孙启民 罗 鑫 任 雷

(北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100073)



基于ZigBee和GSM技术的通信铁塔安全监测系统研究

孙启民 罗 鑫 任 雷

(北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100073)

摘要：在通信铁塔安全监测系统中使用基于ZigBee技术的采集传感器和ZigBee+GSM技术的前端监测单元可大大减小施工难度，并减少对铁路通信资源的占用。该技术也可应用到其他轨旁监测业务和电力铁塔监测业务。

关键词：ZigBee协调器；ZigBee终端；监测单元

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

近年来，随着中国铁路客运专线的大规模建设，GSM-R网络的规模也在日益扩大，通信基站铁塔和直放站铁塔的数量随之在不断增加。截止2013年底，粗略估计全路的通信铁塔（以下简称“铁塔”）数量已接近1万架。根据国家《中长期铁路网规划（2008年调整）》的发展目标要求，今后几年客运专线的规模还将继续扩大，铁塔的数量也将继续增加。

数量巨大的铁塔如果仅靠传统的人工定期巡检方式来进行日常维护的话，很难及时发现存在的安全隐患。一旦发生倒塔或者因塔基沉降、倾斜等造成通信故障，都将影响列车的正常运行，严重的话还将对铁路以及旅客的人身安全造成威胁。另外，目前很多铁塔所在的环境比较恶劣，给人工巡检带来很大的不便和危险。因此，铁塔安全监测系统的上线是大势所趋，它能及时发现铁塔存在的安全隐患，保障铁路的安全运营。

1　铁塔安全监测系统结构设计

《铁路通信铁塔监测系统暂行技术条件》[1]规定铁塔安全监测系统由监测中心、监测站及通信通道组成。监测中心由业务处理单元、数据存储单元、监测终端及通信单元组成；监测站由监测单元、采集传感单元、通信单元、本地管理终端和视频处理单元组成，其中视频处理单元只在使用有线方式组网时选配；通信通道根据现场需要可使用铁路数据网、MSTP、GSM-R无线网及GSM无线网等多种方式，本文描述的铁塔安全监测系统选用GSM短消息通信方式组网。

1.1硬件结构

铁塔安全监测系统硬件结构如图1所示。

监测站侧的本地管理终端用于现场开通时配置所在监控站需要启用的监测量、安装的传感器及通信参数等相关信息，并可用于现场巡检时查看铁塔的实时状态及历史告警信息。本地管理终端不属于固定配置范畴，用户使用自带笔记本通过网口接入监测单元即可。

采集传感单元和监测单元通过内置的ZigBee模块进行星型或树型组网通信。采集传感单元层的各类传感仪是在通用传感器基础上外接ZigBee终端模块组装而成，ZigBee终端模块提供串口或模拟IO口与传感器通信，并通过天线与ZigBee协调器进行信息交互；监测单元提供ZigBee协调器模块，ZigBee协调器模块与监测单元的业务处理模块通过串口通信，并通过延长到通信站房外的天线与ZigBee终端进行信息交互。

1.2软件结构

铁塔安全监测系统软件结构如图2所示。

监测中心业务处理子系统负责实现配置告警、告警管理、性能管理及安全管理等功能，采用B/S结构实现。监测中心业务处理子系统控制GSM短消息模块与监测单元业务处理子系统进行信息交互，实现铁塔状态信息采集、告警信息采集等功能。

监测中心数据存储子系统和监测单元数据存储子系统均通过MySql数据库实现，通过索引、分区表、存储过程等方式提高数据读写效率，保证系统的处理性能。

监测单元业务处理子系统负责实现数据采集、告警识别、告警上报、数据存储等功能，能够控制GSM短消息模块与监测中心业务处理子系统进行信息交互，并能通过通信协议转换子系统实现与传感层的交互。

监测单元的本地管理子系统负责实现监测站本地的数据配置、铁塔状态信息查看及告警信息查看等功能，采用B/S结构实现。

监测单元的通信协议转换子系统和采集传感层的通信协议转换控制子系统负责实现ZigBee通信信息的交互。监测单元侧通信协议转换子系统接收监测单元业务处理子系统的数据查询请求，将请求信息封装处理后通过ZigBee网络下发到采集传感层的通信协议转换控制子系统；采集传感层的通信协议转换控制子系统收到查询请求后进行消息识别，若满足本地处理请求，则查询传感器的实时信息，并将查询结果按设定格式返回给监测单元侧通信协议转换子系统；监测单元侧通信协议转换子系统收到查询结果信息并做相应处理后，将数据返回给监测单元业务处理子系统。

