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

孫啟民 羅 鑫 任 雷

(北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100073)

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

孫啟民 羅 鑫 任 雷

(北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100073)

摘要：在通信鐵塔安全監(jiān)測系統(tǒng)中使用基于ZigBee技術的采集傳感器和ZigBee+GSM技術的前端監(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。該技術也可應用到其他軌旁監(jiān)測業(yè)務和電力鐵塔監(jiān)測業(yè)務。

關鍵詞：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，隨著中國鐵路客運專線的大規(guī)模建設，GSM-R網(wǎng)絡的規(guī)模也在日益擴大，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)展目標要求，今后幾年客運專線的規(guī)模還將繼續(xù)擴大，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行日常維護的話，很難及時發(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行，嚴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。因此，鐵塔安全監(jiān)測系統(tǒng)的上線是大勢所趨，它能及時發(fā)現(xiàn)鐵塔存在的安全隱患，保障鐵路的安全運營。

1　鐵塔安全監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計

《鐵路通信鐵塔監(jiān)測系統(tǒng)暫行技術條件》[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)務處理單元、數(shù)據(jù)存儲單元、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)等相關信息，并可用于現(xiàn)場巡檢時查看鐵塔的實時狀態(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)務處理子系統(tǒng)負責實現(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)實現(xiàn)。監(jiān)測中心業(yè)務處理子系統(tǒng)控制GSM短消息模塊與監(jiān)測單元業(yè)務處理子系統(tǒng)進行信息交互，實現(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)存儲子系統(tǒng)和監(jiān)測單元數(shù)據(jù)存儲子系統(tǒng)均通過MySql數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)，通過索引、分區(qū)表、存儲過程等方式提高數(shù)據(jù)讀寫效率，保證系統(tǒng)的處理性能。

監(jiān)測單元業(yè)務處理子系統(tǒng)負責實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、告警識別、告警上報、數(shù)據(jù)存儲等功能，能夠控制GSM短消息模塊與監(jiān)測中心業(yè)務處理子系統(tǒng)進行信息交互，并能通過通信協(xié)議轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)實現(xiàn)與傳感層的交互。

監(jiān)測單元的本地管理子系統(tǒng)負責實現(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)負責實現(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)收到查詢請求后進行消息識別，若滿足本地處理請求，則查詢傳感器的實時信息，并將查詢結(jié)果按設定格式返回給監(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)果信息并做相應處理后，將數(shù)據(jù)返回給監(jiān)測單元業(yè)務處理子系統(tǒng)。

采集傳感層的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換控制子系統(tǒng)，同時負責傳感器的供電控制，在節(jié)電模式下定時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)主要負責鐵塔實時狀態(tài)信息的采集，由傳感器自帶的處理模塊實現(xiàn)。

2　ZigBee及GSM技術簡介

2.1ZigBee技術簡介

1) ZigBee技術特點

ZigBee技術是一種短距離、低功耗的無線通信技術，其主要特點如下[2]。

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

網(wǎng)絡容量大：一個ZigBee的網(wǎng)絡最多包括255 個ZigBee網(wǎng)絡節(jié)點，其中一個是主控設備，其余則是從屬設備。若是通過網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器，整個網(wǎng)絡最多可以支持超過65 000個ZigBee網(wǎng)絡節(jié)點。

時延短：ZigBee的響應速度較快，從睡眠狀態(tài)轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需15 ms，節(jié)點連接進入網(wǎng)絡只需要30 ms，既節(jié)約能源，又縮短了時間。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)完整性檢查和鑒權功能，在數(shù)據(jù)傳輸中提供了三級安全性。ZigBee加密算法采用AES-128用來保護數(shù)據(jù)凈荷和防止攻擊者冒充合法器件，同時各個應用可以靈活設定其安全性。

2) ZigBee設備分類

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

ZigBee協(xié)調(diào)器是啟動和配置網(wǎng)絡的一種設備。協(xié)調(diào)器可以保持間接尋址用的綁定表格，支持關聯(lián)，同時還能設計信任中心和執(zhí)行其他活動。協(xié)調(diào)器負責網(wǎng)絡正常工作以及保持同網(wǎng)絡其他設備的通信。一個ZigBee網(wǎng)絡只允許有一個ZigBee協(xié)調(diào)器，ZigBee協(xié)調(diào)器是FFD設備。

ZigBee路由器是一種支持關聯(lián)的設備，能夠?qū)⑾l(fā)到其他設備。ZigBee網(wǎng)狀網(wǎng)絡或樹型網(wǎng)絡可以有多個ZigBee路由器，ZigBee路由器也是FFD設備。

ZigBee終端設備可以執(zhí)行它的相關功能，并使用ZigBee網(wǎng)絡到達其他需要與之通信的設備，它的存儲器容量要求最少，可以用于ZigBee低功耗設計。ZigBee終端設備可以是FFD設備，也可以是RFD設備。

3) ZigBee網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)

