基于ZigBee技術的鐵路隧道應急通信系統研究與設計

■ 孫魯泉

基于ZigBee技術的鐵路隧道應急通信系統研究與設計

■ 孫魯泉

鐵路作為國家的經濟大動脈，在交通運輸系統中起著舉足輕重的作用，其旅客和貨物的運輸量大大超過了其他運輸方式。也正因如此，在鐵路系統中出現事故、險情等突發事件時，如果搶險不及時，損失將是巨大的，因此，在應急搶險過程中通信保障和調度指揮顯得尤為重要。目前鐵路隧道通信主要采用中繼器、直放站、漏纜等設備實現無線場強覆蓋，供電方式采用接觸網供電。當發生自然災害、隧道塌方、接觸網斷電、電纜損壞等異常情況時，上述通信手段將失去作用。尤其是一些長大隧道，由于無線場強覆蓋差，民用手機、衛星通信等無法解決長大隧道的應急通信。基于此研究便攜式、低功耗的無線語音通信系統，解決隧道應急搶險人員間的聯系，是目前急需解決的問題。設計研究了基于ZigBee技術的隧道應急通信系統（簡稱系統），利用節點的自組織網絡結構，實現了節點與節點之間的通信，有效解決了隧道應急通信的難題。

1 ZigBee技術

ZigBee是基于IEEE802.15.4標準的無線通信技術，與其他無線通信技術相比，具有短距離、低復雜度、低功耗、低速率、低成本等特點（見表1）。整個網絡最多可容納65 000個網絡節點，通過相互協調實現網絡節點通信，通信距離可以從標準的75 m擴展到幾百米，甚至幾公里、十幾公里。ZigBee作為一種基于低速無線個人局域網絡的雙向無線通信技術標準，具有較強的自組網及網絡自愈能力、網絡擴展性能好、網絡容量大、時延短等特點。

2 總體方案設計

2.1 總體設計要求

根據隧道應急通信系統應用環境背景，系統設計必須滿足以下要求：

（1）嚴格控制整個系統的功耗水平，保障電池的長時間供電，解決在停電、斷電情況下的應急通信。

（2）確保系統在現場使用的簡單方便，控制系統體積，使語音通信終端具備便攜移動性，人機界面友好。

（3）確保系統的可拓展性，能通過增加中繼節點擴展無線系統的通信范圍，且加入網絡后不影響網絡的正常運行，同時各終端節點間通信自由。

表1 幾種無線通信技術主要指標比較

（4）系統可以與區間通話柱互聯，實現移動用戶與鐵路PSTN固定電話間的語音通信。

2.2 系統方案設計

針對系統總體設計要求，基于ZigBee通信技術，設計一種低編碼速率、自動中繼遠距離傳輸、低功耗電池供電的語音通信方案。該系統由ZigBee協調器完成網絡形成和初始化，網絡具有自組織功能，無需人工干預，系統上電后，網絡節點能夠自動感知其他網絡節點的存在，并確定連接關系，組成結構化的數據傳輸網絡。無線語音通信終端可在整個網絡覆蓋的范圍內自由移動，與網絡中的其他終端進行通話。當需要與公網固定電話通信或外界固定電話接入時，可以通過轉接模塊轉撥給相應的無線語音通信終端或固定電話機，實現有線與無線的互聯、專網與公網的語音通信。系統主要由以下部分組成：ZigBee專用網絡協調器、ZigBee專用網絡路由器、無線語音通信終端、專用網絡公網接入器。系統結構見圖1。

（1）專用網絡協調器：主要完成網絡的初始化，負責啟動、維護網絡，配置網絡成員地址，維護節點的綁定關系等。

（2）專用網絡路由節點：負責將消息轉發到其他設備，主要實現擴展網絡通信距離及路由消息的功能。

（3）無線語音終端：作為網絡終端設備，實現各節點的通信功能。

（4）專用網絡公網接入器：無線語音通信終端與固定電話機相互接入，實現有線與無線的互聯、專網與公網的語音通信。

2.3 系統主控芯片選擇

圖1 系統結構

為了使系統中各個模塊之間有條不紊的工作，選擇合適的主控芯片非常關鍵。基于系統低功耗、實時性處理等多方面設計要求考慮，選擇TI公司16位超低功耗的混合信號控制器MSP430F5438作為中心控制處理器，完成語音數據緩存及系統控制任務。MSP430F5438具有業界最低的功耗，活動模式消耗電流為165μA/MHz，待機模式消耗電流為2.5μA，保持模式消耗電流為1.5μA，關斷模式消耗電流為0.1μA。另外MSP430F5438具有豐富的IO端口及片內集成的大量CPU外圍模塊，完全滿足系統的設計。

