基于ZigBee-GPRS技術(shù)的城市軌道交通列車(chē)關(guān)鍵設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

劉永樂(lè)于 毅趙 慧曲 昕(.中國(guó)聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司大連市分公司,608,大連; .大連交通大學(xué)電氣信息學(xué)院,608,大連∥第一作者,碩士)

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基于ZigBee-GPRS技術(shù)的城市軌道交通列車(chē)關(guān)鍵設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

劉永樂(lè)1于 毅2趙 慧2曲 昕2
(1.中國(guó)聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司大連市分公司,116018,大連; 2.大連交通大學(xué)電氣信息學(xué)院,116028,大連∥第一作者,碩士)

摘 要在對(duì)關(guān)鍵設(shè)備的監(jiān)測(cè)中,目前運(yùn)營(yíng)單位普遍采用串行通信技術(shù)(如RS 232、RS 485等)作為主要的數(shù)據(jù)傳輸手段。如果被監(jiān)測(cè)設(shè)備離監(jiān)測(cè)中心較遠(yuǎn),則需要花費(fèi)大量的人力物力鋪設(shè)電纜、光纜及配套設(shè)施;并且由于通信距離長(zhǎng),一旦鏈路出現(xiàn)故障,難以在短時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)確定位。國(guó)內(nèi)一些科研院所及行業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)相繼提出基于ZigBee-GPRS(低功耗局域網(wǎng)協(xié)議-通用分組無(wú)線(xiàn)服務(wù))模型的數(shù)據(jù)通信方式,并在農(nóng)業(yè)微灌、油井監(jiān)測(cè)、電力設(shè)備監(jiān)測(cè)等系統(tǒng)得到成功應(yīng)用。結(jié)合GPRS網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的優(yōu)勢(shì),以嵌入式Linux系統(tǒng)為平臺(tái),提出一種適用于城市軌道交通列車(chē)關(guān)鍵設(shè)備監(jiān)測(cè)的復(fù)合型ZigBee-GPRS系統(tǒng)模型。與紅外、藍(lán)牙等技術(shù)相比,節(jié)約能耗,傳輸距離遠(yuǎn);與傳統(tǒng)有線(xiàn)傳輸方式相比鋪設(shè)成本低。

關(guān)鍵詞城市軌道交通列車(chē);低功耗局域網(wǎng)協(xié)議;通用分組無(wú)線(xiàn)服務(wù)技術(shù);設(shè)備監(jiān)測(cè)

First-author′s address China Unicom Dalian Branch, 116018,Dalian,China

城市軌道交通(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“城軌”)主要設(shè)施和列車(chē)關(guān)鍵設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)直接關(guān)系到乘客的出行安全,對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)是保證安全的有效解決方法之一。例如,使用電力載波通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)工作電壓在線(xiàn)監(jiān)測(cè);使用地面紅外探測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)車(chē)軸溫實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[1-2]。但是,現(xiàn)有監(jiān)測(cè)技術(shù)中的串行通信技術(shù)因其價(jià)格昂貴、布線(xiàn)復(fù)雜、難以維護(hù)等原因,難以在城軌列車(chē)中大規(guī)模使用。

ZigBee(低功耗局域網(wǎng)協(xié)議)技術(shù)[3]是一種新興的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù),與藍(lán)牙、紅外等無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)相比,低功耗、低成本,更能夠滿(mǎn)足低能高效的要求。然而,ZigBee技術(shù)是短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù),需要結(jié)合可靠性高、傳輸速率適當(dāng)?shù)倪h(yuǎn)距離通信手段以滿(mǎn)足要求。通用分組無(wú)線(xiàn)服務(wù)[4](General Packet Radio Service,簡(jiǎn)為GPRS)技術(shù)在原有的全球移動(dòng)通信系統(tǒng)(GSM)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上添加服務(wù)GPRS支持節(jié)點(diǎn)(SGSN)、網(wǎng)關(guān)GPRS支持節(jié)點(diǎn)(GGSN)等網(wǎng)關(guān)實(shí)體,并對(duì)軟硬件進(jìn)行更新,提供中速的無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。采用的分組交換數(shù)據(jù)傳輸方式實(shí)現(xiàn)永久在線(xiàn)、按流量計(jì)費(fèi)等功能,提供了一個(gè)良好的遠(yuǎn)距離無(wú)線(xiàn)傳輸平臺(tái)。

ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與GPRS結(jié)合,用于城軌列車(chē)關(guān)鍵設(shè)備監(jiān)測(cè),節(jié)約能耗、傳輸距離遠(yuǎn)、成本低,能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端監(jiān)控中心對(duì)城軌列車(chē)關(guān)鍵設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

1　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

因列車(chē)總體分布狀況呈線(xiàn)性,ZigBee網(wǎng)絡(luò)應(yīng)以線(xiàn)性方式組網(wǎng)、多跳方式傳輸。節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)裝置安裝在列車(chē)上,考慮列車(chē)總長(zhǎng)度較短,讓每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)都作為子節(jié)點(diǎn)直接接入網(wǎng)絡(luò)與匯聚節(jié)點(diǎn)通信,能夠簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜程度,避免多跳傳輸帶來(lái)的通信問(wèn)題。匯聚節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)收集后通過(guò)串口通信方式傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)處理模塊,進(jìn)而通過(guò)GPRS撥號(hào)上網(wǎng)的方式,與遠(yuǎn)端監(jiān)控中心建立連接,將現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)傳回。監(jiān)控中心的上位機(jī)可通過(guò)組態(tài)軟件等手段設(shè)計(jì)出可視化監(jiān)控界面,對(duì)列車(chē)信息進(jìn)行更加直觀(guān)的監(jiān)測(cè)[5]。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2　系統(tǒng)組成設(shè)計(jì)

2.1數(shù)據(jù)融合處理

在城軌列車(chē)設(shè)備監(jiān)測(cè)中,需要將監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)以數(shù)字量的形式傳送給處理器。CPU(中央處理器)在計(jì)算和處理后,將結(jié)果以數(shù)字量的形式輸出,或者轉(zhuǎn)換為控制量反饋給設(shè)備,或者進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)。因此,在處理器和傳感器之間,必須設(shè)置信息傳遞和變換連接通道,按性質(zhì)監(jiān)測(cè)信息分為模擬量和數(shù)字量[6]。

針對(duì)模擬量,把監(jiān)測(cè)的模擬信號(hào),如電壓、電流、轉(zhuǎn)速、溫度、流量、壓力等,轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字量,并輸入CPU。對(duì)于非電物理量,還需經(jīng)相應(yīng)的傳感器和變送器,把它換為統(tǒng)一的電信號(hào),然后進(jìn)行模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換。

針對(duì)數(shù)字量,輸入一般按組進(jìn)行,每組輸入數(shù)字量的位數(shù)和CPU字長(zhǎng)相等。來(lái)自被測(cè)對(duì)象的數(shù)字量經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路調(diào)整后,再經(jīng)I/O(輸入/輸出)接口或帶有三態(tài)控制的數(shù)據(jù)鎖存緩沖器與CPU數(shù)據(jù)總線(xiàn)相連。

2.2數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)

數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)使用JENNIC公司的JN 5148-001[7]模塊。該模塊是針對(duì)ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議而開(kāi)發(fā)的一款超低功耗、高能效的無(wú)線(xiàn)微控制器。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)工作電流為18 m A,接收數(shù)據(jù)時(shí)為15 m A。32位精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)(RISC)處理器通過(guò)可變長(zhǎng)指令集,提供高效編碼率,并擁有多級(jí)的命令管道和低功率的可編程時(shí)鐘速率。它包含基于IEEE 802. 15.4標(biāo)準(zhǔn)的2.4 GHz無(wú)線(xiàn)收發(fā)器、128 k B的只讀存儲(chǔ)器(ROM)和隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM),以及豐富的模擬、數(shù)字外部設(shè)備。大容量存儲(chǔ)器引腳允許設(shè)備同時(shí)運(yùn)行在ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧和嵌入式應(yīng)用程序或協(xié)處理器模式。