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

星型拓撲是最簡單的一種拓撲形式，它包含一個Coordinator節(jié)點和一系列的End Device節(jié)點。每一個End Device節(jié)點只能和Coordinator節(jié)點進行通訊。如果需要在兩個End Device節(jié)點之間進行通訊，必須通過Coordinator節(jié)點進行信息轉(zhuǎn)發(fā)。星型網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)如圖3所示。

樹型拓撲包括一個Coordinator以及一系列的Router和End Device節(jié)點。Coordinator連接一系列的Router和End Device,其子節(jié)點的Router可連接一系列的Router和End Device，這樣可以重復多個層級。樹型網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)如圖4所示。

網(wǎng)狀拓撲包含一個Coordinator和一系列的Router和End Device。其形式和樹型拓撲相同，但具有更靈活的信息路由規(guī)則，路由節(jié)點之間可直接通訊。這種路由機制使得信息的通訊變得更有效率，且意味著一旦某個路由路徑出現(xiàn)問題，信息可以自動的沿著其他路由路徑進行傳輸。網(wǎng)狀網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)如圖5所示。

2.2GSM技術簡介

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

GSM系統(tǒng)提供的業(yè)務分為4類[3]：電信業(yè)務、承載業(yè)務、補充業(yè)務和智能網(wǎng)業(yè)務。電信業(yè)務和承載業(yè)務屬于基本通信業(yè)務，補充業(yè)務是基本通信業(yè)務的補充，而智能網(wǎng)業(yè)務是在電信業(yè)務和承載業(yè)務基礎上實現(xiàn)的增值業(yè)務。其中短消息業(yè)務屬于電信業(yè)務的一種。

3　ZigBee和GSM技術在鐵塔安全監(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)方式實現(xiàn)，這種組網(wǎng)方式施工相對復雜且會占用大量的網(wǎng)絡資源。和傳統(tǒng)的監(jiān)測組網(wǎng)方式相比，使用ZigBee和GSM技術組網(wǎng)具有以下優(yōu)勢。

1) 節(jié)約鐵路網(wǎng)絡資源

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

通過GSM短消息技術實現(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、告警上報等業(yè)務操作，減少對鐵路有限的網(wǎng)絡資源占用，同時也保證了那些無法提供有線通信網(wǎng)絡條件的監(jiān)測點順利接入監(jiān)測網(wǎng)。

2) 提高監(jiān)測單元利用率，降低建設成本

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，如果為每個鐵塔都安裝監(jiān)測單元，將增加鐵路建設成本。同時，每個鐵塔的業(yè)務監(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樹型或星型拓撲技術將直放站鐵塔的監(jiān)測傳感器接入到所屬信號源基站鐵塔的監(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，每個傳感器可獨立安裝，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，大大降低安裝復雜度，減少安裝工作量，從而節(jié)約人力成本。另外，每個傳感器可根據(jù)現(xiàn)場的實際情況選擇最方便的位置進行安裝，提高安裝靈活度，也提高了施工效率。

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

4) 更高的可擴展性及可維護性

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技術實現(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)的可擴展性。

同時，各監(jiān)測傳感器和監(jiān)測單元以獨立模塊的方式運行，單個傳感器或監(jiān)測單元故障不會影響其他模塊的使用，進行維護時也只需修改或替換單一模塊，保證系統(tǒng)的可維護性。

4　系統(tǒng)關鍵技術

4.1監(jiān)測站側(cè)供電

鐵塔安全監(jiān)測系統(tǒng)為每個鐵塔安裝的監(jiān)測傳感器配置統(tǒng)一的配電控制器進行供電，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

當使用太陽能蓄電池供電時，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，采集傳感層在閑置模式下會自動定時切斷傳感器的供電，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漸變的過程，當傾斜或沉降達到一定程度時，就有發(fā)生倒塔的可能，因此系統(tǒng)提供關鍵參數(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)果中包含設定時間段內(nèi)按分析周期獲取的最大值、最小值和平均值。曲線圖中同時繪制設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產(chǎn)損失。ZigBee+GSM技術的使用，顯著提升鐵塔安全監(jiān)測系統(tǒng)的效率，該技術值得在鐵路其他軌旁監(jiān)測業(yè)務中推廣。基于ZigBee+GSM技術的鐵塔安全監(jiān)測系統(tǒng)更適合推廣到輸電領域，可解決電力塔側(cè)的通信及供電困難問題。

參考文獻

[1]鐵運[2012]276號 鐵路通信鐵塔監(jiān)測系統(tǒng)暫行技術條件[S].

[2]路婷婷.基于ZigBee技術的在線監(jiān)測系統(tǒng)的研究[D].北京：北京交通大學，2011.

[3]韓斌杰，張建斌.GSM原理及其網(wǎng)絡優(yōu)化[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009.

(收稿日期：2015-03-19）

DOI:10.3969/j.issn.1673-4440.2016.01.009