（电力系统及其自动化专业论文）基于zigbee的地铁杂散电流监测系统的设计.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a bs t r a c t i nd cr a i lt r a n s i ts y s t e m s t h er u n n i n gr a i l sa r eu s u a l l yu s e da st h er e t u r n c o n d u c t o rf o rt r a c t i o nc u r r e n t t h i sa r r a n g e m e n tm a i n l yf o c u s e so ne c o n o m i c c o n s i d e r a t i o n s ，s i n c ei td o e sn o tr e q u i r et h ei n s t a l l a t i o no fa na d d i t i o n a lr e t u r n c o n d u c t o r t h er a i l sa l o n gt h er a i l w a y ，w h i c hl i ee x p o s e do nt h eg r o u n d ，w i l l e a s i l y c a u s e l a r g e rs t r a y c u r r e n t 、7 i v h e nt h et r a i n o p e r a t e s i n h e a v y t r a n s p o r t a t i o no fm a s sr a i lt r a n s i t ( m r t ) s y s t e m s ，t h ec u r r e n tr e q u i r e db yt h e t r a i nw i l lb eq u i t el a r g eu pt os e v e r a lt h o u s a n da m p e r e sa n dt h er e s i s t a n c eo f t h er u n n i n gr a i lw i l lb e a b o u ts e v e r a lm i l l i o h m st ot e n so fm i l l i o h m sp e r k i l o m e t e r t h e r e f o r e ，as i g n i f i c a n tv o l t a g ed r o po nt h er u n n i n gr a i lw i l lb e g e n e r a t e d t h i sv o l t a g ed r o pw i l lf o r c ep a r t so ft h ec u r r e n tt ol e a kf r o mt h er a i l a n df l o wi n t op i p e w o r ki nt h ee a r t ho rs t e e lb a r si nas t r u c t u r e a f t e r w a r d s t h e c u r r e n t1 e a v e st h ep i p eo rs t e e lb a ra n df l o w st h r o u g ht h ee a r t h b a c ki n t ot h e n e g a t i v es i d eo ft h et r a c t i o ns u b s t a t i o n t h i sc u r r e n ti sk n o w na st h es t r a y c u r r e n to rt h el e a k a gc u r r e n t s t r a yc u r r e n tc a u s e se l e c t r i c a lc o r r o s i o nn o to n l y t ot h es t r u c t u r ea n dp i p i n gi nm r t s y s t e m s b u ta l s ot oa d j a c e n ts t r u c t u r e sa n d u n d e r g r o u n dp i p i n g ，i n c l u d i n gt h o s ec a r r y i n go i l ，g a sa n dw a t e r w i t ht h ea d v a n t a g eo fl o wp o w e rc o n s u m p t i o n 1 0 wc o s ta n de a s yg r o u p n e t w o r k ，z i g b e ei s an e wg l o b a ls t a n d a r df o rw i r e l e s s c o n n e c t i v i t y , h a v i n g w i d ef o r e g r o u n do fp r o d u c t sw i t h i nh o m ec o n t r o l ，b u i l d i n ga u t o m a t i o na n d i n d u s t r i a lc o n t r o la n dm o n i t o r i n g t h i st h e s i sa n a l y z e dt h em o n i t o rs y s t e mo f s t r a yc u r r e n th o m ea n da b r o a d a n dp o s e dan e wm o n i t o rs y s t e mo fs t r a yc u r r e n tb a s e do nw i r e l e s sn e t w o r k f i r s t ，p o s e dat r a