杨晓红.基于Zigbee技术的短距离无线数据传输系统[J].硅谷，2012，(17).

[8] 余学飞.贺建卫，李喆.基于Zigbee技术的输液监测系统的设计[J]. 暨南大学学报：自然科学与医学版，2013，34，（1）：4.