ZigBee无线通信技术在公路隧道环境下的应用

夏光亮

(广西交科集团有限公司,广西 南宁 530007)

0 引言

随着“交通强国”建设的不断展开和加速进行,我国公路建设成绩斐然,公路建设中造价高、施工难度大的隧道数量也有较大的增长。根据交通运输部的统计数据,截至2021年末,全国公路隧道共有23 268处,2 469.89万延米,较2020年增加1 952处、269.96万延米[1]。

保障隧道正常运行的机电设备种类较多,传统隧道机电设备通信是使用有线通信的方法,可以较好地完成通信任务。然而,隧道内的布线管廊空间有限,线缆布设复杂,施工成本高,且由于长距离走线、导线内阻以及寄生电容增大,易使信号的完整性受影响,也容易受电磁干扰影响通信准确性,甚至遭感应雷击导致设备损坏。使用物联网无线通信可减少布线,降低成本,但是由于隧道的长度、隧道内机电设备干扰、隧道壁的反射等原因,造成信号衰减问题严重,一般只能进行短距离的通信。针对这些问题,本文设计实现了一套基于ZigBee无线通信技术进行Mesh组网的通信系统。与传统的有线传输方法相比,本文提出的方法可以有效地减少布线成本;与现有的隧道无线通信系统相比,本文提出的组网可以通过ZigBee节点进行稳定的远距离接力通信。试验和实际应用表明,本文提出的方法可以有效解决隧道内的通信问题,为隧道设备稳定通信提供一种可行的方法。

1 物联网无线组网

1.1 电磁波在隧道中的传输特点

隧道是一个电磁噪声较多、无线电背景较复杂的半封闭空间,隧道壁由钢筋、混凝土、土石等构成,可达上千米,弯道直道交错,因此无线信号在隧道内的传输与在开阔空间的传输有很大不同。隧道中无线信号传输的不利因素有:

(1)电磁波在限定空间内经反射绕射,经过多个不同路径达到接收机,这些经过反射的信号振幅、相位、极化不同,在接收设备处叠加后导致天线接收信号波形异常,严重影响信号质量,降低通信距离。隧道内电磁波多径衰减比空旷陆地严重,其中快衰落深度可达30～40 dB[2]。

(2)受隧道内弯道影响,弯曲隧道结构对无线信号产生严重的遮挡和衰减,弯道半径越小衰减越严重[3]。

(3)隧道内机电系统较多,其产生的电磁辐射对无线信号产生干扰,导致信号信噪比低,影响系统稳定性。

在确定隧道机电设备无线通信方式时,必须考虑规避这些不良因素。

1.2 ZigBee的组网原理与网络结构

ZigBee具有低成本、低功耗、传输距离远等优点,其网络节点分为PAN协调器节点、路由器节点、终端节点三种,功能简介如下:

PAN协调器节点:网络核心节点,负责发起组建、维护和管理网络,汇聚各个节点的信息并通过如以太网等通信方式与上位机进行数据传递。ZigBee网络组网必须由协调器发起,协调器在ZigBee网络中是唯一的。

路由器节点:该节点可与协调器节点、其他路由器节点、终端节点连接,可对数据包进行转发,并进行路径寻找和维护,可以为其他节点(协调器、路由器、终端)间数据通信进行接力。

终端节点:节点是网络中的底层节点,可以连接到协调器节点和路由器节点,与其他终端节点是无法连接的。

由上述三种节点组成的ZigBee网络结构有三种:如下页图1所示的星状网络、树状网络、Mesh网络(网状网络)。

图1 三种ZigBee网络结构拓扑图

从图1可知三种网络的特点如下:

星型网络,该拓扑节点之间通信必须通过协调器,考虑到ZigBee通信距离有限,隧道长度长短不一,这种拓扑不适合在隧道环境应用。

树型网络里协调器和路由器都可连接多个子节点,可以满足隧道内信息接力传递的需求,但树型网络的路由器节点只能连接到一个父节点,如父节点掉线则该父节点下面的所有节点都会掉线。

Mesh网络则拥有强大的路径查找能力,通过“多级跳”的方式,可以实现各个节点之间的数据交互。网络具有自组网、自愈功能。当某一个路由节点掉线后,原本与其连接的节点可以通过别的路由器节点进行通信。

综上,本文设计的系统采用ZigBee的Mesh组网方式,既可以通过接力弥补电磁波在隧道内传输距离变短的问题,也避免了因隧道内临时断电导致部分设备掉线产生的接力链路中断问题。