n s f o r m e rs b s t a i o nm o n i t o rs y s t e mo fs t r a yc u r r e n ts y s t e m d e s i g nb a s e d o nz i g b e ew i r e l e s s n e t w o r k s e c o n d ，z i g b e es t u d i e dv a r i o u s c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l sl e v e lo ft h es p e c i f i cf u n c t i o na n dr o l e u s e dj e n n i c c o r p o r a t i o n s 513 9 r 1m o d u l e w h i c hc o n f o r i l l st ot h ez i g b e es t a n d a r da n d a i 洲9a st h ec o r e ，t h et h e s i s d e s i g n e d t h et e r m i n a la n dc o o r d i n a t o r n o d e ，s h o w e dt h ew h o l ec i r c u i td i a g r a ma n dc o m p l e t e dt h ed e b u go ft h e h a r d w a r e t h e n ，b a s e do nt h eh a r d w a r ea n do p e n s o u r c el i n u x t h et h e s i s c o m p l e t e dt h ec o o r d i n a t o ra n dt h et e r m i n a ln o d es o f t w a r ed e s i g nw h i c h 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 ii 页 c o n s i s to f e x p i a t i n g t h ee m b e d d e d s y s t e m a n dt h en o d ef u n c t i o n d e s i g n m o r e o v e r , t h et h e s i sd e s i g n e dt h ed a t at r a n s f e ro fu s ba n dt h ew 曲 s e r v e rf o rt h et r a n s f o r m e rs b s t a i o ns o f t w a r ed e s i g n s ot h ec o n t r 0 1c e n t e rc a l l m o n i t o rt h es t r a yc u r r e n to ft h es t a t i o nt h r o u g ht h ec o m m u n i c a t i o nc h a n n e l n e e x p e r i m e n t a lr e s u i t ss h o wt h a tu p p e rc o m p u t e rt h r o u g ht h ec o n t r o ld e v i c e c a l lb er e a l - t i m em o n i t o r i n gt h er e l a t e dd a t ao fs t r a yc u r r e n t t h a ti sag o o d p r a c t i c a lv a l u e k e y w o r d s ：s t r a yc u r r e n t ；m o n i t o rs y s t e m ；z i g b e et e c h n o l o g y ；w e bs e r v e r 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等 复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密日，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“) 学位论文作者签名：翻布和 日期：加7 易，尸 ， 指导老师签名：主骨 e l 期：叼6 q - 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究 工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的 个人和集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法 律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 在采集地铁杂散电流相关数据传输过程中采用z i g b e e 无线自组网 来代替有线传输。 2 设置地铁站控制装置为w e b 服务器，远端上位机可以在线实时监 测杂散电流的变化情况。 节a 常 沙7 多分 f 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 课题背景 第1 章绪论 地铁供电系统一般采用直流牵引供电，并以轨道作为回流通路。在这 种供电方式中，接触网为正极，轨道兼作负回流线。因轨道不可能完全绝 缘于道床结构，因此不可避免地向道床及车站、隧道结构泄漏电流，这部 分电流即为地铁杂散电流。 地铁杂散电流主要对周围的埋地金属管道、通讯电缆外皮及车站和区 间隧道主体结构中的钢筋发生电化学腐蚀，它不仅能缩短金属管线的使用 寿命，还会降低地铁钢筋混凝土主体结构的强度和耐久性，甚至酿成灾难 性的事故。香港曾因地铁杂散电流引起煤气管道的腐蚀穿孔，造成煤气泄 漏的事故【。