基于ZigBee与GPRS的无线通信网络在铁路上的新应用

杨济琛 杨云 张玉东 李欣 李俊城 甘祖泉 邱广

（华东交通大学，南昌 330013）

基于ZigBee与GPRS的无线通信网络在铁路上的新应用

杨济琛 杨云 张玉东 李欣 李俊城 甘祖泉 邱广

（华东交通大学，南昌 330013）

概述ZigBee与GPRS技术各自的理论和特点，以及它们在国内外的最新研究应用状况，分析两种技术结合之后所形成的优势互补局面。设计一个基于ZigBee和GPRS两种无线通信方式的铁路自然灾害智能报警系统。

ZigBee；GPRS；铁路自然灾害；智能报警

近年来，随着我国铁路线路总长不断的增加，铁路不断的加大加强发展，“铁路行车安全”这个话题也在不断的被国民关注并多次成为舆论热点。而复杂的地理气候自然环境，也造就了我国是世界上自然灾害发生最频繁的国家之一的现实，铁路部门也自然成为最严重的受灾者之一。为更强效的减少并防止自然灾害给国民经济及人身安全造成的重大损失及威胁，现代铁路需要具备一套更加完备可靠的报警系统。本文设计一个基于ZigBee与GPRS两种无线网络通信方式相结合的智能监测报警系统，具备监测自然灾害对铁路沿线造成的侧移量、覆盖量和下沉量的功能，能够在自然灾害发生并影响到行车安全时，及时准确的发出报警信号，提醒相关铁路部门工作人员。

1 系统关键技术

1.1 ZigBee技术简介

ZigBee技术是一种基于IEEE802.15.4标准低功耗局域网协议的短距离无线通信技术。一般构成星型网络、树状网络、网状网络3种网络结构。ZigBee协议的网络结构层从下到上分别为：物理层(PHY)、媒体访问控制层(MAC)、传输层(TL)、网络层(NWK)、应用层(APL)。

ZigBee技术具有近距离、短时延、低速率、高容量、高安全、低功耗、免执频、低成本的特点。在研究应用方面，国外研究起步较早，而国内较晚，但目前ZigBee技术已经在世界上广泛应用，主要应用于智能家居、智能交通等领域。而近年来国内各大高校也相继开展了许多基于ZigBee而构建的无线传感器网络项目，ZigBee技术在短距离无线通信领域中显得生机勃勃，趋向繁荣。

1.2 GPRS技术简介

GPRS技术，是一种基于GSM系统的广域无线通信技术。其提供端到端的无线IP连接，以“分组”的形式将资料传送到用户手上。因其借助于移动公司的信号塔来传输信号，故而一般情况下其稳定性良好。

GPRS技术具有永远在线、费用低廉、快速登录、信道保障、高速传输、组网灵活、防雷击的特点。在研究应用方面，GPRS应用范围很广，具有多种类型的业务，主要运用于交通运输和公共安全等领域。目前国内4G已经开始逐步普及，而3G已经广泛应用，国外如韩国等发达国家4G已经普及，正在向5G进军。但该系统本着低成本、实用的原则，依然采用GPRS来与ZigBee进行结合，且由这两种长短距离的无线通信方式所构成的优势互补局面，可以很好的满足系统在数据传输方面的需求。

2 系统总体方案

整个系统由数据采集模块、通信模块、上位机模块3部分组成，系统结构如图1所示。本方案提出利用GPRS和ZigBee两种无线通信方式来向上位机传递由各个传感器节点所采集到的数据。

图1 系统结构框图

在ZigBee 网络中有协调器、路由器、终端节点3种节点。本系统ZigBee采用星型网络结构，它是由安装在铁路沿线的一组（本系统中为5个）数据终端节点与1个协调器构成的，其中协调器除了构建及维护网络外，还承担路由功能。星型网络结构如图2所示。在利用ZigBee无线传感器网络的同时，采用GPRS网络接收并传输协调器收集到的终端节点所采集的数据，一个GPRS模块对应一个协调器。通过在铁路沿线安装多组星型网络节点来构成一个大的数据采集网，从而有效解决了因其中一个或几个网络节点出现故障而导致系统采集到的数据误差太大问题。而在数据采集节点与GPRS模块处分别添加看门狗设置，使其具有断电复位功能，这样就实现了数据采集模块、通信模块与上位机模块三者之间的呼叫应答，从而有效解决了系统数据误差问题。

图2 星型网络结构图

3 系统硬件设计

本系统中，ZigBee模块采用TI公司的型号为CC2530的无线通信模块，它的闪存值为256 kB，擦除周期为20 kB，具有+4 dBm的可编程输出功率。该模块有一套广泛的外设集且具有良好的接收器灵敏度和健壮的抗干扰性。GPRS模块采用Simcom公司型号为SIM900的无线通信模块，它不仅支持GSM/GPRS通信，内嵌了TCP/IP协议栈，还具有RS-232串口等接口，具有射频天线以及支持SIM卡连接。该模块采用AT指令进行控制，易操作且很适合系统集成与软件开发，自带串口也便于与MSP430进行串口通信。本系统中ZigBee模块与GPRS模块之间以及与上位机进行连接的GPRS部分模块与上位机之间，均采用串口连接方式。前者采取此种连接方式具有可靠、接口简单的优点，而后者则可以通过此种连接方式实时显示由下位机传来的数据，便于调试。