2.3GPRS模塊

GPRS模塊選用華為公司GTM 900模塊,其應(yīng)用較為廣泛,能夠?qū)崿F(xiàn)GSM網(wǎng)絡(luò)下的各種無(wú)線(xiàn)傳輸業(yè)務(wù),價(jià)格合理、性能可靠,且便于升級(jí)。模塊主要由GSM射頻模塊、GSM基帶處理器、供電模塊、天線(xiàn)接口等組成。其中基帶處理器作為核心部件,主要處理GSM終端內(nèi)的語(yǔ)音/數(shù)據(jù)信號(hào),并涵蓋蜂窩射頻設(shè)備中的模擬數(shù)字功能。工作頻段為EGSM 900/GSM 1 800雙頻;最大發(fā)射功率為EGSM 900 Class4(2W)、GSM 1 800 Class1(1W);接收靈敏度＜-106 d Bm;工作溫度為-20℃～+ 70℃;電源電壓為3.4～4.7 V;平均待機(jī)電流為3.5 m A(非連續(xù)接收DRX=5);關(guān)機(jī)漏電流為50 μA;協(xié)議為支持GSM/GPRS Phase2/2+;AT(調(diào)制解調(diào)器命令語(yǔ)言)命令為GSM標(biāo)準(zhǔn)AT命令。

2.4ZigBee-GPRS網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

ZigBee-GPRS網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)功能分為兩個(gè)方面:首先,將無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)采集的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)按設(shè)定速度通過(guò)串口通信方式接收到FIFO(先入先出)緩沖區(qū)。為方便調(diào)試,系統(tǒng)測(cè)試過(guò)程中將JN 5148串口引腳做成了USB(通用串行總線(xiàn))接口,再連接到OK 6410開(kāi)發(fā)板;然后,嵌入式處理器通過(guò)串口向GPRS模塊發(fā)送特定的AT命令,從而將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)端監(jiān)控的中心。

嵌入式網(wǎng)關(guān)選用三星公司基于ARM 11架構(gòu)的S3C 6410芯片作為微處理器,并與GTM 900模塊共同實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能。ZigBee節(jié)點(diǎn)、S3C6410微處理器和GPRS模塊之間均采用RS 232串口標(biāo)準(zhǔn)通信。S3C6410是一個(gè)16/32位RISC微處理器,為2.5 G和3 G通信服務(wù)提供優(yōu)化的H/W(變速/帶寬)性能,S3C6410采用了64/32位內(nèi)部總線(xiàn)架構(gòu)。內(nèi)部總線(xiàn)結(jié)構(gòu)由高級(jí)可擴(kuò)展接口(AXI)、先進(jìn)高性能(AHB)和高級(jí)外設(shè)(APB)總線(xiàn)組成,還包括許多強(qiáng)大的硬件加速器,例如視頻處理、音頻處理、二維圖形、顯示操作和縮放等。

3　系統(tǒng)構(gòu)建

3.1硬件構(gòu)建

Zigbee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、GPRS通信模塊與S3C6410嵌入式處理器間均采用通用異步傳輸器(UART)串口方式通信,接收數(shù)據(jù)引腳(RXD)與發(fā)送數(shù)據(jù)引腳(TXD)直接相連。一方面CPU讀取節(jié)點(diǎn)JN 5148傳輸?shù)谋O(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),另一方面通過(guò)向GPRS模塊發(fā)送AT命令控制GTM 900通信模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。因?yàn)镚PRS網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸速率遠(yuǎn)大于節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)總量,因此并沒(méi)有數(shù)據(jù)緩存問(wèn)題。JN 5148部分電路原理圖與GPRS部分電路原理圖分別見(jiàn)圖2和圖3。

3.2軟件系統(tǒng)構(gòu)建

嵌入式網(wǎng)關(guān)選擇在Initramfs系統(tǒng)下運(yùn)行,上位機(jī)開(kāi)發(fā)環(huán)境選擇使用WMWARE虛擬機(jī),可以有效地節(jié)省資源,運(yùn)行Red Hat Enterprise Linux紅帽企業(yè)版操作系統(tǒng)。嵌入式硬件平臺(tái)選用OK 6410開(kāi)發(fā)板作為試驗(yàn)平臺(tái),上位機(jī)交叉編譯開(kāi)發(fā)工具鏈?zhǔn)褂胊rm-linux-gcc-4.5.1-v6-vfp。

