基于ZigBee技術(shù)的鐵路隧道應(yīng)急通信系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

■ 孫魯泉

基于ZigBee技術(shù)的鐵路隧道應(yīng)急通信系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

■ 孫魯泉

鐵路作為國(guó)家的經(jīng)濟(jì)大動(dòng)脈，在交通運(yùn)輸系統(tǒng)中起著舉足輕重的作用，其旅客和貨物的運(yùn)輸量大大超過(guò)了其他運(yùn)輸方式。也正因如此，在鐵路系統(tǒng)中出現(xiàn)事故、險(xiǎn)情等突發(fā)事件時(shí)，如果搶險(xiǎn)不及時(shí)，損失將是巨大的，因此，在應(yīng)急搶險(xiǎn)過(guò)程中通信保障和調(diào)度指揮顯得尤為重要。目前鐵路隧道通信主要采用中繼器、直放站、漏纜等設(shè)備實(shí)現(xiàn)無(wú)線場(chǎng)強(qiáng)覆蓋，供電方式采用接觸網(wǎng)供電。當(dāng)發(fā)生自然災(zāi)害、隧道塌方、接觸網(wǎng)斷電、電纜損壞等異常情況時(shí)，上述通信手段將失去作用。尤其是一些長(zhǎng)大隧道，由于無(wú)線場(chǎng)強(qiáng)覆蓋差，民用手機(jī)、衛(wèi)星通信等無(wú)法解決長(zhǎng)大隧道的應(yīng)急通信。基于此研究便攜式、低功耗的無(wú)線語(yǔ)音通信系統(tǒng)，解決隧道應(yīng)急搶險(xiǎn)人員間的聯(lián)系，是目前急需解決的問(wèn)題。設(shè)計(jì)研究了基于ZigBee技術(shù)的隧道應(yīng)急通信系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱系統(tǒng)），利用節(jié)點(diǎn)的自組織網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間的通信，有效解決了隧道應(yīng)急通信的難題。

1 ZigBee技術(shù)

ZigBee是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線通信技術(shù)，與其他無(wú)線通信技術(shù)相比，具有短距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本等特點(diǎn)（見(jiàn)表1）。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)最多可容納65 000個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，通過(guò)相互協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通信，通信距離可以從標(biāo)準(zhǔn)的75 m擴(kuò)展到幾百米，甚至幾公里、十幾公里。ZigBee作為一種基于低速無(wú)線個(gè)人局域網(wǎng)絡(luò)的雙向無(wú)線通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，具有較強(qiáng)的自組網(wǎng)及網(wǎng)絡(luò)自愈能力、網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展性能好、網(wǎng)絡(luò)容量大、時(shí)延短等特點(diǎn)。

2 總體方案設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)要求

根據(jù)隧道應(yīng)急通信系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境背景，系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須滿足以下要求：

（1）嚴(yán)格控制整個(gè)系統(tǒng)的功耗水平，保障電池的長(zhǎng)時(shí)間供電，解決在停電、斷電情況下的應(yīng)急通信。

（2）確保系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)使用的簡(jiǎn)單方便，控制系統(tǒng)體積，使語(yǔ)音通信終端具備便攜移動(dòng)性，人機(jī)界面友好。

（3）確保系統(tǒng)的可拓展性，能通過(guò)增加中繼節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展無(wú)線系統(tǒng)的通信范圍，且加入網(wǎng)絡(luò)后不影響網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行，同時(shí)各終端節(jié)點(diǎn)間通信自由。

表1 幾種無(wú)線通信技術(shù)主要指標(biāo)比較

（4）系統(tǒng)可以與區(qū)間通話柱互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)用戶與鐵路PSTN固定電話間的語(yǔ)音通信。