4 系统软件设计

4.1 监控系统软件设计

监控系统软件采用C#语言编写，具有实时监控、报警显示、实时定位、历史查询、打印报表等功能。系统可以对铁路各数据采集点所在线路的状况进行实时监控，当铁路线路出现状况时，监控界面将会定位在具体地理位置上，并弹出报警信息即界面原线路相关部分会闪烁且红白双色之间隔秒转换，同时发出警报提示音。系统利用SQL数据库进行历史数据存储，从而实现历史查询和打印报表的功能。用户可根据需求对路段、日期、时间进行设置，系统按照设置内容从数据库中对历史信息进行查询，并显示查询结果。系统界面友好、人性化，具有强大功能的同时，操作简便，处理事故节约时间，减小工作人员的劳动强度。监控系统软件界面如图3所示。

图3 监控系统软件界面

4.2 终端节点软件设计

首先，由协调器构建一个网络，然后处于实时数据请求模式的5个终端节点向协调器发送建立连接的请求信令，协调器收到此信令后，开始连接网络，连接成功后返回一个确认帧给终端节点。当终端节点收到确认帧之后开始采集铁路沿线的状况数据，并将其收集到的数据打包发送给协调器。每当终端节点向协调器发送一次数据之后，协调器都要返回一个确认信令给终端节点，当终端节点成功收到协调器发送的确认信令后，此次数据传输结束，开始进行下一次的数据采集与传输。如果终端节点未成功收到协调器发送过来的确认信令，那么它将在3次未成功连接之后进行断电复位，开始采集并发送新的数据给协调器。终端节点设计流程如图4所示。

图4 终端节点设计流程图

4.3 协调器软件设计

当协调器与终端节点之间构建好网络之后，协调器便开始准备接收终端节点发送过来的数据，当收到数据后，将这些数据进行打包处理，然后经由已经通过PPP协议构建好网络的GPRS发送给上位机。与终端节点的设计相同，本系统中，GPRS也具有断电复位的功能。协调器设计流程如图5所示。

5 结语

图5 协调器设计流程图

目前，我国铁路在自然灾害监测报警方面存在着诸多不足之处。基于ZigBee和GPRS两种无线通信方式的监测报警系统，在传输数据方面表现出其可靠、安全的特性，同时两种通信方式的结合带来的优势互补，也更加展现了整套系统的科学可行性与创新性。在如今的互联网、大数据时代里，物联网与无线通信等技术也在日趋成熟并飞速发展，此套系统立足于时代技术的前沿，集灵活、经济、可靠、智能等诸多优点于一身，很好的解决铁路运输在安全方面因自然灾害带来的隐患与威胁的问题，确保国家经济财产与国民人身安全不受损害，从而满足铁路、国家以及广大人民的需求。而随着相关技术的发展，本套系统也将更加成熟。

[1]胡子轩,张晓光.浅谈ZigBee技术在智能交通系统中的应用[J].内蒙古科技与经济，2014（12）：63-64.

[2]蔡树向,袁海文,张月魁,等.基于GPRS的路用试验仪器远程监测系统的可靠通信技术研究[J].测控技术，2014，33（1）：38-42.

[3]吕宏,黄钉劲.基于ZigBee技术低功耗无线温度数据采集及传输[J].研究与开发，2012，31（2）：58-60.

[4]刘国锦,刘新霞.GPRS无线数据传输技术的应用[J].信息化研究，2010，36（2）：1-3.

[5]郭耀华.基于ZigBee和GPRS网络的智能变电站设备温度无线监测系统[J].仪表技术与传感器，2014（1）：79-82.

[6]蒋煜琪,谷兆贵,史旺旺.基于ZigBee和GPRS的多通讯功能无线测控系统[J].机电工程，2014，31（6）：814-818.

[7]姜立明,庄卫东.ZigBee/GPRS技术在精准农业中的应用研究[J].农机化研究，2014（4）：179-182.

[8]宋冬,廖杰,陈星,等.基于ZigBee和GPRS的智能家居系统设计[J].计算机工程，2012，38（23）：243-246.

The paper summarizes the theory and features of ZigBee and GPRS technologies, as well as their latest development and application status at home and abroad, analyzes the situation of complementary advantages after combining the two technologies, and presents the design of an intelligent alarm system for railway natural disasters based on two wireless communication modes of ZigBee and GPRS technologies.

ZigBee; GPRS; railway natural disasters; intelligent alarm system

10.3969/j.issn.1673-4440.2015.02.011

2015-01-19）