采集传感层的通信协议转换控制子系统，同时负责传感器的供电控制，在节电模式下定时切断传感器的供电输入，并在收到监测单元的查询请求后重新为传感器供电。

采集传感层的数据采集子系统主要负责铁塔实时状态信息的采集，由传感器自带的处理模块实现。

2　ZigBee及GSM技术简介

2.1ZigBee技术简介

1) ZigBee技术特点

ZigBee技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术，其主要特点如下[2]。

超低功耗：由于ZigBee技术传输速率低、传输数据量很小、内存使用量少，因此，信号的收发时间很短。ZigBee节点可以在大部分时间内处于睡眠状态,所以ZigBee节点非常省电。

网络容量大：一个ZigBee的网络最多包括255 个ZigBee网络节点，其中一个是主控设备，其余则是从属设备。若是通过网络协调器，整个网络最多可以支持超过65 000个ZigBee网络节点。

时延短：ZigBee的响应速度较快，从睡眠状态转入工作状态只需15 ms，节点连接进入网络只需要30 ms，既节约能源，又缩短了时间。相对而言，Bluetooth需要3～10 s，WiFi需要3 s。

安全性：ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，在数据传输中提供了三级安全性。ZigBee加密算法采用AES-128用来保护数据净荷和防止攻击者冒充合法器件，同时各个应用可以灵活设定其安全性。

2) ZigBee设备分类

ZigBee网络中的设备，按功能可分为全功能设备（FFD）和简化功能设备（RFD）；按设备在网络中承担的任务可分为协调器（Coordinator）、路由器（Router）和终端设备(End Device）。

ZigBee协调器是启动和配置网络的一种设备。协调器可以保持间接寻址用的绑定表格，支持关联，同时还能设计信任中心和执行其他活动。协调器负责网络正常工作以及保持同网络其他设备的通信。一个ZigBee网络只允许有一个ZigBee协调器，ZigBee协调器是FFD设备。

ZigBee路由器是一种支持关联的设备，能够将消息发到其他设备。ZigBee网状网络或树型网络可以有多个ZigBee路由器，ZigBee路由器也是FFD设备。

ZigBee终端设备可以执行它的相关功能，并使用ZigBee网络到达其他需要与之通信的设备，它的存储器容量要求最少，可以用于ZigBee低功耗设计。ZigBee终端设备可以是FFD设备，也可以是RFD设备。

3) ZigBee网络结构

ZigBee技术具有强大的组网能力，可以形成星型、树型和网状网。

星型拓扑是最简单的一种拓扑形式，它包含一个Coordinator节点和一系列的End Device节点。每一个End Device节点只能和Coordinator节点进行通讯。如果需要在两个End Device节点之间进行通讯，必须通过Coordinator节点进行信息转发。星型网络拓扑结构如图3所示。

树型拓扑包括一个Coordinator以及一系列的Router和End Device节点。Coordinator连接一系列的Router和End Device,其子节点的Router可连接一系列的Router和End Device，这样可以重复多个层级。树型网络拓扑结构如图4所示。

网状拓扑包含一个Coordinator和一系列的Router和End Device。其形式和树型拓扑相同，但具有更灵活的信息路由规则，路由节点之间可直接通讯。这种路由机制使得信息的通讯变得更有效率，且意味着一旦某个路由路径出现问题，信息可以自动的沿着其他路由路径进行传输。网状网络拓扑结构如图5所示。

2.2GSM技术简介

GSM是全球移动通信系统的简称，其空中接口采用时分多址技术。GSM系统具有网络容量大、频谱效率高、接口开放、安全性高等特点。

GSM系统提供的业务分为4类[3]：电信业务、承载业务、补充业务和智能网业务。电信业务和承载业务属于基本通信业务，补充业务是基本通信业务的补充，而智能网业务是在电信业务和承载业务基础上实现的增值业务。其中短消息业务属于电信业务的一种。

3　ZigBee和GSM技术在铁塔安全监测系统中的优势

传统的铁路监测业务主要通过监测线缆将传感器接入现场监测仪、现场监测仪再通过数据网或传输网汇总到监测中心的有线组网方式实现，这种组网方式施工相对复杂且会占用大量的网络资源。和传统的监测组网方式相比，使用ZigBee和GSM技术组网具有以下优势。

