基于ZigBee的铁路信号灯失效无线预警监测系统的组网与实现

戴娜 张兴强 侯兴强

摘要：笔者主要介绍了如何通过ZigBee无线组网技术实现铁路信号机无线预警监测系统在车站内的组网，在该系统监测到信号灯使用情况后，能够及时的将监测到的信息通过无线传输的方式传到控制中心。该系统既可以在信号灯故障后进行报警，又能在灯泡失效前根据光强的波动提前给出报警提示。这种实时检测系统能提高铁路信号设备检测的可靠度，对保证列车进入区间安全运行有非常重要的意义。

关键词：ZigBee协议;无线组网;铁路信号机;

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

随着物联网技术的迅速发展，无线传感器网络技术和远程控制技术的应用日益广泛，此技术在铁路信号系统中也有极大的使用空间。传统的铁路信号灯系统大多都为有线传输系统，但是有线传输的形式将占据比较多的空间资源，且现场施工受地理环境、城市规划布局等影响因素较大，间接加大了成本耗用量。以ZigBee协议为基础的无线信号灯控制系统，可有效将信号灯终端设备与网络系统进行连接，通过相关网络传输协议的设定，有效摆脱有线操控的局限性，一定程度上极大地节省了电力成本的消耗，且通过网络建构信息高效传输环境，可提高信号灯设备的实际运行质量。

2. ZigBee概述

ZigBee技术本質上是低功耗低速率的无线通信技术，其基于IEEE.802.15.4无线标准，使用2.4GHz频段，拥有低复杂度和短距离以及低成本等优点。

ZigBee的结构有四层，分别为应用层（ASP），网络层（NWK），物理层（PHY）和MAC层。ZigBee协议栈的核心部分在网络层。网络层主要实现节点加入或离开网络、接收或抛弃其他节点、路由查找及传送数据等功能，支持Cluster-Tree等多种路由算法，支持星形（Star）、树形（Cluster-Tree）、网状（Mesh）等多种拓扑结构。ZigBee的结构分工如图1。

在设计网络的软件架构时，一般采用分层的思想，不同的层负责不同的功能，数据只能在相邻的层之间流动。ZigBee协议也在OSI（Open System Interconnection）七层参考模型的基础上，结合无线网络的特点，采用分层的思想实现。ZigBee无线网络各层示意图如图2所示。

3.无线芯片

针对本无线预警监测系统的特点，需要选择一个高性能、低功耗的单片机作为无线收发模块的芯片。CC2530芯片是最常用的ZigBee无线数据传输芯片，该芯片内部集成8051内核，因此能直接当做单片机使用，设计者可以直接根据设计的需求直接在该芯片上完成各种功能。目前来说，CC2530在ZigBee业界来说是应用最为广泛、使用效果最好的一种。

4 .ZigBee组网及无线通信

4.1组网部分

4.1.1车站内的信号机

铁路车站由各类车场组成，车场是办理列车各种作业的场所，是铁路车站的重要组成部分。各类车场由办理同一种作业的站线联结而成，按作业内容一般可分为：到达场，出发场，到发场，通过车场，编组场，编发场，地区车场，交换车场，客车整备场。每个不同种类的车场又在不同位置设置有不同种类的信号机如进站信号机，出站信号机，进路信号机，通过信号机，预告信号机，调车信号机，驼峰信号机等。

4.1.2 Mesh拓扑

基于铁路车站的这种分布结构，因此我们在ZigBee无线组网时常常采用网状（Mesh）拓扑。网状（Mesh）拓扑包含一个协调者（Coordinator）和一系列的路由器（Router）和终端（End Device）节点。在控制中心安装一个节点通过RS485总线与上位机连接，此节点作为Mesh拓扑的协调者（Coordinator）。在车站每个车场分别设置节点作为协调器路由器（Router），此节点与控制中心的协调器无线连接，并且每个车场的路由器相互无线连接，互相传输数据。每个车场里的每一个信号机上安装信号灯失效预警监测器作为终端（End Device）节点，每一个终端节点与该信号灯所在车场的路由器无线连接，以便于将数据传输给该车场的路由器，进而通过路由器将信息传送至控制中心。

4.1.3布局优势

虽然网状拓扑形式和树形拓扑相同，但是网状拓扑具有更加灵活的信息路由规则，在可能的情况下，路由节点之间可以直接的通讯。这种路由机制使得信息的通讯变得更有效率，而且意味这一旦一个路由路径出现了问题，信息可以自动的沿着其他的路由路径进行传输。也就是说即使某个车场的路由器出现了故障，信号机上的终端节点发出的信息也可以通过其他车场的路由器传输到控制中心，这样的布局有效的保证了系统的稳定性和可靠性。并且所有的信息传送均是无线传输，既节省了人工成本又节省了线路成本。

4.2无线数据通信

通过ZigBee协议实现无线数据通信一般有三个步骤。第一步是组网，调用协议栈的组网函数、加入网络函数，以实现网络的建立与节点的加入。第二步是发送：发送节点调用协议栈的无线数据发送函数，实现无线数据发送。第三步是接收：接收节点调用协议栈的无线数据接收函数，实现无线数据接收。其网络初始化流程及入网流程如图4。

5.结论

本文利用ZigBee无线网络来实现在铁路信号灯无线预警监测系统的组网，可有效将铁路信号灯监测系统与网络系统进行连接，通过相关网络传输协议的设定，有效地摆脱信号灯监测有线操控的局限性。该系统的实现只需要通过主控制器设备的ZigBee模块与协议之间的对接，便可以实现远程的监测，在一定程度上也节省了搭建线路的成本，且通过网络建构信息高效传输环境，能够极大的提高监测系统的实时性与准确性。

通过ZigBee组网来实现铁路信号灯的监测系统，组网快捷方便，保证了无线网络内信息传输的质量，减少了搭建线路的麻烦，达到了空间布局的极大优化，进一步提高了铁路信号灯使用状况监测的便利性和精准性。

参考文献

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作者信息：

戴娜（1999-），女，山东济宁人，本科，专业：轨道交通信号与控制

侯兴强（1998-），男，山东聊城人，本科，专业：轨道交通信号与控制指导老师：张兴强，副教授。

基金项目：2019年省级大学生创新创业项目《铁路信号灯失效无线预警监测系统》（项目编号：S201910452066）

临沂大学