基于ZigBee與GPRS的無線通信網(wǎng)絡(luò)在鐵路上的新應(yīng)用

楊濟(jì)琛 楊云 張玉東 李欣 李俊城 甘祖泉 邱廣

（華東交通大學(xué)，南昌 330013）

基于ZigBee與GPRS的無線通信網(wǎng)絡(luò)在鐵路上的新應(yīng)用

楊濟(jì)琛 楊云 張玉東 李欣 李俊城 甘祖泉 邱廣

（華東交通大學(xué)，南昌 330013）

概述ZigBee與GPRS技術(shù)各自的理論和特點(diǎn)，以及它們?cè)趪鴥?nèi)外的最新研究應(yīng)用狀況，分析兩種技術(shù)結(jié)合之后所形成的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)局面。設(shè)計(jì)一個(gè)基于ZigBee和GPRS兩種無線通信方式的鐵路自然災(zāi)害智能報(bào)警系統(tǒng)。

ZigBee；GPRS；鐵路自然災(zāi)害；智能報(bào)警

近年來，隨著我國鐵路線路總長不斷的增加，鐵路不斷的加大加強(qiáng)發(fā)展，“鐵路行車安全”這個(gè)話題也在不斷的被國民關(guān)注并多次成為輿論熱點(diǎn)。而復(fù)雜的地理氣候自然環(huán)境，也造就了我國是世界上自然災(zāi)害發(fā)生最頻繁的國家之一的現(xiàn)實(shí)，鐵路部門也自然成為最嚴(yán)重的受災(zāi)者之一。為更強(qiáng)效的減少并防止自然災(zāi)害給國民經(jīng)濟(jì)及人身安全造成的重大損失及威脅，現(xiàn)代鐵路需要具備一套更加完備可靠的報(bào)警系統(tǒng)。本文設(shè)計(jì)一個(gè)基于ZigBee與GPRS兩種無線網(wǎng)絡(luò)通信方式相結(jié)合的智能監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)，具備監(jiān)測(cè)自然災(zāi)害對(duì)鐵路沿線造成的側(cè)移量、覆蓋量和下沉量的功能，能夠在自然災(zāi)害發(fā)生并影響到行車安全時(shí)，及時(shí)準(zhǔn)確的發(fā)出報(bào)警信號(hào)，提醒相關(guān)鐵路部門工作人員。

1 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

1.1 ZigBee技術(shù)簡介

ZigBee技術(shù)是一種基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)低功耗局域網(wǎng)協(xié)議的短距離無線通信技術(shù)。一般構(gòu)成星型網(wǎng)絡(luò)、樹狀網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)3種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。ZigBee協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)層從下到上分別為：物理層(PHY)、媒體訪問控制層(MAC)、傳輸層(TL)、網(wǎng)絡(luò)層(NWK)、應(yīng)用層(APL)。

ZigBee技術(shù)具有近距離、短時(shí)延、低速率、高容量、高安全、低功耗、免執(zhí)頻、低成本的特點(diǎn)。在研究應(yīng)用方面，國外研究起步較早，而國內(nèi)較晚，但目前ZigBee技術(shù)已經(jīng)在世界上廣泛應(yīng)用，主要應(yīng)用于智能家居、智能交通等領(lǐng)域。而近年來國內(nèi)各大高校也相繼開展了許多基于ZigBee而構(gòu)建的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目，ZigBee技術(shù)在短距離無線通信領(lǐng)域中顯得生機(jī)勃勃，趨向繁榮。

1.2 GPRS技術(shù)簡介

GPRS技術(shù)，是一種基于GSM系統(tǒng)的廣域無線通信技術(shù)。其提供端到端的無線IP連接，以“分組”的形式將資料傳送到用戶手上。因其借助于移動(dòng)公司的信號(hào)塔來傳輸信號(hào)，故而一般情況下其穩(wěn)定性良好。