1) 节约铁路网络资源

铁塔状态变化是一个渐进的过程，因此铁塔监测系统对数据的实时性要求可适当降低，从而为GSM短消息技术的使用提供可能。

通过GSM短消息技术实现铁塔监测单元和监测中心的交互，完成数据查询、告警上报等业务操作，减少对铁路有限的网络资源占用，同时也保证了那些无法提供有线通信网络条件的监测点顺利接入监测网。

2) 提高监测单元利用率，降低建设成本

铁塔安全监测系统需要监测铁路沿线的基站铁塔和直放站铁塔，如果为每个铁塔都安装监测单元，将增加铁路建设成本。同时，每个铁塔的业务监测量较少，监测单元的利用率不高。

根据现场铁塔分布情况，可通过ZigBee树型或星型拓扑技术将直放站铁塔的监测传感器接入到所属信号源基站铁塔的监测单元中，提高监测单元的利用率，从而降低建设成本。

3) 提高施工效率，提升系统健壮性

监测单元与监测传感器通过ZigBee组网通信，每个传感器可独立安装，且不用安装监测传感器与监测单元通信的监测线缆，大大降低安装复杂度，减少安装工作量，从而节约人力成本。另外，每个传感器可根据现场的实际情况选择最方便的位置进行安装，提高安装灵活度，也提高了施工效率。

由于采用无线组网，不会发生因监测线缆故障影响正常的监测业务，可明显提升系统的健壮性。

4) 更高的可扩展性及可维护性

监测单元与监测传感器通过ZigBee组网通信，方便新加监测传感器的接入；监测单元与监测中心通过GSM短消息通信，方便新加监测单元的接入。通过ZigBee+GSM技术实现前端监测站的组网接入，大大提高铁塔监测系统的可扩展性。

同时，各监测传感器和监测单元以独立模块的方式运行，单个传感器或监测单元故障不会影响其他模块的使用，进行维护时也只需修改或替换单一模块，保证系统的可维护性。

4　系统关键技术

4.1监测站侧供电

铁塔安全监测系统为每个铁塔安装的监测传感器配置统一的配电控制器进行供电，配电控制器支持AC 220 V和DC 48 V输入，输出为DC 12 V。如果现场允许接入铁路综合视频监控系统的配电箱，则通过综合视频配电箱给铁塔监测系统的配电控制器供电；否则，通过太阳能蓄电池为配电控制器供电。

监测单元一般部署在通信基站的站房，可直接使用站房内的电源供电。若监测站侧无法为监测单元提供外电输入，系统也支持使用太阳能蓄电池为监测单元供电。

4.2节电模式控制

当使用太阳能蓄电池供电时，为了降低监测传感器功耗，系统将采用节电模式控制传感器的供电。

节电模式下，监测单元的采样周期将调整至分钟级，采集传感层在闲置模式下会自动定时切断传感器的供电，并在收到监测单元的查询指令后重新为传感器上电。

4.3铁塔状态趋势分析

铁塔的倾斜及沉降是一个渐变的过程，当倾斜或沉降达到一定程度时，就有发生倒塔的可能，因此系统提供关键参数的趋势分析功能。

趋势分析结果以曲线图形式呈现，结果中包含设定时间段内按分析周期获取的最大值、最小值和平均值。曲线图中同时绘制设定的安全门限水位线，可直观显示铁塔状态参数值是否超过安全水位线，若有超过安全水位线的，将直观的给出提示。

5　结束语

铁塔安全监测系统提升了铁路通信铁塔巡检工作的效率，可及时发现铁塔的安全隐患，避免因倒塔影响行车或造成人员及财产损失。ZigBee+GSM技术的使用，显著提升铁塔安全监测系统的效率，该技术值得在铁路其他轨旁监测业务中推广。基于ZigBee+GSM技术的铁塔安全监测系统更适合推广到输电领域，可解决电力塔侧的通信及供电困难问题。

参考文献

[1]铁运[2012]276号 铁路通信铁塔监测系统暂行技术条件[S].

[2]路婷婷.基于ZigBee技术的在线监测系统的研究[D].北京：北京交通大学，2011.

[3]韩斌杰，张建斌.GSM原理及其网络优化[M].北京：机械工业出版社，2009.

(收稿日期：2015-03-19）

DOI:10.3969/j.issn.1673-4440.2016.01.009