2.2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

針對(duì)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)要求，基于ZigBee通信技術(shù)，設(shè)計(jì)一種低編碼速率、自動(dòng)中繼遠(yuǎn)距離傳輸、低功耗電池供電的語(yǔ)音通信方案。該系統(tǒng)由ZigBee協(xié)調(diào)器完成網(wǎng)絡(luò)形成和初始化，網(wǎng)絡(luò)具有自組織功能，無(wú)需人工干預(yù)，系統(tǒng)上電后，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能夠自動(dòng)感知其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的存在，并確定連接關(guān)系，組成結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。無(wú)線語(yǔ)音通信終端可在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)覆蓋的范圍內(nèi)自由移動(dòng)，與網(wǎng)絡(luò)中的其他終端進(jìn)行通話。當(dāng)需要與公網(wǎng)固定電話通信或外界固定電話接入時(shí)，可以通過(guò)轉(zhuǎn)接模塊轉(zhuǎn)撥給相應(yīng)的無(wú)線語(yǔ)音通信終端或固定電話機(jī)，實(shí)現(xiàn)有線與無(wú)線的互聯(lián)、專網(wǎng)與公網(wǎng)的語(yǔ)音通信。系統(tǒng)主要由以下部分組成：ZigBee專用網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、ZigBee專用網(wǎng)絡(luò)路由器、無(wú)線語(yǔ)音通信終端、專用網(wǎng)絡(luò)公網(wǎng)接入器。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

（1）專用網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器：主要完成網(wǎng)絡(luò)的初始化，負(fù)責(zé)啟動(dòng)、維護(hù)網(wǎng)絡(luò)，配置網(wǎng)絡(luò)成員地址，維護(hù)節(jié)點(diǎn)的綁定關(guān)系等。

（2）專用網(wǎng)絡(luò)路由節(jié)點(diǎn)：負(fù)責(zé)將消息轉(zhuǎn)發(fā)到其他設(shè)備，主要實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)通信距離及路由消息的功能。

（3）無(wú)線語(yǔ)音終端：作為網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備，實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)的通信功能。

（4）專用網(wǎng)絡(luò)公網(wǎng)接入器：無(wú)線語(yǔ)音通信終端與固定電話機(jī)相互接入，實(shí)現(xiàn)有線與無(wú)線的互聯(lián)、專網(wǎng)與公網(wǎng)的語(yǔ)音通信。

2.3 系統(tǒng)主控芯片選擇

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為了使系統(tǒng)中各個(gè)模塊之間有條不紊的工作，選擇合適的主控芯片非常關(guān)鍵。基于系統(tǒng)低功耗、實(shí)時(shí)性處理等多方面設(shè)計(jì)要求考慮，選擇TI公司16位超低功耗的混合信號(hào)控制器MSP430F5438作為中心控制處理器，完成語(yǔ)音數(shù)據(jù)緩存及系統(tǒng)控制任務(wù)。MSP430F5438具有業(yè)界最低的功耗，活動(dòng)模式消耗電流為165μA/MHz，待機(jī)模式消耗電流為2.5μA，保持模式消耗電流為1.5μA，關(guān)斷模式消耗電流為0.1μA。另外MSP430F5438具有豐富的IO端口及片內(nèi)集成的大量CPU外圍模塊，完全滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

2.4 語(yǔ)音編解碼算法設(shè)計(jì)

目前在語(yǔ)音處理系統(tǒng)中有多種壓縮編碼算法，在這些編碼算法中，美國(guó)語(yǔ)音系統(tǒng)公司的AMBE算法具有較大優(yōu)勢(shì)。與其他算法相比，該算法不僅碼率低，在低波特率下能保持優(yōu)良的語(yǔ)音合成自然度效果，同時(shí)具有良好的抗背景噪聲能力，又可對(duì)信道誤碼進(jìn)行一定程度的糾錯(cuò)。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中選擇AMBE-1000芯片實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)語(yǔ)音的編解碼。

2.5 無(wú)線語(yǔ)音通信協(xié)議選定

無(wú)線通信協(xié)議選擇了先進(jìn)的ZigBee技術(shù)。ZigBee技術(shù)是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本和高可靠性的雙向微功率網(wǎng)格式無(wú)線接入技術(shù)，具備自組織自配置能力，其網(wǎng)絡(luò)容量很大，是一種低速近距離的無(wú)線通信技術(shù)。

2.6 系統(tǒng)電源方案設(shè)計(jì)

