ZigBee無線通信技術(shù)在公路隧道環(huán)境下的應(yīng)用

夏光亮

(廣西交科集團有限公司,廣西 南寧 530007)

0 引言

隨著“交通強國”建設(shè)的不斷展開和加速進行,我國公路建設(shè)成績斐然,公路建設(shè)中造價高、施工難度大的隧道數(shù)量也有較大的增長。根據(jù)交通運輸部的統(tǒng)計數(shù)據(jù),截至2021年末,全國公路隧道共有23 268處,2 469.89萬延米,較2020年增加1 952處、269.96萬延米[1]。

保障隧道正常運行的機電設(shè)備種類較多,傳統(tǒng)隧道機電設(shè)備通信是使用有線通信的方法,可以較好地完成通信任務(wù)。然而,隧道內(nèi)的布線管廊空間有限,線纜布設(shè)復雜,施工成本高,且由于長距離走線、導線內(nèi)阻以及寄生電容增大,易使信號的完整性受影響,也容易受電磁干擾影響通信準確性,甚至遭感應(yīng)雷擊導致設(shè)備損壞。使用物聯(lián)網(wǎng)無線通信可減少布線,降低成本,但是由于隧道的長度、隧道內(nèi)機電設(shè)備干擾、隧道壁的反射等原因,造成信號衰減問題嚴重,一般只能進行短距離的通信。針對這些問題,本文設(shè)計實現(xiàn)了一套基于ZigBee無線通信技術(shù)進行Mesh組網(wǎng)的通信系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的有線傳輸方法相比,本文提出的方法可以有效地減少布線成本;與現(xiàn)有的隧道無線通信系統(tǒng)相比,本文提出的組網(wǎng)可以通過ZigBee節(jié)點進行穩(wěn)定的遠距離接力通信。試驗和實際應(yīng)用表明,本文提出的方法可以有效解決隧道內(nèi)的通信問題,為隧道設(shè)備穩(wěn)定通信提供一種可行的方法。

1 物聯(lián)網(wǎng)無線組網(wǎng)

1.1 電磁波在隧道中的傳輸特點

隧道是一個電磁噪聲較多、無線電背景較復雜的半封閉空間,隧道壁由鋼筋、混凝土、土石等構(gòu)成,可達上千米,彎道直道交錯,因此無線信號在隧道內(nèi)的傳輸與在開闊空間的傳輸有很大不同。隧道中無線信號傳輸?shù)牟焕蛩赜?

(1)電磁波在限定空間內(nèi)經(jīng)反射繞射,經(jīng)過多個不同路徑達到接收機,這些經(jīng)過反射的信號振幅、相位、極化不同,在接收設(shè)備處疊加后導致天線接收信號波形異常,嚴重影響信號質(zhì)量,降低通信距離。隧道內(nèi)電磁波多徑衰減比空曠陸地嚴重,其中快衰落深度可達30～40 dB[2]。

(2)受隧道內(nèi)彎道影響,彎曲隧道結(jié)構(gòu)對無線信號產(chǎn)生嚴重的遮擋和衰減,彎道半徑越小衰減越嚴重[3]。

(3)隧道內(nèi)機電系統(tǒng)較多,其產(chǎn)生的電磁輻射對無線信號產(chǎn)生干擾,導致信號信噪比低,影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。

在確定隧道機電設(shè)備無線通信方式時,必須考慮規(guī)避這些不良因素。

1.2 ZigBee的組網(wǎng)原理與網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

ZigBee具有低成本、低功耗、傳輸距離遠等優(yōu)點,其網(wǎng)絡(luò)節(jié)點分為PAN協(xié)調(diào)器節(jié)點、路由器節(jié)點、終端節(jié)點三種,功能簡介如下:

PAN協(xié)調(diào)器節(jié)點:網(wǎng)絡(luò)核心節(jié)點,負責發(fā)起組建、維護和管理網(wǎng)絡(luò),匯聚各個節(jié)點的信息并通過如以太網(wǎng)等通信方式與上位機進行數(shù)據(jù)傳遞。ZigBee網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)必須由協(xié)調(diào)器發(fā)起,協(xié)調(diào)器在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中是唯一的。