GPRS技術(shù)具有永遠(yuǎn)在線、費(fèi)用低廉、快速登錄、信道保障、高速傳輸、組網(wǎng)靈活、防雷擊的特點(diǎn)。在研究應(yīng)用方面，GPRS應(yīng)用范圍很廣，具有多種類型的業(yè)務(wù)，主要運(yùn)用于交通運(yùn)輸和公共安全等領(lǐng)域。目前國內(nèi)4G已經(jīng)開始逐步普及，而3G已經(jīng)廣泛應(yīng)用，國外如韓國等發(fā)達(dá)國家4G已經(jīng)普及，正在向5G進(jìn)軍。但該系統(tǒng)本著低成本、實(shí)用的原則，依然采用GPRS來與ZigBee進(jìn)行結(jié)合，且由這兩種長短距離的無線通信方式所構(gòu)成的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)局面，可以很好的滿足系統(tǒng)在數(shù)據(jù)傳輸方面的需求。

2 系統(tǒng)總體方案

整個(gè)系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊、通信模塊、上位機(jī)模塊3部分組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。本方案提出利用GPRS和ZigBee兩種無線通信方式來向上位機(jī)傳遞由各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)所采集到的數(shù)據(jù)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

在ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中有協(xié)調(diào)器、路由器、終端節(jié)點(diǎn)3種節(jié)點(diǎn)。本系統(tǒng)ZigBee采用星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，它是由安裝在鐵路沿線的一組（本系統(tǒng)中為5個(gè)）數(shù)據(jù)終端節(jié)點(diǎn)與1個(gè)協(xié)調(diào)器構(gòu)成的，其中協(xié)調(diào)器除了構(gòu)建及維護(hù)網(wǎng)絡(luò)外，還承擔(dān)路由功能。星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。在利用ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的同時(shí)，采用GPRS網(wǎng)絡(luò)接收并傳輸協(xié)調(diào)器收集到的終端節(jié)點(diǎn)所采集的數(shù)據(jù)，一個(gè)GPRS模塊對(duì)應(yīng)一個(gè)協(xié)調(diào)器。通過在鐵路沿線安裝多組星型網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)來構(gòu)成一個(gè)大的數(shù)據(jù)采集網(wǎng)，從而有效解決了因其中一個(gè)或幾個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障而導(dǎo)致系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)誤差太大問題。而在數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)與GPRS模塊處分別添加看門狗設(shè)置，使其具有斷電復(fù)位功能，這樣就實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集模塊、通信模塊與上位機(jī)模塊三者之間的呼叫應(yīng)答，從而有效解決了系統(tǒng)數(shù)據(jù)誤差問題。

圖2 星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中，ZigBee模塊采用TI公司的型號(hào)為CC2530的無線通信模塊，它的閃存值為256 kB，擦除周期為20 kB，具有+4 dBm的可編程輸出功率。該模塊有一套廣泛的外設(shè)集且具有良好的接收器靈敏度和健壯的抗干擾性。GPRS模塊采用Simcom公司型號(hào)為SIM900的無線通信模塊，它不僅支持GSM/GPRS通信，內(nèi)嵌了TCP/IP協(xié)議棧，還具有RS-232串口等接口，具有射頻天線以及支持SIM卡連接。該模塊采用AT指令進(jìn)行控制，易操作且很適合系統(tǒng)集成與軟件開發(fā)，自帶串口也便于與MSP430進(jìn)行串口通信。本系統(tǒng)中ZigBee模塊與GPRS模塊之間以及與上位機(jī)進(jìn)行連接的GPRS部分模塊與上位機(jī)之間，均采用串口連接方式。前者采取此種連接方式具有可靠、接口簡單的優(yōu)點(diǎn)，而后者則可以通過此種連接方式實(shí)時(shí)顯示由下位機(jī)傳來的數(shù)據(jù)，便于調(diào)試。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)軟件采用C#語言編寫，具有實(shí)時(shí)監(jiān)控、報(bào)警顯示、實(shí)時(shí)定位、歷史查詢、打印報(bào)表等功能。系統(tǒng)可以對(duì)鐵路各數(shù)據(jù)采集點(diǎn)所在線路的狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，當(dāng)鐵路線路出現(xiàn)狀況時(shí)，監(jiān)控界面將會(huì)定位在具體地理位置上，并彈出報(bào)警信息即界面原線路相關(guān)部分會(huì)閃爍且紅白雙色之間隔秒轉(zhuǎn)換，同時(shí)發(fā)出警報(bào)提示音。系統(tǒng)利用SQL數(shù)據(jù)庫進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，從而實(shí)現(xiàn)歷史查詢和打印報(bào)表的功能。用戶可根據(jù)需求對(duì)路段、日期、時(shí)間進(jìn)行設(shè)置，系統(tǒng)按照設(shè)置內(nèi)容從數(shù)據(jù)庫中對(duì)歷史信息進(jìn)行查詢，并顯示查詢結(jié)果。系統(tǒng)界面友好、人性化，具有強(qiáng)大功能的同時(shí)，操作簡便，處理事故節(jié)約時(shí)間，減小工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。監(jiān)控系統(tǒng)軟件界面如圖3所示。

