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

楊濟琛 楊云 張玉東 李欣 李俊城 甘祖泉 邱廣

（華東交通大學，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

楊濟琛 楊云 張玉東 李欣 李俊城 甘祖泉 邱廣

（華東交通大學，南昌 330013）

概述ZigBee與GPRS技術(shù)各自的理論和特點，以及它們在國內(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)勢互補局面。設(shè)計一個基于ZigBee和GPRS兩種無線通信方式的鐵路自然災(zāi)害智能報警系統(tǒng)。

ZigBee；GPRS；鐵路自然災(zāi)害；智能報警

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發(fā)展，“鐵路行車安全”這個話題也在不斷的被國民關(guān)注并多次成為輿論熱點。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，鐵路部門也自然成為最嚴重的受災(zāi)者之一。為更強效的減少并防止自然災(zāi)害給國民經(jīng)濟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警系統(tǒng)。本文設(shè)計一個基于ZigBee與GPRS兩種無線網(wǎng)絡(luò)通信方式相結(jié)合的智能監(jiān)測報警系統(tǒng)，具備監(jiān)測自然災(zāi)害對鐵路沿線造成的側(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，及時準確的發(fā)出報警信號，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標準低功耗局域網(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、短時延、低速率、高容量、高安全、低功耗、免執(zhí)頻、低成本的特點。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)項目，ZigBee技術(shù)在短距離無線通信領(lǐng)域中顯得生機勃勃，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。因其借助于移動公司的信號塔來傳輸信號，故而一般情況下其穩(wěn)定性良好。

GPRS技術(shù)具有永遠在線、費用低廉、快速登錄、信道保障、高速傳輸、組網(wǎng)靈活、防雷擊的特點。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)，主要運用于交通運輸和公共安全等領(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)達國家4G已經(jīng)普及，正在向5G進軍。但該系統(tǒng)本著低成本、實用的原則，依然采用GPRS來與ZigBee進行結(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)勢互補局面，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

整個系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊、通信模塊、上位機模塊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傳遞由各個傳感器節(jié)點所采集到的數(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3種節(jié)點。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）數(shù)據(jù)終端節(jié)點與1個協(xié)調(diào)器構(gòu)成的，其中協(xié)調(diào)器除了構(gòu)建及維護網(wǎng)絡(luò)外，還承擔路由功能。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，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)點所采集的數(shù)據(jù)，一個GPRS模塊對應(yīng)一個協(xié)調(diào)器。通過在鐵路沿線安裝多組星型網(wǎng)絡(luò)節(jié)點來構(gòu)成一個大的數(shù)據(jù)采集網(wǎng)，從而有效解決了因其中一個或幾個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點出現(xiàn)故障而導致系統(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，這樣就實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集模塊、通信模塊與上位機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

本系統(tǒng)中，ZigBee模塊采用TI公司的型號為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進行連接的GPRS部分模塊與上位機之間，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，而后者則可以通過此種連接方式實時顯示由下位機傳來的數(shù)據(jù)，便于調(diào)試。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1 監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計

監(jiān)控系統(tǒng)軟件采用C#語言編寫，具有實時監(jiān)控、報警顯示、實時定位、歷史查詢、打印報表等功能。系統(tǒng)可以對鐵路各數(shù)據(jù)采集點所在線路的狀況進行實時監(jiān)控，當鐵路線路出現(xiàn)狀況時，監(jiān)控界面將會定位在具體地理位置上，并彈出報警信息即界面原線路相關(guān)部分會閃爍且紅白雙色之間隔秒轉(zhuǎn)換，同時發(fā)出警報提示音。系統(tǒng)利用SQL數(shù)據(jù)庫進行歷史數(shù)據(jù)存儲，從而實現(xiàn)歷史查詢和打印報表的功能。用戶可根據(jù)需求對路段、日期、時間進行設(shè)置，系統(tǒng)按照設(shè)置內(nèi)容從數(shù)據(jù)庫中對歷史信息進行查詢，并顯示查詢結(jié)果。系統(tǒng)界面友好、人性化，具有強大功能的同時，操作簡便，處理事故節(jié)約時間，減小工作人員的勞動強度。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)點軟件設(shè)計