圖2　JN 5148部分電路原理圖

系統(tǒng)內(nèi)核部分采用Linux 2.6.36版本、Tilera處理器架構(gòu)支持、新的文件通知接口Fanotify; Intel顯卡上實(shí)現(xiàn)密鑰管理服務(wù)(KMS)和Linux內(nèi)核調(diào)試器(KDB)整合,并行管理工作隊(duì)列;Intel i 3/5平臺(tái)上內(nèi)置顯卡和CPU的智能電源管理;通用網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)(CIFS)本地緩存,改善虛擬內(nèi)存的層級(jí)結(jié)構(gòu),提升桌面操作響應(yīng)速度,改善虛擬內(nèi)存溢出終結(jié)器的算法,整合App Armor安全模型。

4　系統(tǒng)測(cè)試

首先在PC(個(gè)人計(jì)算機(jī))機(jī)上建立一個(gè)傳輸控制協(xié)議(TCP)服務(wù)器,如圖4所示。在GPRS模塊撥號(hào)過(guò)程中需要提供TCP服務(wù)器的IP(網(wǎng)絡(luò)之間互連的協(xié)議)地址,如果TCP服務(wù)器所在的PC機(jī)存在于一個(gè)內(nèi)網(wǎng)中(通過(guò)路由器再次分配地址),則需要在路由器設(shè)置頁(yè)面的虛擬服務(wù)器處,將隔離區(qū)(DMZ)主機(jī)IP換為本機(jī)地址,如圖5所示。其目的是將所有針對(duì)廣域網(wǎng)服務(wù)端口段范圍的訪(fǎng)問(wèn)重新定位給通過(guò)IP地址指定的局域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。

對(duì)方IP為“117.136.5.199”,發(fā)送數(shù)據(jù)1234@到TCP對(duì)端。Zigbee父節(jié)點(diǎn)在設(shè)備初始化后就自動(dòng)地建立網(wǎng)絡(luò),并允許子節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò),如圖6所示。

圖3　GPRS部分電路原理圖

圖4　TCP測(cè)試服務(wù)器

圖5　TCP服務(wù)器測(cè)試成功

5　結(jié)語(yǔ)

本文將低功耗、低成本的ZigBee技術(shù)與穩(wěn)定、可靠的GPRS技術(shù)相結(jié)合,以L(fǎng)inux為系統(tǒng)平臺(tái),為城軌列車(chē)提供無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程傳輸平臺(tái)。通過(guò)Zigbee組網(wǎng)和GPRS數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的測(cè)試,基本上實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要功能,可以根據(jù)實(shí)際監(jiān)測(cè)環(huán)境更換不同種類(lèi)的傳感器以滿(mǎn)足相應(yīng)的城軌設(shè)備監(jiān)測(cè)要求,達(dá)到預(yù)期效果。

圖6　終端節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)

參考文獻(xiàn)

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Key Equipment Monitoring System in Rail Transit Train Based on ZigBee-GPRS Technology

Liu Yongle,Yu Yi,Zhao Hui,Qu Xin

AbstractIn key equipment monitoring system,serial communication technique(such as RS232,RS485 etc.)is commonly used as the main means of data transmission.If the monitored equipment is far away from the monitoring center,a lot of manpower must be spent on laying cables and supporting facilities.Besides,any link fault happens in the long distance communication,it will be difficult to detect the accurate position in a short time.Some domestic research institutes and leading industries in China have proposed data communication system based on ZigBee-GPRS model,which has been successfully applied in agricultural micro irrigation,oil well monitoring and power equipment monitoring system.By way of combining the advantages of both Studying on GPRS network technology and ZigBee sensor network with Linux system as the platform,a composite Zig Bee-GPRS system suitable for monitoring the key equipment of rail transit train is proposed.Compared with the infrared and bluetooth technologies,this system could save energy,increase the transmission distance and reduce the laying costs compared with the traditional wired transmission mode.

Key wordsurban rail transit train;ZigBee;general packet radio service(GPRS);equipment monitoring

(收稿日期:2014-04-06)

DOI:10.16037/j.1007-869x.2016.02.026

中圖分類(lèi)號(hào)U 285.4+4