专利名称：基于ZigBee的铁路信号监测网络系统的制作方法
技术领域：
基于ZigBee的铁路信号监測网络系统
技术籲域
本实用新型涉及铁路信号监測两络系统，更具体地说是一种基于Zi^Bee 的无线铁路信号监測网络系统。 背聚技术
现有技术中铁路信号监籌系统主要依拿有线方式或电力线载波方式传输 监鳙信息。有线方式传输监獼偾息霱要在室外铺设大量的电缀，所以成本高， 且监糖项目单一。电力线,方式传输监獮信息可靠性差、且搡作不便。现有 技术中铁路信号监測系统均不具备电子巡更功能和列车HM报警功能，监澜项 目难于满足现行铁路信号维修体制的使用要求。
发明内容
本实用新型是为璩免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种安装便 利、价格适中、工作可靠、具备电子巡更功能和列车接近报警功能的罄于ZigBee 的无线皿信号臚翔两络系统。
本实用新型解决其技术问邋所采用的技术方案是
本实用新型基于ZigBee的M信号监翻网络系统，其系统^^包括无线 铁路信号监獮网络模块、无线监澜网关和监糖控制器
所述无线铁赂信号监獮网络模块包括信号设备探獮器、便携維修报警装 置、无线通信模块及无线中继器，完成铁路信号信息数据的采集与网络化传输,
其中
a、 所述信号设备探澜器包括轨道电路补偿电容器H騸器、道翁缺口探測 器、灯丝断丝报警探澜器、地面信息应答晷探測器，用于对信号设条当前区域 状态进行捕捉；
b、 所述便,修报瞀装置，用于接受发送电子巡更和列车接近搌警的信 号控制器的指令；
c、 所述无线通信模块采用ZigBee通信模块，与信号设备H钃li及便镧维 修搌警装置相连，以ZigBee协议构建无线通信网络，实现,的lliHfc无线 传输；
d、 所述无线中继器通过无线通信模块接入无线通信网络，实現无线信号 的放大转发功能；
所述无线铁蹯信号监測网关与所述信号控制器有线连接，并通过一个无线 通信模块接入无线通信网络由无线铁路信号监澜网关对网络中的jRJgJt行收 集，同时接受来自控制器的巡检和査询。由所述信号控镧器接收无扭自信号 监鑭网关收集的无线信号信息，根据不同的信号类型，输出相应的处理信息。
信号控制器支持多个总线歸路，每条國路均为由该翻略中的无te盩镧两关
与无线通信网络欞块以及所述僚号控镧暴共同构成的一个子网络系统。
轨道电路补偿电容器探糖器、遒岔缺口,器、灯丝断餘报iF^S鑭器、地 面信息应答器探獮器采用磁感应装置，从相应的信号设备引线处获板感应电能量，并且将感应电齙量传送至电容或电池中存储，用于儎賴关通倚模
块的电源。
便携维修报拿装置包括无线通信模块、单片机、电池和报lil。便携锥修 拫警装置可以依据信号控制器的指令适时发出列车接近报警。自饞修报整装
置在信号检修人员巡检过程中，向信号控制器传送其在Zij^ee充线网络的位 置信息，信号控翻器纪录上述信息，实现电子巡更。 与现有技术相比，本实用新型有益效果体现在-
1、 基于最新的ZigBee技术的无线网络结构
ZigBee技术是专门针对无线传iilS网络开发的一种近距离、低复杂度、低 功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术。本实用新型采用了最新的 ZigBee无线通信技术，构細^Mt号监剿网络系统，与传统的有线铁雜号 监籌相比，系统安装，调试的复杂度大大降低，对原有信号设备的被坏和改造 也几乎不存在。对于国内众多已投入使用的信号设备的监籌改造，有着很强的 针对性和实用性。
2、 灵活的自适应性
本实用新型所搭建的铁路備号监澜网络系统，有着健,网lft^系，具有 强大的自通应性。控制器可以控^路由，増鹏探漏器节点，使网^il模可以依 据信号设备规模任意调整，且安装与设置的复杂度没有墦加，避兔了传统有线 铁路信号监獮系缣规模较小，灵活性弱的弊端。
3、 低廉的成本
本实用新型采用ZigBee技术具有低速率、低功耗、低^C赚点，使当 前系统成本已下降到远低于传统有线铁路信号监澜系统的程度，面且ZigBee 模块的价格仍在进一步降低，本实用新型的系统成本将会非常低麋，易于市场 推广。
