ZigBee接触网在线监测系统

接触网是铁路运行必不可少的高压输电线。接触网在使用中，断线会造成重大事故，如行车中断、人员伤亡等。在日常维护中，除了测量磨耗这个方案，别的方案都无法及时找到断线隐患。随着近几年接触网技术装备的投入使用，因几何参数超标造成的故障已得到改善，而断线故障却一直无法得到解决。当线索张力为0或者接近于0，则表示已经断线。根据断线的原因及物理特性，若对接触网的温湿度及线索张力进行实时检测，那么就能事先判断断线的可能性，及时采取措施。

    传统的电气设备在线监测系统所采用的连接方式为有线的RS485连接，该方式不止会让现场作业时布线困难，而且施工周期长，成本高，不易于维护。ZigBee无线通信功耗低、成本低、安全性高、实时性强，相比来说，更适用于接触网电气设备在线监测。为此，本文设计了应用ZigeBee无线模块通信技术进行接触网在线监测的系统。

1 系统设计

1．1系统总体方案

接触网在线监测系统包括ZigeBee采集数据、接收数据以及上位机监控管理系统。接触网ZigeBee数据采集模块包含了一些传感器，所采集的数据包括线索张力、温度和湿度。传感器节点主要负责根据上位机监控管理系统的指令采集数据，部分节点还具备路由功能，可转发其它节点的数据；接收数据模块即ZigBee数传网络中的网关节点——协调器，主要负责发起网络，收集网络中传感器节点所采集到的数据，最终数据的采集和传输是通过多跳的方式实现的。通过串行通信端口可以将协调器节点的数据发送给监控管理系统。监控管理系统主要完成向协调器节点发送采集命令，将接收到的接触网数据进行存储、显示、整理归纳，一旦数据与预设值相差太大立刻报警，对整个网络工作状态进行控制。

    在铁路沿线上，以 2km 为单位，设计一个小型的ZigBee无线模块网络，一般接触网支柱与支柱间的距离不超过 65m ，可将传感器节点安置在接触网支柱上面，即以每个支柱为一个节点，监测接触网状态。这样每个小型的ZigBee无线模块网络就大约有31个节点，各以一个协调器节点为中心进行组网。由于行车时段与空闲时段对接触网参数会有影响，所以采集的数据分为行车时数据和空闲时数据。

1．2系统硬件设计

外围器件主要有两大模块：串口通信模块和射频传输模块。

LED指示灯用来指示网络的连接状态和数据传输，键盘是用在对网络的配置。ZigBee数传模块采用2．4GHz免授权的ISM频带，共有16个信道。射频传输模块包括：匹配网络和滤波网络。系统硬件框图见图1。

圈1 系统硬件框图

1．3系统软件设计

1．3．1帧结构的定义在本网络中，任何通信数据都是利用帧的格式来组织的。根据IEEE802．15．4协议，系统定义了两种帧类型：命令帧和数据帧。命令帧只由一个帧头组成，数据帧由帧头和用户数据组成。

数据帧和命令帧中的起始标志位和结束标志位都取相同的数7EH，为保证协调器和主控制设备之间数据传输的透明，需对信息字段中出现的标志字节进行转义处理，转义定义如：7EH=7DH+01H。具体如表1所示：

表1 帧格式定义表

1．3．2 ZigBee数据采集和接收模块

网络中数据通信可以分为直接通信和间接通信。间接通信是指节点之间通过端点绑定建立一种通信表，该通信方式不用清楚目标节点的网络地址，Z-Stack自动从绑定表中查找目标设备的网络地址。直接通信采用网络短地址作为参数调用适当的APl发送数据。为了网络能够更加灵活的应用，系统采用直接通信，并且终端设备和采集模块实现透明传输。这样采集模块就完全不必理会终端设备的工作原理，只需要遵守相应的波特率。

终端设备从ZigBee数据采集模块收到数据后，把数据组装成数据帧，然后把帧传给协调器(也就是网络地址Ox0000)。协调器和主控制设备之间的串口通信，则必须遵守系统规定的帧格式。协调器从主控设备收到数据后，先对帧进行识别。如果是命令帧，则根据相应的命令做出应答。如果是数据帧，则提取出网络地址，并把帧发送到相应的节点上。数据传输的流程图如图2所示：

围2 协调器与终端设备的通信机制

1．3．3上位机监控管理系统

上位机监控管理系统是整个接触网在线监测的重要组成部分，采用C语言编制，操作简单，易于管理。可发送数据采集指令、接收数据并显示，对于接触网断线可能性高的地方标以红色并报警，可以通过查询数据库查看历史数据。监控系统报警过程如图3所示。

图3 上位机监控管理系统报警流程

2 系统测试及分析

协调器和主控制设备通过串口线连接，如图4所示。因为两个设备都是工作在3．3V，所以不需要电平的转换直接就可连接。连接好后，给ZigBee数传模块加上工作电压。等待协调器建立网络成功后，使用主控制设备的触摸屏上的刷新控件进行节点信息的刷新。进入主界面后，在窗口的下拉菜单显示出当前的节点，有Rouler节点和End节点。在触摸屏上选中End节点，就可看到从采集设备传送过来的张力、温度和湿度值。接着选中窗口中的图3上位机监控管理系统报警流程LED控件，将会弹出一个新的窗口，上面有四个控件Ledl、Led2、Led3、Led4。随便选中其中一个控件，就可看到采集模块上的Led灯被点亮。系统测试网络包括1个协调器节点和5个传感器节点，最终数据传输到监控管理系统，界面如图5所示。

图4 协调器和主控制设备的通信

图5 上位机监控管理系统

根据联机调试结果分析，主控制设备和上位机能够非常稳定的接收到采集设备发送的温度和湿度值。系统采用了应答／重发机制，因此网络问数据的通信非常稳定，几乎不会出现数据丢失，除非节点断开网络。

    在测试数据传输的可靠性中，当数据量大时，会出现丢帧的现象。经过分析发现，是由于终端设备为了降低功耗采用了睡眠模式，会周期性的进入休眠状态，这将导致帧的大量堆积从而导致数据的丢失。对于传输速率要求较高的应用，可以采用路由器替换终端设备，但是这样会增加设备的功耗。在一般的应用中，本系统完全满足要求。

3 结束语

本系统屏蔽了复杂的协议，仅通过串口、命令帧和数据帧就可以实现ZigBee数传模块通信。网络采用了网状网络的的拓扑结构。网络在通信时，主要使用直接通信。为了让数据稳定传输，系统采用应答／重发机制。能够有效的判断接触网断线的可能性及具体位置，发出警报。操作简单，系统易于管理维护。采用的ZigBee无线模块通信成本低、功耗低，可在电气化铁路上推广，为接触网安全提供重要的保障。