孫啟民 羅 鑫 任 雷

(北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100073)

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基于ZigBee和GSM技術(shù)的通信鐵塔安全監(jiān)測系統(tǒng)研究

孫啟民 羅 鑫 任 雷

(北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100073)

摘要：在通信鐵塔安全監(jiān)測系統(tǒng)中使用基于ZigBee技術(shù)的采集傳感器和ZigBee+GSM技術(shù)的前端監(jiān)測單元可大大減小施工難度，并減少對鐵路通信資源的占用。該技術(shù)也可應(yīng)用到其他軌旁監(jiān)測業(yè)務(wù)和電力鐵塔監(jiān)測業(yè)務(wù)。

關(guān)鍵詞：ZigBee協(xié)調(diào)器；ZigBee終端；監(jiān)測單元

Abstract:In the communication tower safety monitoring system, the acquisition sensor based on ZigBee technology and front monitoring unit based on ZigBee+GSM technologies can greatly decrease the construction dif fi culty and reduce railway communication resources. Zigbee technology can also be applied to other trackside monitoring services and power tower monitoring services.

Keywords:ZigBee coordinator; ZigBee terminal; monitoring unit

近年來，隨著中國鐵路客運(yùn)專線的大規(guī)模建設(shè)，GSM-R網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模也在日益擴(kuò)大，通信基站鐵塔和直放站鐵塔的數(shù)量隨之在不斷增加。截止2013年底，粗略估計(jì)全路的通信鐵塔（以下簡稱“鐵塔”）數(shù)量已接近1萬架。根據(jù)國家《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃（2008年調(diào)整）》的發(fā)展目標(biāo)要求，今后幾年客運(yùn)專線的規(guī)模還將繼續(xù)擴(kuò)大，鐵塔的數(shù)量也將繼續(xù)增加。

數(shù)量巨大的鐵塔如果僅靠傳統(tǒng)的人工定期巡檢方式來進(jìn)行日常維護(hù)的話，很難及時(shí)發(fā)現(xiàn)存在的安全隱患。一旦發(fā)生倒塔或者因塔基沉降、傾斜等造成通信故障，都將影響列車的正常運(yùn)行，嚴(yán)重的話還將對鐵路以及旅客的人身安全造成威脅。另外，目前很多鐵塔所在的環(huán)境比較惡劣，給人工巡檢帶來很大的不便和危險(xiǎn)。因此，鐵塔安全監(jiān)測系統(tǒng)的上線是大勢所趨，它能及時(shí)發(fā)現(xiàn)鐵塔存在的安全隱患，保障鐵路的安全運(yùn)營。

1　鐵塔安全監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

《鐵路通信鐵塔監(jiān)測系統(tǒng)暫行技術(shù)條件》[1]規(guī)定鐵塔安全監(jiān)測系統(tǒng)由監(jiān)測中心、監(jiān)測站及通信通道組成。監(jiān)測中心由業(yè)務(wù)處理單元、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元、監(jiān)測終端及通信單元組成；監(jiān)測站由監(jiān)測單元、采集傳感單元、通信單元、本地管理終端和視頻處理單元組成，其中視頻處理單元只在使用有線方式組網(wǎng)時(shí)選配；通信通道根據(jù)現(xiàn)場需要可使用鐵路數(shù)據(jù)網(wǎng)、MSTP、GSM-R無線網(wǎng)及GSM無線網(wǎng)等多種方式，本文描述的鐵塔安全監(jiān)測系統(tǒng)選用GSM短消息通信方式組網(wǎng)。

1.1硬件結(jié)構(gòu)

鐵塔安全監(jiān)測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

監(jiān)測站側(cè)的本地管理終端用于現(xiàn)場開通時(shí)配置所在監(jiān)控站需要啟用的監(jiān)測量、安裝的傳感器及通信參數(shù)等相關(guān)信息，并可用于現(xiàn)場巡檢時(shí)查看鐵塔的實(shí)時(shí)狀態(tài)及歷史告警信息。本地管理終端不屬于固定配置范疇，用戶使用自帶筆記本通過網(wǎng)口接入監(jiān)測單元即可。