4、 低功耗
本实甩新型可以采用E ber公司的BM2420芯片，在单一的芯片内包含了 802.15.4及ZigBee兼容系统中必备的组件，支持同歩睡,唤薩有效的降 低了功耗。,电蹐补偿电窖,钃爨、遒岔缺口探鑭器、灯丝断丝ji警探糖 器、地面信息应答SII測器采用磁感,置，从相应的信号设备引线处获取感 应电能量，并且将感应电能愛传送至电容或电池中存储，用于傲相关Z一e 通信模块的电源。如此一举两得，即监測了上述信号设备的状态，又輦免了更 换电池。无线中饞器仅靠两节标准5号电池就可持续工作6个月至两年，从而 延长了各探籌器节点维护周期，节省了相应的人力和物力。
5、 及时准确的信息收集与传输
本实用新型通过采用高质量的轨道电路补偿电容晷探剿器、道岔缺口探糖 器、灯丝断丝报,澜器、地面信息应答^lfSil爨，,及lWI&i:述设备的 故障信息；通过在其无线网IMI输中采取8bit数据方式传输，以及定时发送、 巡检和报罾输出的三种传输方式进行协调工作，可以使信息 在第一时 间进行网络传输；基于Zi^ee协议的两^fe，包括严格的ltjg校验，充分 保证了数据的准确性，有效避免了信号设备故障的误报和漏报。6、 便携维傪裉審装置可以依据信号控制器的指令适时发凼列车接近拫 替。便携维修报祭装置在信号检修人员巡检过程中，向信号控制維传送其在 ZigBee无线网络的位置信息，信号控制器记录上述信息，实现电子巡更。
7、 数据;^K齐全
本^用新型内部互相通讯的数据包括轨道电路补偿电容器，性探镧数 据、道岔缺口探漏数据、灯丝断丝报曹探獮数据、地面儈息应答H完好性探測 数据、电子巡更和列车接近报警的指令等多种数据，并在信号控自数据库内 统一存储、调用和管理，同时在显示屏上显示。相关信息可以根据措令，由打 印机进行数据输出。
附圉说明
图1为本实用新型的系,成框图。 图2为本实用新型的网络节点硬件框國。 图3为本实用新型中所应用的Ember Zi^ee体系结构示意。 图4为本实用新型中所应用的从相应的信号设备引线处获取自电能量的 结构示意图。
具体实施方式
参见圉1,本实鰌例的系统组成包括无线铁路信号监灑网络,、无线监 獮网关和监測控制器
所述无线铁錄信号监獮网络樓块包括信号设备探籌器、便癱維修报警装
置、无线通信模块及无线中继器，完成铁路信号信息数据的采集与搏^4k传输,
其中
a、 所述信号设备探剿器包括轨遒电路补偿电容器探騸器、遒贫缺口採測 器、灯,断丝报警探糖器、地面信息应答SII澜器，用于对信号设备当前区域 状态进行捕捉；
b、 所述便携锥修报瞥装置，用于接受发送电子巡更和列车接近报警的信 号控制器的措令；
c、 所述无线通信模块采用Zi^ee通信模块，与信号设备探獮猓及便拥维
修搌曹装置相连，以ZigB枕袖^议构建无线通信网络，实现数据的阔络化无线 传输；
d、所述无线中继器通过无线通信模块接入无线通信网络，实現无线信号 的放大转发功能；
所述无线铁蹯信号监測网关与所述信号控制器有线连接，并通过一个无线 通信模块接入无线通信网络；由无线铁路信号监籌网关对网络中的i^t行收 集，同时接受来自控制器的巡检和査询。由所述信号控制器接牧无线鹏信号 监籌网关收集的无线信号信息，根据不同的信号类型，输出相应的处理信息。
具体实施中，信号控制暴支持多个总线回路，每条國鏘均为由该回路中的 无线铁路信号监漏网关与无线通信模块以及所述信号控翻蕃共鬭构成的一个 子网络系统。本实施例錄多可以支持加条总线回路，每个总线回鼹上连接一 个无线铁路信号监獮网关，并可暈大支持2脚个节点。无线中饞器为大规模网^H供信号放大与转发。所以对于单个信号控制器，可条大支持4000个节点, 构成一个庞大的无线网络系统。参见圉2，本实施例中的探測器节点主要由三部分构成，包括传感器电路、主控电路和无线收发电路o其中，主控单片机采^AVR内核的8位单片机A加e^l28L,它采用先进 的RISC架构，提供丰富的I/0,并具有很低的功耗。同时，它具有启动引导 功能，给程序的升级和维护提供了极大的方便。