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基于ZigBee的铁路信号信息采集系统设计
作 者：赵春东
（天津铁道职业技术学院 300240）
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摘 要：基于ZigBee的无线铁路信号信息采集系统组成包括无线铁路信号监测网络模块、无线铁路信号监测网关和铁路信号监测控制器。无线铁路信号监测网络模块包括信号设备探测器、便携维修报警装置、无线通信模块及无线中继器，完成铁路信号信息数据的采集与网络化传输。无线铁路信号监测网关与所述信号控制器有线连接，并通过一个无线通信模块接入无线通信网络。由无线铁路信号监测网关对网络中的数据进行收集，同时接收来自控制器的巡检和查询功能。信号控制器接收无线铁路信号监测网关收集的无线信号信息，根据不同的信号类型，输出相应的处理信息。本系统具有自适应特性、安装维护方便、成本低、安全稳定等优点。 Abstract: the wireless railway signal information acquisition system based on ZigBee consists of wireless railway signal monitoring network module, wireless railway signal monitoring gateway and railway signal monitoring controller. The wireless railway signal monitoring network module includes signal equipment detector, portable maintenance alarm device, wireless communication module and wireless repeater to complete the collection and network transmission of railway signal information data. The wireless railway signal monitoring gateway is wired connected with the signal controller and connected to the wireless communication network through a wireless communication module. The wireless railway signal monitoring gateway collects the data in the network, and receives the inspection and query functions from the controller at the same time. The signal controller receives the wireless signal information collected by the wireless railway signal monitoring gateway, and outputs corresponding processing information according to different signal types. The system has the advantages of self adaptability, convenient installation and maintenance, low cost, safety and stability.
关键词：ZigBee；无线传输；铁路信号；信息采集
Key words: ZigBee; wireless transmission; railway signal; information acquisition
引言
在现有的铁路信号信息采集系统中，主要依靠有线方式或者电力线载波方式传输检测信息。当采用有线方式传输监测信息时，需要在室外铺设大量的电缆线，这就导致系统成本高、后期维护不方便的问题，且监测项目比较单一；当采用电力线载波方式传输监测信息时，采集信息可靠性差、操作维护不方便。同时现有技术中铁路信号信息采集系统均不具备电子巡更功能和列车接近报警功能，监测采集的信息难于满足现行铁路信号运行、维修的使用要求。为避免上述现有技术所存在的不足之处，本文设计一种安装便捷、成本适中、工作安全可靠、具备电子巡更功能和列车接近报警功能的基于ZigBee的无线铁路信号信息采集系统。
一、 ZigBee技术
ZigBee技术是一种新兴的数据传输标准，它归属于个人区域网，是专门针对无线传感器网络开发的一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术。在我国使用的ZigBee技术无线网络通信工作的频率为2.4GHz，该频率下的数据传输率为250kbit/s，每个节点间的标准通信距离为75m，但是可以从标准的通信距离无限扩展，以达到实际的使用通信距离要求。ZigBee网络拓扑结构主要有两种，分别是星型网络和网型网络，如图1、图2所示。每一种网络结构都有专属的应用领域，而且选择不同的网络结构，对节点的配置也要求不同，具体配置应根据具体应用而定。