采集傳感單元和監(jiān)測單元通過內(nèi)置的ZigBee模塊進(jìn)行星型或樹型組網(wǎng)通信。采集傳感單元層的各類傳感儀是在通用傳感器基礎(chǔ)上外接ZigBee終端模塊組裝而成，ZigBee終端模塊提供串口或模擬IO口與傳感器通信，并通過天線與ZigBee協(xié)調(diào)器進(jìn)行信息交互；監(jiān)測單元提供ZigBee協(xié)調(diào)器模塊，ZigBee協(xié)調(diào)器模塊與監(jiān)測單元的業(yè)務(wù)處理模塊通過串口通信，并通過延長到通信站房外的天線與ZigBee終端進(jìn)行信息交互。

1.2軟件結(jié)構(gòu)

鐵塔安全監(jiān)測系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

監(jiān)測中心業(yè)務(wù)處理子系統(tǒng)負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)配置告警、告警管理、性能管理及安全管理等功能，采用B/S結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。監(jiān)測中心業(yè)務(wù)處理子系統(tǒng)控制GSM短消息模塊與監(jiān)測單元業(yè)務(wù)處理子系統(tǒng)進(jìn)行信息交互，實(shí)現(xiàn)鐵塔狀態(tài)信息采集、告警信息采集等功能。

監(jiān)測中心數(shù)據(jù)存儲(chǔ)子系統(tǒng)和監(jiān)測單元數(shù)據(jù)存儲(chǔ)子系統(tǒng)均通過MySql數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)，通過索引、分區(qū)表、存儲(chǔ)過程等方式提高數(shù)據(jù)讀寫效率，保證系統(tǒng)的處理性能。

監(jiān)測單元業(yè)務(wù)處理子系統(tǒng)負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、告警識(shí)別、告警上報(bào)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能，能夠控制GSM短消息模塊與監(jiān)測中心業(yè)務(wù)處理子系統(tǒng)進(jìn)行信息交互，并能通過通信協(xié)議轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與傳感層的交互。

監(jiān)測單元的本地管理子系統(tǒng)負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測站本地的數(shù)據(jù)配置、鐵塔狀態(tài)信息查看及告警信息查看等功能，采用B/S結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。

監(jiān)測單元的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)和采集傳感層的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換控制子系統(tǒng)負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)ZigBee通信信息的交互。監(jiān)測單元側(cè)通信協(xié)議轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)接收監(jiān)測單元業(yè)務(wù)處理子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)查詢請求，將請求信息封裝處理后通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)下發(fā)到采集傳感層的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換控制子系統(tǒng)；采集傳感層的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換控制子系統(tǒng)收到查詢請求后進(jìn)行消息識(shí)別，若滿足本地處理請求，則查詢傳感器的實(shí)時(shí)信息，并將查詢結(jié)果按設(shè)定格式返回給監(jiān)測單元側(cè)通信協(xié)議轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)；監(jiān)測單元側(cè)通信協(xié)議轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)收到查詢結(jié)果信息并做相應(yīng)處理后，將數(shù)據(jù)返回給監(jiān)測單元業(yè)務(wù)處理子系統(tǒng)。

采集傳感層的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換控制子系統(tǒng)，同時(shí)負(fù)責(zé)傳感器的供電控制，在節(jié)電模式下定時(shí)切斷傳感器的供電輸入，并在收到監(jiān)測單元的查詢請求后重新為傳感器供電。

采集傳感層的數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)鐵塔實(shí)時(shí)狀態(tài)信息的采集，由傳感器自帶的處理模塊實(shí)現(xiàn)。

2　ZigBee及GSM技術(shù)簡介

2.1ZigBee技術(shù)簡介

1) ZigBee技術(shù)特點(diǎn)

ZigBee技術(shù)是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)，其主要特點(diǎn)如下[2]。