路由器節(jié)點:該節(jié)點可與協(xié)調(diào)器節(jié)點、其他路由器節(jié)點、終端節(jié)點連接,可對數(shù)據(jù)包進行轉(zhuǎn)發(fā),并進行路徑尋找和維護,可以為其他節(jié)點(協(xié)調(diào)器、路由器、終端)間數(shù)據(jù)通信進行接力。

終端節(jié)點:節(jié)點是網(wǎng)絡(luò)中的底層節(jié)點,可以連接到協(xié)調(diào)器節(jié)點和路由器節(jié)點,與其他終端節(jié)點是無法連接的。

由上述三種節(jié)點組成的ZigBee網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有三種:如下頁圖1所示的星狀網(wǎng)絡(luò)、樹狀網(wǎng)絡(luò)、Mesh網(wǎng)絡(luò)(網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò))。

圖1 三種ZigBee網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)拓撲圖

從圖1可知三種網(wǎng)絡(luò)的特點如下:

星型網(wǎng)絡(luò),該拓撲節(jié)點之間通信必須通過協(xié)調(diào)器,考慮到ZigBee通信距離有限,隧道長度長短不一,這種拓撲不適合在隧道環(huán)境應(yīng)用。

樹型網(wǎng)絡(luò)里協(xié)調(diào)器和路由器都可連接多個子節(jié)點,可以滿足隧道內(nèi)信息接力傳遞的需求,但樹型網(wǎng)絡(luò)的路由器節(jié)點只能連接到一個父節(jié)點,如父節(jié)點掉線則該父節(jié)點下面的所有節(jié)點都會掉線。

Mesh網(wǎng)絡(luò)則擁有強大的路徑查找能力,通過“多級跳”的方式,可以實現(xiàn)各個節(jié)點之間的數(shù)據(jù)交互。網(wǎng)絡(luò)具有自組網(wǎng)、自愈功能。當某一個路由節(jié)點掉線后,原本與其連接的節(jié)點可以通過別的路由器節(jié)點進行通信。

綜上,本文設(shè)計的系統(tǒng)采用ZigBee的Mesh組網(wǎng)方式,既可以通過接力彌補電磁波在隧道內(nèi)傳輸距離變短的問題,也避免了因隧道內(nèi)臨時斷電導致部分設(shè)備掉線產(chǎn)生的接力鏈路中斷問題。

2 ZigBee在隧道除濕系統(tǒng)中的應(yīng)用

2.1 場景選擇

隧道內(nèi)眾多機電設(shè)備的控制箱、配電箱,需運行在適宜的濕度環(huán)境下,所以這些箱體內(nèi)部需除濕終端進行除濕。各除濕終端在隧道內(nèi)分布安裝的特點與ZigBee的Mesh網(wǎng)絡(luò)可接力傳遞數(shù)據(jù)的特點契合,故在隧道智能除濕系統(tǒng)中應(yīng)用并驗證了ZigBee技術(shù)。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

隧道智能除濕系統(tǒng)由智慧運維平臺、ZigBee集中控制終端、智能除濕終端、網(wǎng)絡(luò)中繼器構(gòu)成。

如圖2所示,系統(tǒng)采用了ZigBee的Mesh結(jié)構(gòu),除濕終端和中繼器配置為路由器節(jié)點,集中控制終端配置為協(xié)調(diào)器節(jié)點。集中控制終端通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)獲取除濕終端當前溫度濕度以及除濕模式等狀態(tài)信息并通過以太網(wǎng)回傳給運營中心的智慧運維平臺,智慧運維平臺根據(jù)預設(shè)定的方案把控制指令發(fā)到集中控制終端,再轉(zhuǎn)發(fā)到相應(yīng)除濕終端。

圖2 隧道除濕系統(tǒng)框圖

2.3 智慧運維平臺簡介

智慧運維平臺部署在高速公路運營中心,包括服務(wù)器系統(tǒng)、監(jiān)控軟件、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)等,主要實現(xiàn)除濕終端管理、狀態(tài)報警、信息記錄、控制策略下發(fā)、遠程升級等功能。

2.4 ZigBee集中控制終端設(shè)計

集中控制終端安放在隧道機房,作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器。其將獲取的除濕終端信息發(fā)給智慧運維平臺,接收智慧運維平臺下發(fā)的命令并轉(zhuǎn)發(fā)給除濕終端,同時實現(xiàn)本地查詢除濕終端信息、更新控制策略、升級除濕終端固件等功能。