電源設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)的重要組成部分，在系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)中，為了降低電路設(shè)計(jì)中不同職能模塊間的相互干擾，采用部分功能模塊單獨(dú)供電的方式（見(jiàn)圖2）。系統(tǒng)上電后，輸入電壓經(jīng)專用電源芯片處理得到穩(wěn)定的3.0 V和5.0 V兩路電壓輸出，分別供不同模塊使用。電源設(shè)計(jì)中，采用四片電源芯片，目的是為降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)中由統(tǒng)一電源擾動(dòng)引起的各模塊間的相互干擾，同時(shí)也可降低系統(tǒng)電源芯片負(fù)載，使系統(tǒng)工作更加穩(wěn)定、可靠。

3 系統(tǒng)試驗(yàn)

為了測(cè)試系統(tǒng)的有效傳輸距離和固定電話接入功能，在西康線秦嶺特長(zhǎng)隧道進(jìn)行了功能驗(yàn)證。西康線秦嶺隧道測(cè)試過(guò)程見(jiàn)圖3，其中K100＋630區(qū)間通話柱位于隧道口。本次試驗(yàn)使用2個(gè)基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線語(yǔ)音終端（即圖3中的終端1、終端2），通過(guò)公網(wǎng)接入器接入?yún)^(qū)間通話柱連接到鐵路PSTN網(wǎng)絡(luò)。公網(wǎng)接入器經(jīng)電話線與區(qū)間通話柱的“自動(dòng)電話”相連并放置高處。專用網(wǎng)絡(luò)路由節(jié)點(diǎn)放置在隧道K99＋500處墻壁上。專用無(wú)線語(yǔ)音網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器安裝在隧道口附近，距離地面約為3 m，協(xié)調(diào)器啟動(dòng)后，工作狀態(tài)指示燈以1 Hz頻率閃爍，公網(wǎng)接入器、用戶1、用戶2即可正常啟動(dòng)，并加入網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)入工作狀態(tài)。

圖2 系統(tǒng)電源方案

圖3 西康線秦嶺隧道測(cè)試過(guò)程示意

圖4 記錄表1

圖5 記錄表2

試驗(yàn)方法：（1）將終端1放置在K100＋630處，其他終端與其通話測(cè)試有效距離和聲音效果記錄見(jiàn)圖4。（2）將公網(wǎng)接入器接入K100＋630區(qū)間通話柱，終端撥打自動(dòng)電話試驗(yàn)，試驗(yàn)記錄見(jiàn)圖5。

試驗(yàn)結(jié)論：通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、數(shù)據(jù)記錄情況表明該系統(tǒng)在隧道內(nèi)無(wú)線傳輸可靠清晰，傳輸有效距離長(zhǎng)，并能接入?yún)^(qū)間自動(dòng)電話，實(shí)現(xiàn)了無(wú)線與有線的轉(zhuǎn)接功能。

4 結(jié)束語(yǔ)

以鐵路局科研項(xiàng)目為依托，研究了基于ZigBee技術(shù)的鐵路隧道應(yīng)急通信系統(tǒng)，完成了原理樣機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，該系統(tǒng)可以應(yīng)用到鐵路隧道應(yīng)急搶險(xiǎn)指揮中，除了使用ZigBee技術(shù)外，該系統(tǒng)又可與鐵通PSTN固定電話網(wǎng)絡(luò)相連，實(shí)現(xiàn)了調(diào)度中心與應(yīng)急現(xiàn)場(chǎng)之間的應(yīng)急指揮。目前該系統(tǒng)設(shè)備已在一些站段推廣使用，對(duì)使用單位提出的如設(shè)備便攜性、操作性等問(wèn)題也進(jìn)行了改進(jìn)。力爭(zhēng)使該系統(tǒng)發(fā)揮ZigBee技術(shù)優(yōu)勢(shì)，解決鐵路隧道應(yīng)急通信中的難題，為鐵路隧道應(yīng)急搶險(xiǎn)提供可靠的通信手段。

孫魯泉：西安鐵路局電務(wù)處，工程師，陜西西安，710054

責(zé)任編輯 高紅義