无线收发电路采用EmberCrop的EM2420,它在单一的芯片内包含了 抑2. 15. 4及ZigBee兼容系统中所有必备的组件，融合了 2. 4GHz的射頻收 发器，内嵌了 ZigBw的联网堆栈和开发环境。基于本实施俩系统的控制方法为1、无线通信模块将信号探瀕器的输入信号按照固定报文格式化，通过直 接序列扩頻调制，然后按照Z妙ee无线通信协议进行无线网络传糖；在这一步骤中，信号探湖器的输入信号包括轨道电路补偿电容器完好性探 测数据、道岔缺口探澜数据、灯丝断丝报曹探澳数据、地面信息应答晷完好性 探獮数据、电子巡更和列车接近报警的措令模拟量和开关量，包含以下三种接 口a、 开关量信号输入接口提供两个1 / 0 口 ，所述I / 0 口通过10K电阻 接地，高电平输入；b、 数字信号输入接口采用UART接口，协定波特率；c、 模拟电平信号输入接口提供一路8位A/D输入接口，其参考电压可调节。报文头报文类型(地址)淡型)凍据)鹏无线网^糖采取8bit数据方式传输，传输方式有三种定时发送、巡检 和报曹输出，其中巡检某网络节点对其发出査询要求，则发送；定时发送定时向网络节点发出状态信息，供控制器记录,；报警输出当超过预警或报警阀值时，主动发送。2、 无线铁路信号监測网关收集无线铁路信号监测网络中的数維信息，通 过串口将信息按照信号控制器兼容报文格式发送给信号控制器。具体实旌中，无线铁路信号监測网关收集无线铁路信号监糖网络中的数据 信息是通过利用与其相连的无线通信模块作为采集节点来实现的。3、 信号控制器对信息进行分析和做出相应的处理，包括 当无信号设备故降时a、 分析当前对间、探翻器地址、环境温度、道岔缺口值；b、 将上述,各存入系癱数据库供査询； C、显示屏同步显示状态信息； 当出现信号设备故降时a、分析当H时间、探鑭器地址、环境温度、道岔缺口值；b、 启动警笛，提示信号设备故陣出现；c、 启动便携维修报，1LS指引维修人员尽快修复故陣设备；d、 将^1述数据存^系统数据库并打印；e、 显示屏同步显示状态信息。4、信号控制器可以控制賂由，自动识别无线铁路信号检澜通信网络模块， 任意增鹏网络节点。图3示出了i实用新型采用的Z&bee协议的分层模型以及其与OSI网络 模型的对应关系。从结构上来说，如图所示主机应用层和E鹏ber协议栈属于 用户自定义范围，对应着OSI网络模型的应用层到网络层的五层协议，本实用 新型则通过A加e伊i28L单片机编程实现；然后通过SPI同歩串行接口与 EM2420芯片相连接，由EM2420完成传输中的差错控制和流量控制，调制后 通过天线发射。本部分对应着OSI网络模型中数据链路层Dateltok tayer和物 理层Physical teyer两层协议。 其报文格式为(1) 报文结构报文头+^文类型+(地址M类型)+(数据)+报尾(2) 具体报文类型及格式InfornwtkMi报文，指节点发送常规数据信息，拫文长度12B。4B数据指电量、温度、浓度、开关量，下同。 New报文，指汇报新加入节点及数据，报文长度12B,Lost报文，指汇拫新加入节点及数据，报文长度12B,Ack拫文，应雜号，报文长度4B,正常应答，2—应答同时请求应应答数据为0~非正常应答，l-答o接收到对方发来的报文以后， 一般都鐮傲出应答以表示 成功接受, 正常应答也表示节点的生存，如中心节点与网关之间的通信保,手。Set报文，设置开关量模块，报文长度9B。在收到Set报文后，除了正常应答之外，还必须在开关量变化后传回实H1^点操作后的开关量值。Update报文，网关节点要求中心节点重新传输所有节点地址信息，报文长 度3BQuery报文，报文长度12B。当网关接收到不存在于路由表内节点的信息时，向中心节点査实该节点，同时该信息作废。如中心节点査实存在，则在适宜的时候发送New指令。同时，传感糖结点也可以充当路由节点，具有数据转发功能。在主控电路 的控制下,无线收发电路将接收到数据通过SPI同步串行接口传至主控单片机, 单片机再将数据从新处理，加上一些必要的路由信息，再通过SPI同步串行接 口传回无线收发电路。