2.4 語音編解碼算法設計

目前在語音處理系統中有多種壓縮編碼算法，在這些編碼算法中，美國語音系統公司的AMBE算法具有較大優勢。與其他算法相比，該算法不僅碼率低，在低波特率下能保持優良的語音合成自然度效果，同時具有良好的抗背景噪聲能力，又可對信道誤碼進行一定程度的糾錯。在系統設計中選擇AMBE-1000芯片實現系統語音的編解碼。

2.5 無線語音通信協議選定

無線通信協議選擇了先進的ZigBee技術。ZigBee技術是一種結構簡單、低功耗、低數據速率、低成本和高可靠性的雙向微功率網格式無線接入技術，具備自組織自配置能力，其網絡容量很大，是一種低速近距離的無線通信技術。

2.6 系統電源方案設計

電源設計是整個系統的重要組成部分，在系統電源設計中，為了降低電路設計中不同職能模塊間的相互干擾，采用部分功能模塊單獨供電的方式（見圖2）。系統上電后，輸入電壓經專用電源芯片處理得到穩定的3.0 V和5.0 V兩路電壓輸出，分別供不同模塊使用。電源設計中，采用四片電源芯片，目的是為降低系統設計中由統一電源擾動引起的各模塊間的相互干擾，同時也可降低系統電源芯片負載，使系統工作更加穩定、可靠。

3 系統試驗

為了測試系統的有效傳輸距離和固定電話接入功能，在西康線秦嶺特長隧道進行了功能驗證。西康線秦嶺隧道測試過程見圖3，其中K100＋630區間通話柱位于隧道口。本次試驗使用2個基于ZigBee技術的無線語音終端（即圖3中的終端1、終端2），通過公網接入器接入區間通話柱連接到鐵路PSTN網絡。公網接入器經電話線與區間通話柱的“自動電話”相連并放置高處。專用網絡路由節點放置在隧道K99＋500處墻壁上。專用無線語音網絡協調器安裝在隧道口附近，距離地面約為3 m，協調器啟動后，工作狀態指示燈以1 Hz頻率閃爍，公網接入器、用戶1、用戶2即可正常啟動，并加入網絡，進入工作狀態。

圖2 系統電源方案

圖3 西康線秦嶺隧道測試過程示意

圖4 記錄表1

圖5 記錄表2

試驗方法：（1）將終端1放置在K100＋630處，其他終端與其通話測試有效距離和聲音效果記錄見圖4。（2）將公網接入器接入K100＋630區間通話柱，終端撥打自動電話試驗，試驗記錄見圖5。

試驗結論：通過現場測試、數據記錄情況表明該系統在隧道內無線傳輸可靠清晰，傳輸有效距離長，并能接入區間自動電話，實現了無線與有線的轉接功能。

4 結束語

以鐵路局科研項目為依托，研究了基于ZigBee技術的鐵路隧道應急通信系統，完成了原理樣機的設計與實現。經過實驗室和現場試驗，該系統可以應用到鐵路隧道應急搶險指揮中，除了使用ZigBee技術外，該系統又可與鐵通PSTN固定電話網絡相連，實現了調度中心與應急現場之間的應急指揮。目前該系統設備已在一些站段推廣使用，對使用單位提出的如設備便攜性、操作性等問題也進行了改進。力爭使該系統發揮ZigBee技術優勢，解決鐵路隧道應急通信中的難題，為鐵路隧道應急搶險提供可靠的通信手段。

孫魯泉：西安鐵路局電務處，工程師，陜西西安，710054

責任編輯 高紅義