无线ZigBee技术在高速列车上的应用研究
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【摘 要】 随着经济的发展，铁路运输已经逐渐成为关乎国家经济命脉的重要因素。ZigBee具有安全可靠、节约成本、不延时等优点，在高速列车的运行状态监测中可以起到很大的作用。可以通过在每节车厢安装传感器节点来采集信息，基于ZigBee组网协议和按需路由协议，通过单片机分析数据，经由卫星通讯将结果传给地面监控中心，来保证高速列车的运行安全。
【关键词】 ZigBee 高速列车 应用
为了保证铁路运输的安全，国家铁路部门采用了各项高新技术，ZigBee技术就是其中别广泛应用的之一。ZigBee标准就是802.15.4标准，是IEEE802.5工作者的一种无线组网技术，服务对象为短距离低速率的无线网络，其优点为省电、可靠、节约成本、不延时，并且网络不拥堵，使用安全。在高速列车运行中应用zigbee技术，可以安全可靠的检测列车的运行状态，通过在每节车厢安装传感器节点，然后基于ZigBee组网协议，由单片机来收集各个节点的信息，并对其进行计算处理，然后通过卫星将数据通信给地面控制中心，就是无线ZigBee技术在高速列车上的应用过程，这样可大大提高列车运行的安全度。
本文以ZigBee为基础，建立了高速列车运行状态监测系统，以期对ZigBee技术在高速列车上的应用做一个简述。
1 基于ZigBee的高速列车运行状态监测系统的硬件组成
该系统以ZigBee技术为基础，配置高精度压力、位移和数字温度传感器，并辅以GPRS网络和AdHoc网络来传输信息，控制中心在地面监控平台，这样便可实现对列车运行状态的监测分析。主要的硬件组成有4个，分别为：智能数据终端、ZigBee网络传输终端、GPRS网络传输终端、地面监控服务终端等。
信息的采集是以列车车头的节点以及每一节车厢的节点来实现的，众多的节点形成一个拓扑网络。普通车厢上的节点采集相关的信息之后，沿着其他的车厢逐点传递，最后所有的信息汇聚在车头节点，信息经由GPRS网路传输到管理节点。最后通过管理节点对列车运行的状态信息进行分析和管理，继而生成监测数据和报告。
1.1 智能数据终端
主要用途是采集列车高速运行期间的轴温、位移和相关压力，智能数据终端的主要组成为高精度压力、位移和数字温度传感器，采集到的数据通过预先的处理曲线进行分析。将采集到的信息分析成由车厢号、列车次以及列车路线等组成的数据，通过通用的串行总线联接ZigBee网络模块，当然也要预留和其他数据终端以及传感器联接的端口。
1.2 ZigBee网络传输终端
是基于Ad Hoc算法的自由组织网络，这种算法的优点在于其他的ZigBee网络加入现有ZigBee网络的时候，只需要接入的加密算法一致便可以，并且该算法是分布式的，如果一两个节点出现错误和异常，其他的节点还是可以继续正常工作得到，并不影响系统的整体性能。
1.3 GPRS网络传输终端
包含传递各个节点信息的综合性无线网络通讯机制。
1.4 地面监控平台
列车在高速运行时的信息，通过GPRS网络传递给地面监控平台，保持对列车信息的全天候监测，在遇到突发问题时便于和列车人员及时沟通，并提出科学决策。
2 基于ZigBee的高速列车运行状态监测系统的软件模块
该系统的软件模块主要分为两个部分，分别为车厢模块和机车模块。车厢模块又包括：数据采集子模块、数据处理子模块以及PF通信子模块。机车模块包括数据采集子模块、数据处理子模块、PF通信子模块、触摸屏的显示操作模块以及GPRS通信子模块。一般每个传感器都包括数据、控制和通信等模块。车头主要包含传感器节点和控制台，车头的节点收集的是整个车厢的节点信息，所以不具备传输功能。控制台主要复杂对数据的显示和传递，由触摸屏的显示操作模块以及GPRS通信子模块组成。
3 ZigBee网络组网协议
经过试验研究，ZigBee节点传输范围小，在不使用功率放大器的前提下，ZigBee节点的有效传输范围一般为10-75m。若考虑在26m狭长车厢内使用ZigBee技术，无线节点间的传输距离本身不是很大问题。但是高速列车有很多车厢，而收集节点信息的节点在车头位置，所以节点信息需要在数次跳跃之后才能传给车头。
ZigBee网络在通信距离越短的情况下穿透能力越强，通信距离越远的情况下穿透能力越弱；在有明显遮挡物及环境干扰下，信号的衰弱明显。在实际组网环境复杂情况下，最好根据现场布点并合理增加中继路由，以便传输通信达到最佳。所以我们可以在ZigBee无线网络中按照需要设计一定的路由协议。
主要包括路由发现策略、数据传输策略和路由转发策略。发现策略的原则是源节点事先按照接入控制规则接入，然后利用ZigBee无线网络发送RTS帧。数据传输策略中源节点的接入标准为控制规则，利用无线网络单播发送RTS帧。RTS帧的目的车厢阈值谁的设定为SeletedRoute_Number。路由转发策略中源节点接收到RTS帧之后，首先保存在本地的发送缓冲区之内，然后按照本地路径的发现结果将其进行转发。如果缓冲区内数据过多，那么先进入缓冲区的数据有可能被丢弃。
4 ZigBee无线网络系统的安全性
该系统主要在MAC层和网络层采取安全策略。对于单播的RTS帧，需要通过MAC层的安全机制检验才可以，而多跳的数据需要MAC层上层的安全机制来检验，确保数据段额安全。在ZigBee中，一般用Advance Encryption Standard算法来确保MAC层RTS帧的机密性、完整性、可用性、一致性和不可抵赖性。
5 结语
综上所述，通过组网协议对列车轴温、纵向/横向压力以及横向位移进行监控，并通过节点采集信息，经由预先设定的预警曲线进行监测，同时将数据传递给地面监控中心，从而实现了列车人员和监控中心的实时联系，监控中线也可以为列车人员提供准确及时的列车信息，为确保高速列车运行安全和应对突发事件具有重要意义。
参考文献：
[1]胡邦南.基于Zigbee Pro技术的列车制动试风测控系统[J].仪表技术与传感器，2013，（3）：72-75.
[2]孙维信.基于无线传感器网络的列车运行环境监测系统研究[J].数字技术与应用，2011，（8）：75-76.