2 ZigBee在隧道除湿系统中的应用

2.1 场景选择

隧道内众多机电设备的控制箱、配电箱,需运行在适宜的湿度环境下,所以这些箱体内部需除湿终端进行除湿。各除湿终端在隧道内分布安装的特点与ZigBee的Mesh网络可接力传递数据的特点契合,故在隧道智能除湿系统中应用并验证了ZigBee技术。

2.2 系统架构设计

隧道智能除湿系统由智慧运维平台、ZigBee集中控制终端、智能除湿终端、网络中继器构成。

如图2所示,系统采用了ZigBee的Mesh结构,除湿终端和中继器配置为路由器节点,集中控制终端配置为协调器节点。集中控制终端通过ZigBee网络获取除湿终端当前温度湿度以及除湿模式等状态信息并通过以太网回传给运营中心的智慧运维平台,智慧运维平台根据预设定的方案把控制指令发到集中控制终端,再转发到相应除湿终端。

图2 隧道除湿系统框图

2.3 智慧运维平台简介

智慧运维平台部署在高速公路运营中心,包括服务器系统、监控软件、数据库系统等,主要实现除湿终端管理、状态报警、信息记录、控制策略下发、远程升级等功能。

2.4 ZigBee集中控制终端设计

集中控制终端安放在隧道机房,作为ZigBee网络的协调器。其将获取的除湿终端信息发给智慧运维平台,接收智慧运维平台下发的命令并转发给除湿终端,同时实现本地查询除湿终端信息、更新控制策略、升级除湿终端固件等功能。

控制终端通过ZigBee模块与除湿终端通信。设备可通过有线以太网和后台通信,也可通过4G模块和后台通信。设备配备触摸屏,提供人机交互界面,可在现场读取除湿终端状态,控制除湿终端。如图3所示。

图3 集中控制终端框图

2.5 除湿终端设计

除湿终端的设计除湿功率为50 W,安装在隧道内的设备控制柜或者供电开关柜内。该终端在ZigBee网络是路由器节点角色,从外部温湿度传感器采集环境的温度、湿度数据,根据程序预设的策略控制半导体制冷片制冷,空气中的热湿空气遇到与制冷片连接的散热片后水分冷凝,从而达到降低空气湿度的效果。选用的ZigBee模块无线最大发射功率为27 dBm,接收灵敏度为-99 dBm。在室外天气条件晴朗的空旷地带,通信距离最大可达2 000 m。如图4所示。

图4 除湿终端框图

2.6 中继器设计

中继器在隧道除湿ZigBee网络中的角色也是路由器节点,其放置在距离较远的两个除湿终端之间,起信号中继作用。中继器通过ZigBee模块和隧道内的其他ZigBee设备连接获取除湿终端的信息,然后通过光纤网络将数据传给集中控制终端,集中控制终端也可通过中继器发送控制指令或者升级包给除湿终端。

2.7 除湿终端及中继器安装

除湿终端的安装位置和隧道的特征与信号的衰减有直接关系[3-4],因此将除湿终端以及中继器的天线从设备箱中引出并固定在隧道壁2 m左右的高度。在除湿终端安装完成并进行了通信能力的测试后,验证隧道直道与隧道弯道的安装位置,如图5所示。为了表示本文设计的系统在实际隧道中的应用情况,选取了隧道直道和弯道作为测试对比。测试传输波特率为9 600 bps,选用天线增益5 dBi,驻波比≤1.5。隧道直道测试结果如表1所示,隧道弯道处测试结果如表2所示。

表1 隧道直道ZigBee连接距离测试结果表

表2 隧道弯道ZigBee连接距离测试结果表

图5 除湿机及中继器安装示意图

测试结果表明,在直道中,终端信号衰减较慢,在400 m以内可以保证稳定的通信;在弯道中,终端信号衰减严重,只能保证250 m以内的稳定通信。因此,在实际终端布设中,为了保证ZigBee网络的稳定性,隧道直道的终端间隔建议为400 m,弯道布设间隔建议为250 m,超过这个间隔需要加装中继器。

3 实际应用效果

本文设计的基于ZigBee无线组网技术的隧道智能除湿系统目前已经应用于广西都安至巴马高速公路全线隧道,设计的间隔使用了本文推荐的布设间隔。系统的实际运行表明,按照本文推荐的系统设计和布设间隔,ZigBee网络可以很好地保持稳定通信,为实现远程监控、远程运维提供良好的通信保障。

4 结语

由于隧道的长度、隧道壁对电磁波反射等原因,难以在长隧道中部署稳定的无线通信设备。针对这一问题,本文设计实现了一套基于ZigBee无线通信技术进行Mesh组网的通信系统。通过对ZigBee节点信号在隧道中的衰减研究,提出了一套具有工程意义的布设方案。实际应用表明,本文设计的物联网无线系统可以保障机电设备在长隧道中的稳定通信。