无线铁路信号监測网关主要起到数据聚集和转发的作用收集无线铁路 信号监測网络中的数据信息，通过串口将信息按照信号控制器兼審拫文格式发送给信号控制器。信号控镧器可以使用工业控镧计算机。信号控制器接收,文，进行分析, 获取信号设备故,等信息，并根据信息傲出处理。图4为本实用新型中所应用的从相应的信号设备引线处获取雄应电能量的 结构示意國。图4中(1)是磁环，可以使用<D25X15X10的锰锌截环。(2) 是轨道电路补偿电容器的引线。(3)是轨道电路补偿电,的塞钉连接头。 (4)是电池，可以使用市售3.7V锂电池，也可以采用法拉电容，(5)是谐 振电容，根据相应的轨道电路頻率设置其容量。(6)是整流二极管。可以采 用1N4001,也可以用BL8505升压模块代替。轨道电路补偿电容《||鑭器、道岔缺口探糖器、灯丝断丝报曹探糖器、地面信息应答器探籌iiipr以采用上述磁感应装置，从相应的信号设备引线处获取感应电能量，并且将感应电能量传送 至电容或电池中存储，用于做相关ZigBee通信模块的电源。便携维修报警装置包括无线通信模块、单片机、电池和报蕾器。便携维修 报警装置可以依据信号控制器的指令适时发出列车接近报籌。便携维修报瞥装 置在信号检修人员巡检过程中，向信号控制器传送其在ZigBee无线网络的位 置信息，信号控制器记录上述信息，实现电子巡更。
权利要求1. 基于ZigBee的铁路信号监测网络系统，其特征是系统组成包括无线铁路信号监测网络模块、无线铁路信号监测网关和铁路信号监测控制器所述无线铁路信号监测网络模块包括信号设备探测器、便携维修报警装置、无线通信模块及无线中继器，完成铁路信号信息数据的采集与网络化传输，其中a、所述信号设备探测器包括轨道电路补偿电容器探测器、道岔缺口探测器、灯丝断丝报警探测器、地面信息应答器探测器，用于对信号设备当前区域状态进行捕捉；b、所述便携维修报警装置，用于接受发送电子巡更和列车接近报警的信号控制器的指令；c、所述无线通信模块采用ZigBee通信模块，与信号设备探测器及便携维修报警装置相连，以ZigBee协议构建无线通信网络，实现数据的网络化无线传输；d、所述无线中继器通过无线通信模块接入无线通信网络，实现无线信号的放大转发功能；所述无线铁路信号监测网关与所述信号控制器有线连接，并通过一个无线通信模块接入无线通信网络；由无线铁路信号监测网关对网络中的数据进行收集，同时接受来自控制器的巡检和查询由所述信号控制器接收无线铁路信号监测网关收集的无线信号信息，根据不同的信号类型，输出相应的处理信息。
2、 根据权利要求1所述的系统，其特征是所述信号控制蕃支錄多个总 线回路，每条回路均为由该隨路中的无线监澜网关与无线通儕网络模块以及所述信号控制器共同构成的一个子网络系统。
3、 根据权利要求1所述的系统，其特征是所述轨道电赂补偿电容器探 测器、道岔缺口探測器、灯丝断丝报簪探謝器、地面信息应答器探漏器采 用磁感,置，从相应的信号设备引线处获取感应电能量，并且将感应电 能量传送至电容或电池中存储，用于傲相关ZigBee通信模块的电源。
4、 根据权利要求1所述的系统，其特征是所述便携维修报警装置包括 无线通信模块、单片机、电池和报警器。
专利摘要基于ZigBee的无线铁路信号监测网络系统组成包括无线铁路信号监测网络模块、无线铁路信号监测网关和铁路信号监测控制器。无线铁路信号监测网络模块包括信号设备探测器、便携维修报警装置、无线通信模块及无线中继器，完成铁路信号信息数据的采集与网络化传输。无线铁路信号监测网关与所述信号控制器有线连接，并通过一个无线通信模块接入无线通信网络。由无线铁路信号监测网关对网络中的数据进行收集，同时接受来自控制器的巡检和查询。信号控制器接收无线铁路信号监测网关收集的无线信号信息，根据不同的信号类型，输出相应的处理信息。系统具有自适应特性、安装维护方便、成本低。
文档编号H04M11/00GK201097457SQ20072003114
公开日2008年8月6日 申请日期2007年1月31日 优先权日2007年1月31日
发明者佟元江 申请人:佟元江