圖3 監(jiān)控系統(tǒng)軟件界面

4.2 終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

首先，由協(xié)調(diào)器構(gòu)建一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，然后處于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)請(qǐng)求模式的5個(gè)終端節(jié)點(diǎn)向協(xié)調(diào)器發(fā)送建立連接的請(qǐng)求信令，協(xié)調(diào)器收到此信令后，開始連接網(wǎng)絡(luò)，連接成功后返回一個(gè)確認(rèn)幀給終端節(jié)點(diǎn)。當(dāng)終端節(jié)點(diǎn)收到確認(rèn)幀之后開始采集鐵路沿線的狀況數(shù)據(jù)，并將其收集到的數(shù)據(jù)打包發(fā)送給協(xié)調(diào)器。每當(dāng)終端節(jié)點(diǎn)向協(xié)調(diào)器發(fā)送一次數(shù)據(jù)之后，協(xié)調(diào)器都要返回一個(gè)確認(rèn)信令給終端節(jié)點(diǎn)，當(dāng)終端節(jié)點(diǎn)成功收到協(xié)調(diào)器發(fā)送的確認(rèn)信令后，此次數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束，開始進(jìn)行下一次的數(shù)據(jù)采集與傳輸。如果終端節(jié)點(diǎn)未成功收到協(xié)調(diào)器發(fā)送過來的確認(rèn)信令，那么它將在3次未成功連接之后進(jìn)行斷電復(fù)位，開始采集并發(fā)送新的數(shù)據(jù)給協(xié)調(diào)器。終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)流程如圖4所示。

圖4 終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)流程圖

4.3 協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計(jì)

當(dāng)協(xié)調(diào)器與終端節(jié)點(diǎn)之間構(gòu)建好網(wǎng)絡(luò)之后，協(xié)調(diào)器便開始準(zhǔn)備接收終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，當(dāng)收到數(shù)據(jù)后，將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行打包處理，然后經(jīng)由已經(jīng)通過PPP協(xié)議構(gòu)建好網(wǎng)絡(luò)的GPRS發(fā)送給上位機(jī)。與終端節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)相同，本系統(tǒng)中，GPRS也具有斷電復(fù)位的功能。協(xié)調(diào)器設(shè)計(jì)流程如圖5所示。

5 結(jié)語

圖5 協(xié)調(diào)器設(shè)計(jì)流程圖

目前，我國鐵路在自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)報(bào)警方面存在著諸多不足之處?；赯igBee和GPRS兩種無線通信方式的監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)，在傳輸數(shù)據(jù)方面表現(xiàn)出其可靠、安全的特性，同時(shí)兩種通信方式的結(jié)合帶來的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，也更加展現(xiàn)了整套系統(tǒng)的科學(xué)可行性與創(chuàng)新性。在如今的互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)時(shí)代里，物聯(lián)網(wǎng)與無線通信等技術(shù)也在日趨成熟并飛速發(fā)展，此套系統(tǒng)立足于時(shí)代技術(shù)的前沿，集靈活、經(jīng)濟(jì)、可靠、智能等諸多優(yōu)點(diǎn)于一身，很好的解決鐵路運(yùn)輸在安全方面因自然災(zāi)害帶來的隱患與威脅的問題，確保國家經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)與國民人身安全不受損害，從而滿足鐵路、國家以及廣大人民的需求。而隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，本套系統(tǒng)也將更加成熟。

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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）