基于ZigBee技术的铁路隧道应急通信系统研究与设计

■ 孙鲁泉

基于ZigBee技术的铁路隧道应急通信系统研究与设计

■ 孙鲁泉

铁路作为国家的经济大动脉，在交通运输系统中起着举足轻重的作用，其旅客和货物的运输量大大超过了其他运输方式。也正因如此，在铁路系统中出现事故、险情等突发事件时，如果抢险不及时，损失将是巨大的，因此，在应急抢险过程中通信保障和调度指挥显得尤为重要。目前铁路隧道通信主要采用中继器、直放站、漏缆等设备实现无线场强覆盖，供电方式采用接触网供电。当发生自然灾害、隧道塌方、接触网断电、电缆损坏等异常情况时，上述通信手段将失去作用。尤其是一些长大隧道，由于无线场强覆盖差，民用手机、卫星通信等无法解决长大隧道的应急通信。基于此研究便携式、低功耗的无线语音通信系统，解决隧道应急抢险人员间的联系，是目前急需解决的问题。设计研究了基于ZigBee技术的隧道应急通信系统（简称系统），利用节点的自组织网络结构，实现了节点与节点之间的通信，有效解决了隧道应急通信的难题。

1 ZigBee技术

ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的无线通信技术，与其他无线通信技术相比，具有短距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本等特点（见表1）。整个网络最多可容纳65 000个网络节点，通过相互协调实现网络节点通信，通信距离可以从标准的75 m扩展到几百米，甚至几公里、十几公里。ZigBee作为一种基于低速无线个人局域网络的双向无线通信技术标准，具有较强的自组网及网络自愈能力、网络扩展性能好、网络容量大、时延短等特点。

2 总体方案设计

2.1 总体设计要求

根据隧道应急通信系统应用环境背景，系统设计必须满足以下要求：

（1）严格控制整个系统的功耗水平，保障电池的长时间供电，解决在停电、断电情况下的应急通信。

（2）确保系统在现场使用的简单方便，控制系统体积，使语音通信终端具备便携移动性，人机界面友好。

（3）确保系统的可拓展性，能通过增加中继节点扩展无线系统的通信范围，且加入网络后不影响网络的正常运行，同时各终端节点间通信自由。

表1 几种无线通信技术主要指标比较

（4）系统可以与区间通话柱互联，实现移动用户与铁路PSTN固定电话间的语音通信。

2.2 系统方案设计

针对系统总体设计要求，基于ZigBee通信技术，设计一种低编码速率、自动中继远距离传输、低功耗电池供电的语音通信方案。该系统由ZigBee协调器完成网络形成和初始化，网络具有自组织功能，无需人工干预，系统上电后，网络节点能够自动感知其他网络节点的存在，并确定连接关系，组成结构化的数据传输网络。无线语音通信终端可在整个网络覆盖的范围内自由移动，与网络中的其他终端进行通话。当需要与公网固定电话通信或外界固定电话接入时，可以通过转接模块转拨给相应的无线语音通信终端或固定电话机，实现有线与无线的互联、专网与公网的语音通信。系统主要由以下部分组成：ZigBee专用网络协调器、ZigBee专用网络路由器、无线语音通信终端、专用网络公网接入器。系统结构见图1。

（1）专用网络协调器：主要完成网络的初始化，负责启动、维护网络，配置网络成员地址，维护节点的绑定关系等。

（2）专用网络路由节点：负责将消息转发到其他设备，主要实现扩展网络通信距离及路由消息的功能。

（3）无线语音终端：作为网络终端设备，实现各节点的通信功能。

（4）专用网络公网接入器：无线语音通信终端与固定电话机相互接入，实现有线与无线的互联、专网与公网的语音通信。

2.3 系统主控芯片选择

图1 系统结构

为了使系统中各个模块之间有条不紊的工作，选择合适的主控芯片非常关键。基于系统低功耗、实时性处理等多方面设计要求考虑，选择TI公司16位超低功耗的混合信号控制器MSP430F5438作为中心控制处理器，完成语音数据缓存及系统控制任务。MSP430F5438具有业界最低的功耗，活动模式消耗电流为165μA/MHz，待机模式消耗电流为2.5μA，保持模式消耗电流为1.5μA，关断模式消耗电流为0.1μA。另外MSP430F5438具有丰富的IO端口及片内集成的大量CPU外围模块，完全满足系统的设计。

2.4 语音编解码算法设计

目前在语音处理系统中有多种压缩编码算法，在这些编码算法中，美国语音系统公司的AMBE算法具有较大优势。与其他算法相比，该算法不仅码率低，在低波特率下能保持优良的语音合成自然度效果，同时具有良好的抗背景噪声能力，又可对信道误码进行一定程度的纠错。在系统设计中选择AMBE-1000芯片实现系统语音的编解码。

2.5 无线语音通信协议选定

无线通信协议选择了先进的ZigBee技术。ZigBee技术是一种结构简单、低功耗、低数据速率、低成本和高可靠性的双向微功率网格式无线接入技术，具备自组织自配置能力，其网络容量很大，是一种低速近距离的无线通信技术。

2.6 系统电源方案设计

电源设计是整个系统的重要组成部分，在系统电源设计中，为了降低电路设计中不同职能模块间的相互干扰，采用部分功能模块单独供电的方式（见图2）。系统上电后，输入电压经专用电源芯片处理得到稳定的3.0 V和5.0 V两路电压输出，分别供不同模块使用。电源设计中，采用四片电源芯片，目的是为降低系统设计中由统一电源扰动引起的各模块间的相互干扰，同时也可降低系统电源芯片负载，使系统工作更加稳定、可靠。

3 系统试验

为了测试系统的有效传输距离和固定电话接入功能，在西康线秦岭特长隧道进行了功能验证。西康线秦岭隧道测试过程见图3，其中K100＋630区间通话柱位于隧道口。本次试验使用2个基于ZigBee技术的无线语音终端（即图3中的终端1、终端2），通过公网接入器接入区间通话柱连接到铁路PSTN网络。公网接入器经电话线与区间通话柱的“自动电话”相连并放置高处。专用网络路由节点放置在隧道K99＋500处墙壁上。专用无线语音网络协调器安装在隧道口附近，距离地面约为3 m，协调器启动后，工作状态指示灯以1 Hz频率闪烁，公网接入器、用户1、用户2即可正常启动，并加入网络，进入工作状态。

图2 系统电源方案

图3 西康线秦岭隧道测试过程示意

图4 记录表1

图5 记录表2

试验方法：（1）将终端1放置在K100＋630处，其他终端与其通话测试有效距离和声音效果记录见图4。（2）将公网接入器接入K100＋630区间通话柱，终端拨打自动电话试验，试验记录见图5。

试验结论：通过现场测试、数据记录情况表明该系统在隧道内无线传输可靠清晰，传输有效距离长，并能接入区间自动电话，实现了无线与有线的转接功能。

4 结束语

以铁路局科研项目为依托，研究了基于ZigBee技术的铁路隧道应急通信系统，完成了原理样机的设计与实现。经过实验室和现场试验，该系统可以应用到铁路隧道应急抢险指挥中，除了使用ZigBee技术外，该系统又可与铁通PSTN固定电话网络相连，实现了调度中心与应急现场之间的应急指挥。目前该系统设备已在一些站段推广使用，对使用单位提出的如设备便携性、操作性等问题也进行了改进。力争使该系统发挥ZigBee技术优势，解决铁路隧道应急通信中的难题，为铁路隧道应急抢险提供可靠的通信手段。

孙鲁泉：西安铁路局电务处，工程师，陕西西安，710054

责任编辑 高红义