图1星型网络拓扑图 图2网型网络拓扑图
二、系统架构
基于ZigBee的无线铁路信号信息采集系统组成包括无线铁路信号监测网络模块、无线铁路信号监测网关和铁路信号监测控制器。系统组成框图如图2所示。
图2 系统组成框图
无线铁路信号监测网络模块包括信号设备探测器、便携维修报警装置、无线通信模块及无线中继器，他的作用是完成铁路信号信息数据的采集与网络化传输。其中信号设备探测器包括轨道电路补偿电容器探测器、道岔缺口探测器、灯丝断丝报警探测器、地面信息应答器探测器，他的作用用于对信号设备当前区域状态进行捕捉；便携维修报警装置的作用是用于接收发送电子巡更和列车接近报警的信号控制器指令；无线通信模块采用ZigBee通信技术，与信号设备探测器及便携维修报警装置相连，以ZigBee协议构建无线通信网络，实现数据的网络化无线传输；无线中继器的作用是通过无线通信模块接入无线通信网络，实现无线信号的放大与转发功能。
无线铁路信号监测网关与铁路信号控制器进行有线连接，并通过一个无线通信模块接入无线通信网络，由无线铁路信号监测网关对网络中的数据进行收集，同时接收来自控制器的巡检和查询；铁路信号控制器接收无线铁路信号监测网关收集的无线信号信息，根据不同的信号类型，输出相应的处理信息。
信号控制器支持多个总线回路，每条回路均为该回路中的无线监测网关与无线通信网络模块以及铁路信号控制器共同构成的一个子网络系统。
铁路电路补偿电容器探测器、道岔缺口探测器、灯丝断丝报警探测器、地面信息应答器探测器采用磁感应装置，从相应的信号设备引线处获取感应电能，并且将感应电能传送至电容或电池中存储，用于相关ZigBee通信模块的电源。
便携维修报警装置包括无线通信模块、单片机、电池和报警器。便携维修报警装置可以依据信号控制器的指令适时发出列车接近报警。便携维修报警装置在信号检修人员巡检过程中，向信号控制器传送其他ZigBee无线网络的位置信息，信号控制器记录上述信息，实现电子巡更。
三、网络节点
本系统中探测器节点主要由三部分组成，包括传感器电路、主控电路和无线收发电路，网络节点硬件框图如图3所示。
图3 网络节点硬件框图
其中，主控单片机采用AVR内核的8位单片机Atmega 128L，它采用先进的RISC架构，提供丰富的I/O接口，并具有很低的功耗，同时它具有启动引导功能，给程序的升级和维护提供了极大的方便。
本设计系统的控制方法主要有以下几种：
（1）无线通信模块将信号探测器的输入信号按照固定报文格式化，通过直接序列扩频调制，然后按照ZigBee无线通信协议进行无线网络传输。
（2）无线铁路信号监测网关收集无线铁路信号监测网络中的数据信息，通过串口将信息按照信号控制器兼容报文格式发送给信号控制器。
（3） 信号控制器对信息进行分析和做出相应的处理，包括无信号设备故障和有洗好设备故障两个情况。
（4） 信号控制器可以控制路由，自动识别无线铁路信号检测通信网络模块，并任意增删网络节点。
四、Ember ZigBee体系结构
无线收发电路采用EmberCrop 的EM2420，它在单一的芯片内包含了802.15.4及ZigBee兼容系统中所有必备的组件，融合了2.4GHz的射频收发器，内嵌了ZigBee的联网堆栈和开发环境。
图4所示为ZigBee协议的分层模型以及其与OSI网络模型的对应关系。从结构上来说，如图所示主机应用层和Ember协议栈属于用户自定义范围，对应着OSI网络模型的应用层到网络层的五层协议。本系统通过Atmega 128L单片机变成实现，并通过SPI同步串行接口与EM2420芯片相连接，由EM2420完成传输中的差错控制和流量控制，调制后通过天线发射。
图4 Ember ZigBee体系结构示意图
五、结束语
本系统采用了最新的ZigBee无线通信技术，设计的铁路信号信息采集系统与传统的有线铁路信号监测相比，系统安装、调试的复杂度大大降低，同时对国内众多已经投入使用的信号设备改造有很强的针对性和实用性。该系统具有庞大的网络体系和强大的自适应性，控制器可以控制路由，增删监测节点，使网络规模可以依据信号设备规模任意调整。该系统能及时捕捉检测设备的故障信息，通过定时发送、巡检和报警输出的三种传输方式进行协调工作，使信息数据能够在第一时间进行网络传输，采用基于ZigBee协议的网络传输可以保证数据的准确性，有效避免了信号设备故障的误报和漏报，具有很强的实用性。
参考文献
[1]王小强，欧阳骏，黄宁淋．ZigBee无线传感器网络设计与实现[M]．北京：化学工业出版社，2012．
[2]胡淼．一种基于ZigBee的无线传感器网络定位方法设计与实现[D]．上海：上海交通大学，2012：8-23．
[3]富瑞英.信号集中监测在信号维护中的典型应用[J]．铁路通信信号工程技术，2017,14（4）:81-85.
[4]郭进.铁路信号基础设备[M]．北京：中国铁道出版社，2010．
个人简介
赵春东，1990年，男，汉族，籍贯天津，学历研究生，职称助教，研究方向是铁道信号自动控制。
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