控制終端通過ZigBee模塊與除濕終端通信。設(shè)備可通過有線以太網(wǎng)和后臺通信,也可通過4G模塊和后臺通信。設(shè)備配備觸摸屏,提供人機交互界面,可在現(xiàn)場讀取除濕終端狀態(tài),控制除濕終端。如圖3所示。

圖3 集中控制終端框圖

2.5 除濕終端設(shè)計

除濕終端的設(shè)計除濕功率為50 W,安裝在隧道內(nèi)的設(shè)備控制柜或者供電開關(guān)柜內(nèi)。該終端在ZigBee網(wǎng)絡(luò)是路由器節(jié)點角色,從外部溫濕度傳感器采集環(huán)境的溫度、濕度數(shù)據(jù),根據(jù)程序預設(shè)的策略控制半導體制冷片制冷,空氣中的熱濕空氣遇到與制冷片連接的散熱片后水分冷凝,從而達到降低空氣濕度的效果。選用的ZigBee模塊無線最大發(fā)射功率為27 dBm,接收靈敏度為-99 dBm。在室外天氣條件晴朗的空曠地帶,通信距離最大可達2 000 m。如圖4所示。

圖4 除濕終端框圖

2.6 中繼器設(shè)計

中繼器在隧道除濕ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的角色也是路由器節(jié)點,其放置在距離較遠的兩個除濕終端之間,起信號中繼作用。中繼器通過ZigBee模塊和隧道內(nèi)的其他ZigBee設(shè)備連接獲取除濕終端的信息,然后通過光纖網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳給集中控制終端,集中控制終端也可通過中繼器發(fā)送控制指令或者升級包給除濕終端。

2.7 除濕終端及中繼器安裝

除濕終端的安裝位置和隧道的特征與信號的衰減有直接關(guān)系[3-4],因此將除濕終端以及中繼器的天線從設(shè)備箱中引出并固定在隧道壁2 m左右的高度。在除濕終端安裝完成并進行了通信能力的測試后,驗證隧道直道與隧道彎道的安裝位置,如圖5所示。為了表示本文設(shè)計的系統(tǒng)在實際隧道中的應(yīng)用情況,選取了隧道直道和彎道作為測試對比。測試傳輸波特率為9 600 bps,選用天線增益5 dBi,駐波比≤1.5。隧道直道測試結(jié)果如表1所示,隧道彎道處測試結(jié)果如表2所示。

表1 隧道直道ZigBee連接距離測試結(jié)果表

表2 隧道彎道ZigBee連接距離測試結(jié)果表

圖5 除濕機及中繼器安裝示意圖

測試結(jié)果表明,在直道中,終端信號衰減較慢,在400 m以內(nèi)可以保證穩(wěn)定的通信;在彎道中,終端信號衰減嚴重,只能保證250 m以內(nèi)的穩(wěn)定通信。因此,在實際終端布設(shè)中,為了保證ZigBee網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性,隧道直道的終端間隔建議為400 m,彎道布設(shè)間隔建議為250 m,超過這個間隔需要加裝中繼器。

3 實際應(yīng)用效果

本文設(shè)計的基于ZigBee無線組網(wǎng)技術(shù)的隧道智能除濕系統(tǒng)目前已經(jīng)應(yīng)用于廣西都安至巴馬高速公路全線隧道,設(shè)計的間隔使用了本文推薦的布設(shè)間隔。系統(tǒng)的實際運行表明,按照本文推薦的系統(tǒng)設(shè)計和布設(shè)間隔,ZigBee網(wǎng)絡(luò)可以很好地保持穩(wěn)定通信,為實現(xiàn)遠程監(jiān)控、遠程運維提供良好的通信保障。

4 結(jié)語

由于隧道的長度、隧道壁對電磁波反射等原因,難以在長隧道中部署穩(wěn)定的無線通信設(shè)備。針對這一問題,本文設(shè)計實現(xiàn)了一套基于ZigBee無線通信技術(shù)進行Mesh組網(wǎng)的通信系統(tǒng)。通過對ZigBee節(jié)點信號在隧道中的衰減研究,提出了一套具有工程意義的布設(shè)方案。實際應(yīng)用表明,本文設(shè)計的物聯(lián)網(wǎng)無線系統(tǒng)可以保障機電設(shè)備在長隧道中的穩(wěn)定通信。