首先，由協(xié)調(diào)器構(gòu)建一個網(wǎng)絡(luò)，然后處于實時數(shù)據(jù)請求模式的5個終端節(jié)點向協(xié)調(diào)器發(fā)送建立連接的請求信令，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確認幀給終端節(jié)點。當終端節(jié)點收到確認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。每當終端節(jié)點向協(xié)調(diào)器發(fā)送一次數(shù)據(jù)之后，協(xié)調(diào)器都要返回一個確認信令給終端節(jié)點，當終端節(jié)點成功收到協(xié)調(diào)器發(fā)送的確認信令后，此次數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束，開始進行下一次的數(shù)據(jù)采集與傳輸。如果終端節(jié)點未成功收到協(xié)調(diào)器發(fā)送過來的確認信令，那么它將在3次未成功連接之后進行斷電復(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)點設(shè)計流程如圖4所示。

圖4 終端節(jié)點設(shè)計流程圖

4.3 協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計

當協(xié)調(diào)器與終端節(jié)點之間構(gòu)建好網(wǎng)絡(luò)之后，協(xié)調(diào)器便開始準備接收終端節(jié)點發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，當收到數(shù)據(jù)后，將這些數(shù)據(jù)進行打包處理，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。與終端節(jié)點的設(shè)計相同，本系統(tǒng)中，GPRS也具有斷電復(fù)位的功能。協(xié)調(diào)器設(shè)計流程如圖5所示。

5 結(jié)語

圖5 協(xié)調(diào)器設(shè)計流程圖

目前，我國鐵路在自然災(zāi)害監(jiān)測報警方面存在著諸多不足之處。基于ZigBee和GPRS兩種無線通信方式的監(jiān)測報警系統(tǒng)，在傳輸數(shù)據(jù)方面表現(xiàn)出其可靠、安全的特性，同時兩種通信方式的結(jié)合帶來的優(yōu)勢互補，也更加展現(xiàn)了整套系統(tǒng)的科學可行性與創(chuàng)新性。在如今的互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)時代里，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)立足于時代技術(shù)的前沿，集靈活、經(jīng)濟、可靠、智能等諸多優(yōu)點于一身，很好的解決鐵路運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)濟財產(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。

[1]胡子軒,張曉光.淺談ZigBee技術(shù)在智能交通系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟，2014（12）：63-64.

[2]蔡樹向,袁海文,張月魁,等.基于GPRS的路用試驗儀器遠程監(jiān)測系統(tǒng)的可靠通信技術(shù)研究[J].測控技術(shù)，2014，33（1）：38-42.

[3]呂宏,黃釘勁.基于ZigBee技術(shù)低功耗無線溫度數(shù)據(jù)采集及傳輸[J].研究與開發(fā)，2012，31（2）：58-60.

[4]劉國錦,劉新霞.GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的應(yīng)用[J].信息化研究，2010，36（2）：1-3.

[5]郭耀華.基于ZigBee和GPRS網(wǎng)絡(luò)的智能變電站設(shè)備溫度無線監(jiān)測系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2014（1）：79-82.

[6]蔣煜琪,谷兆貴,史旺旺.基于ZigBee和GPRS的多通訊功能無線測控系統(tǒng)[J].機電工程，2014，31（6）：814-818.

[7]姜立明,莊衛(wèi)東.ZigBee/GPRS技術(shù)在精準農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用研究[J].農(nóng)機化研究，2014（4）：179-182.

[8]宋冬,廖杰,陳星,等.基于ZigBee和GPRS的智能家居系統(tǒng)設(shè)計[J].計算機工程，2012，38（23）：243-246.

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）