超低功耗：由于ZigBee技術(shù)傳輸速率低、傳輸數(shù)據(jù)量很小、內(nèi)存使用量少，因此，信號(hào)的收發(fā)時(shí)間很短。ZigBee節(jié)點(diǎn)可以在大部分時(shí)間內(nèi)處于睡眠狀態(tài),所以ZigBee節(jié)點(diǎn)非常省電。

網(wǎng)絡(luò)容量大：一個(gè)ZigBee的網(wǎng)絡(luò)最多包括255 個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，其中一個(gè)是主控設(shè)備，其余則是從屬設(shè)備。若是通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)最多可以支持超過65 000個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。

時(shí)延短：ZigBee的響應(yīng)速度較快，從睡眠狀態(tài)轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需15 ms，節(jié)點(diǎn)連接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)只需要30 ms，既節(jié)約能源，又縮短了時(shí)間。相對而言，Bluetooth需要3～10 s，WiFi需要3 s。

安全性：ZigBee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，在數(shù)據(jù)傳輸中提供了三級(jí)安全性。ZigBee加密算法采用AES-128用來保護(hù)數(shù)據(jù)凈荷和防止攻擊者冒充合法器件，同時(shí)各個(gè)應(yīng)用可以靈活設(shè)定其安全性。

2) ZigBee設(shè)備分類

ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備，按功能可分為全功能設(shè)備（FFD）和簡化功能設(shè)備（RFD）；按設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中承擔(dān)的任務(wù)可分為協(xié)調(diào)器（Coordinator）、路由器（Router）和終端設(shè)備(End Device）。

ZigBee協(xié)調(diào)器是啟動(dòng)和配置網(wǎng)絡(luò)的一種設(shè)備。協(xié)調(diào)器可以保持間接尋址用的綁定表格，支持關(guān)聯(lián)，同時(shí)還能設(shè)計(jì)信任中心和執(zhí)行其他活動(dòng)。協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)正常工作以及保持同網(wǎng)絡(luò)其他設(shè)備的通信。一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)只允許有一個(gè)ZigBee協(xié)調(diào)器，ZigBee協(xié)調(diào)器是FFD設(shè)備。

ZigBee路由器是一種支持關(guān)聯(lián)的設(shè)備，能夠?qū)⑾l(fā)到其他設(shè)備。ZigBee網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)或樹型網(wǎng)絡(luò)可以有多個(gè)ZigBee路由器，ZigBee路由器也是FFD設(shè)備。

ZigBee終端設(shè)備可以執(zhí)行它的相關(guān)功能，并使用ZigBee網(wǎng)絡(luò)到達(dá)其他需要與之通信的設(shè)備，它的存儲(chǔ)器容量要求最少，可以用于ZigBee低功耗設(shè)計(jì)。ZigBee終端設(shè)備可以是FFD設(shè)備，也可以是RFD設(shè)備。

3) ZigBee網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

ZigBee技術(shù)具有強(qiáng)大的組網(wǎng)能力，可以形成星型、樹型和網(wǎng)狀網(wǎng)。

星型拓?fù)涫亲詈唵蔚囊环N拓?fù)湫问?，它包含一個(gè)Coordinator節(jié)點(diǎn)和一系列的End Device節(jié)點(diǎn)。每一個(gè)End Device節(jié)點(diǎn)只能和Coordinator節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通訊。如果需要在兩個(gè)End Device節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行通訊，必須通過Coordinator節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息轉(zhuǎn)發(fā)。星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

樹型拓?fù)浒ㄒ粋€(gè)Coordinator以及一系列的Router和End Device節(jié)點(diǎn)。Coordinator連接一系列的Router和End Device,其子節(jié)點(diǎn)的Router可連接一系列的Router和End Device，這樣可以重復(fù)多個(gè)層級(jí)。樹型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。

網(wǎng)狀拓?fù)浒粋€(gè)Coordinator和一系列的Router和End Device。其形式和樹型拓?fù)湎嗤哂懈`活的信息路由規(guī)則，路由節(jié)點(diǎn)之間可直接通訊。這種路由機(jī)制使得信息的通訊變得更有效率，且意味著一旦某個(gè)路由路徑出現(xiàn)問題，信息可以自動(dòng)的沿著其他路由路徑進(jìn)行傳輸。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示。

2.2GSM技術(shù)簡介

GSM是全球移動(dòng)通信系統(tǒng)的簡稱，其空中接口采用時(shí)分多址技術(shù)。GSM系統(tǒng)具有網(wǎng)絡(luò)容量大、頻譜效率高、接口開放、安全性高等特點(diǎn)。

GSM系統(tǒng)提供的業(yè)務(wù)分為4類[3]：電信業(yè)務(wù)、承載業(yè)務(wù)、補(bǔ)充業(yè)務(wù)和智能網(wǎng)業(yè)務(wù)。電信業(yè)務(wù)和承載業(yè)務(wù)屬于基本通信業(yè)務(wù)，補(bǔ)充業(yè)務(wù)是基本通信業(yè)務(wù)的補(bǔ)充，而智能網(wǎng)業(yè)務(wù)是在電信業(yè)務(wù)和承載業(yè)務(wù)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的增值業(yè)務(wù)。其中短消息業(yè)務(wù)屬于電信業(yè)務(wù)的一種。

3　ZigBee和GSM技術(shù)在鐵塔安全監(jiān)測系統(tǒng)中的優(yōu)勢

傳統(tǒng)的鐵路監(jiān)測業(yè)務(wù)主要通過監(jiān)測線纜將傳感器接入現(xiàn)場監(jiān)測儀、現(xiàn)場監(jiān)測儀再通過數(shù)據(jù)網(wǎng)或傳輸網(wǎng)匯總到監(jiān)測中心的有線組網(wǎng)方式實(shí)現(xiàn)，這種組網(wǎng)方式施工相對復(fù)雜且會(huì)占用大量的網(wǎng)絡(luò)資源。和傳統(tǒng)的監(jiān)測組網(wǎng)方式相比，使用ZigBee和GSM技術(shù)組網(wǎng)具有以下優(yōu)勢。

1) 節(jié)約鐵路網(wǎng)絡(luò)資源

鐵塔狀態(tài)變化是一個(gè)漸進(jìn)的過程，因此鐵塔監(jiān)測系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性要求可適當(dāng)降低，從而為GSM短消息技術(shù)的使用提供可能。

通過GSM短消息技術(shù)實(shí)現(xiàn)鐵塔監(jiān)測單元和監(jiān)測中心的交互，完成數(shù)據(jù)查詢、告警上報(bào)等業(yè)務(wù)操作，減少對鐵路有限的網(wǎng)絡(luò)資源占用，同時(shí)也保證了那些無法提供有線通信網(wǎng)絡(luò)條件的監(jiān)測點(diǎn)順利接入監(jiān)測網(wǎng)。

2) 提高監(jiān)測單元利用率，降低建設(shè)成本

鐵塔安全監(jiān)測系統(tǒng)需要監(jiān)測鐵路沿線的基站鐵塔和直放站鐵塔，如果為每個(gè)鐵塔都安裝監(jiān)測單元，將增加鐵路建設(shè)成本。同時(shí)，每個(gè)鐵塔的業(yè)務(wù)監(jiān)測量較少，監(jiān)測單元的利用率不高。

根據(jù)現(xiàn)場鐵塔分布情況，可通過ZigBee樹型或星型拓?fù)浼夹g(shù)將直放站鐵塔的監(jiān)測傳感器接入到所屬信號(hào)源基站鐵塔的監(jiān)測單元中，提高監(jiān)測單元的利用率，從而降低建設(shè)成本。

3) 提高施工效率，提升系統(tǒng)健壯性

監(jiān)測單元與監(jiān)測傳感器通過ZigBee組網(wǎng)通信，每個(gè)傳感器可獨(dú)立安裝，且不用安裝監(jiān)測傳感器與監(jiān)測單元通信的監(jiān)測線纜，大大降低安裝復(fù)雜度，減少安裝工作量，從而節(jié)約人力成本。另外，每個(gè)傳感器可根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際情況選擇最方便的位置進(jìn)行安裝，提高安裝靈活度，也提高了施工效率。

由于采用無線組網(wǎng)，不會(huì)發(fā)生因監(jiān)測線纜故障影響正常的監(jiān)測業(yè)務(wù)，可明顯提升系統(tǒng)的健壯性。

4) 更高的可擴(kuò)展性及可維護(hù)性

監(jiān)測單元與監(jiān)測傳感器通過ZigBee組網(wǎng)通信，方便新加監(jiān)測傳感器的接入；監(jiān)測單元與監(jiān)測中心通過GSM短消息通信，方便新加監(jiān)測單元的接入。通過ZigBee+GSM技術(shù)實(shí)現(xiàn)前端監(jiān)測站的組網(wǎng)接入，大大提高鐵塔監(jiān)測系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。

同時(shí)，各監(jiān)測傳感器和監(jiān)測單元以獨(dú)立模塊的方式運(yùn)行，單個(gè)傳感器或監(jiān)測單元故障不會(huì)影響其他模塊的使用，進(jìn)行維護(hù)時(shí)也只需修改或替換單一模塊，保證系統(tǒng)的可維護(hù)性。

4　系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

4.1監(jiān)測站側(cè)供電

鐵塔安全監(jiān)測系統(tǒng)為每個(gè)鐵塔安裝的監(jiān)測傳感器配置統(tǒng)一的配電控制器進(jìn)行供電，配電控制器支持AC 220 V和DC 48 V輸入，輸出為DC 12 V。如果現(xiàn)場允許接入鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)的配電箱，則通過綜合視頻配電箱給鐵塔監(jiān)測系統(tǒng)的配電控制器供電；否則，通過太陽能蓄電池為配電控制器供電。

監(jiān)測單元一般部署在通信基站的站房，可直接使用站房內(nèi)的電源供電。若監(jiān)測站側(cè)無法為監(jiān)測單元提供外電輸入，系統(tǒng)也支持使用太陽能蓄電池為監(jiān)測單元供電。

4.2節(jié)電模式控制

當(dāng)使用太陽能蓄電池供電時(shí)，為了降低監(jiān)測傳感器功耗，系統(tǒng)將采用節(jié)電模式控制傳感器的供電。

節(jié)電模式下，監(jiān)測單元的采樣周期將調(diào)整至分鐘級(jí)，采集傳感層在閑置模式下會(huì)自動(dòng)定時(shí)切斷傳感器的供電，并在收到監(jiān)測單元的查詢指令后重新為傳感器上電。

4.3鐵塔狀態(tài)趨勢分析

鐵塔的傾斜及沉降是一個(gè)漸變的過程，當(dāng)傾斜或沉降達(dá)到一定程度時(shí)，就有發(fā)生倒塔的可能，因此系統(tǒng)提供關(guān)鍵參數(shù)的趨勢分析功能。

趨勢分析結(jié)果以曲線圖形式呈現(xiàn)，結(jié)果中包含設(shè)定時(shí)間段內(nèi)按分析周期獲取的最大值、最小值和平均值。曲線圖中同時(shí)繪制設(shè)定的安全門限水位線，可直觀顯示鐵塔狀態(tài)參數(shù)值是否超過安全水位線，若有超過安全水位線的，將直觀的給出提示。

5　結(jié)束語

鐵塔安全監(jiān)測系統(tǒng)提升了鐵路通信鐵塔巡檢工作的效率，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)鐵塔的安全隱患，避免因倒塔影響行車或造成人員及財(cái)產(chǎn)損失。ZigBee+GSM技術(shù)的使用，顯著提升鐵塔安全監(jiān)測系統(tǒng)的效率，該技術(shù)值得在鐵路其他軌旁監(jiān)測業(yè)務(wù)中推廣?；赯igBee+GSM技術(shù)的鐵塔安全監(jiān)測系統(tǒng)更適合推廣到輸電領(lǐng)域，可解決電力塔側(cè)的通信及供電困難問題。

參考文獻(xiàn)

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(收稿日期：2015-03-19）

DOI:10.3969/j.issn.1673-4440.2016.01.009