北京地铁第一期工程投入运营数年后，其主体结构钢筋发现 严重腐蚀，隧道内水管腐蚀穿孔，仅东段部分区段更换穿孔水管5 4 处【2 j 。 日本、美国、法国、意大利、英国、加拿大和俄罗斯等国的地铁也存在地 铁杂散电流腐蚀的问题【2 3 ，4 】。地铁是一项复杂的地下工程，经若干年运营 后，要对主体结构更换或翻修十分困难，因此应对杂散电流腐蚀给予重视， 在地铁运行时加强监测和有效判断腐蚀情况，并采取相应的防护措施。 1 2 地铁杂散电流监测国内外研究现状 地铁杂散电流难以直接测量，一般都采用间接的办法来反映杂散电流 的腐蚀情况。相关规程给出了需监测的参数及监测方法，并制订了判定依 据【5 j 。但给出的监测手段和监测方法均需人工参与，不能自动在线测量， 给地铁的运行和维护带来不便。国外对杂散电流的监测及日常维护管理非 常重视，德国柏林交通公司的做法是：成立专门检查测量部门，长年累月、 周而复始的监测、检查杂散电流防护情况【6 】。就我国地铁运行情况来看， 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 由于测量工作较麻烦，许多工作还没做，有些规程规定要测量的参数，用 常规办法无法测量。在杂散电流的自动在线监测方面，国外己研究出了长 线管道受杂散电流腐蚀的监测方法，使用了大存储量的数据采集装置，用 计算机进行数据采集和数据分析。 1 2 1 集中式杂散电流监测系统 一般由参比电极、参比电极接线盒、整体道床测量端子、隧道测量端 子、杂散电流测量用电缆、微机综合测试装置及信号测试端子箱( 变电所 内) 构成。 受信息通信传输距离限制，一般采用小分区监测方式，即按车站分区， 每个车站( 变电所内控制室或检修室) 内安装一台杂散电流测试端子箱，将 该车站及车站两端附近区段的测试端子及参比电极端子经端子信号盒，由 统一的测量电缆引入至车站变电所控制室或检修室内的测试端子箱，通过 移动式微机综合测试装置与变电所内测试箱连接来对各车站的测试点的 测试端子电位进行测量，及数据处理和报表打印。使用的综合测试装置用 来通过与变电所内测试端子箱相连，对各测试点杂散电流测试端子与参考 电极间电压进行测量的设备，综合测试系统一般包括：便携式笔记本电脑、 测试端子箱、打印机及各设备间连接线。国内主要的城市地铁如广州2 号 线、上海明珠线等均采用类似实现策略进行杂散电流监测【7 9 1 。 该种测试设备连接图如图1 - 1 所示： 端 图1 1 集中式杂散电流综测试系统 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 安装于变电所内的测试箱通过信号电缆将分布在车站区段的各测试 点的参考电极电位及收集网端子电位集中在一起，通过电缆将这些电压信 号输入至测试端子箱，微机系统通过数据采集卡将这些数据进行采集处理 后转发到后台监测计算机，形成各测试点的电位时间等各种曲线和 统计数据。该型设备结构简单，安装也较方便，但根据地铁迷流监测点多， 沿线分布的特点，采用该型集中数据采集方式进行杂散电流监测，一是信 号点非常分散，要通过长距离电缆进行数据传输，对小信号极易造成衰减 和引入外部干扰，导致数据采集精度低，不符合分布式数据采集系统技术 要求，二是每套设备连接监测点数量少，需在多处场所设置集中监测装置， 不利于对整条线路的宏观监测，另外投资相对较大。 1 2 2 分布式杂散电流监测系统 为克服集中式杂散电流监测系统的缺陷和不足，结合数据采集和通信 技术，设计出一种分布式远程杂散电流实时在线监测系统，针对地铁轻轨 杂散电流监测需求特点，将智能传感器下放到监测点，每处数据采集器可 实时监测多达八处同步参比电极或结构钢筋电位，并且可自适应调整电位 采集范围，并采用1 6 位a d 芯片进行数据转换，从而可进行高精度的保证 数据的可信度，同时采集器模块化低功耗设计，采用全密封防水、防火、抗 振结构设计，方便沿线安装。各智能传感器通过远程通信线将数据发送到 变电所或调度中心设置的监控主机处，监控主机实现实时数据分析、报表 管理打印和杂散电流越限报警工作，同时可通过局域网或拨号方式实现运 营维护部门远程监视。国内新建的地铁如深圳地铁3 号线等采用类似实现 策略进行杂散电流监测【l 。系统构成如图1 - 2 所示： 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 图1 - 2 分布式杂散电流监测系统 该系统取消了信号转接环节，大大提高了系统的可靠性和智能程度以 及采集精度，并且可实现故障定位，结构为分散分布式，符合当今远程数据 采集技术发展趋势。但各下放到各监测点的智能传感器和车站牵引变电所 的传输转换装置之间需要占用专用有线信道，从杂散电流的特点来说，它 变化是缓慢的，数据量不大，不需要实时监视，只要定时上送，监视分析 就可以达到要求，所以不需要占用专用有线信道，增加成本和施工难度， 系统安装和维护成本高，扩展性能较差。 1 3 论文所做工作 本文以地铁杂散电流在线监测为研究背景，综合利用了嵌入式技术以 及无线通信技术，采用了国际上较为先进且使用成熟的艾特梅尔 a t 9 1 s a m 9 2 6 0 嵌入式平台作为核心控制平台，捷力公司的j n 5 1 3 9 作为数 据采集节点硬件平台结合超低功耗工业无线通信技术z i g b e e ，设计并实 现了一个无线实时地铁杂散电流监测系统。其中主要工作集中在嵌入式操 作系统l i n u x 和嵌入式w e b 服务器b o a 的移植、z i g b e e 协调器与a r m 串 口通信程序的编写、服务器c g i 脚本程序的编写。通过服务器b o a ，上位 机就能够随时随地监测地铁杂散电流的情况。通过f t p 技术，杂散电流监 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 测数据可方便传入上位机。论文主要工作有以下几个方面： 1 ) 阐述了该课题的开发背景和意义，总体概述了本论文的结构和内 容安排等。 2 ) 给出系统总体结构设计。包括系统结构框图和软硬件的具体功能 和设计思想。 3 ) 概述z i g b e e 标准以及协议层研究，并对其应用进行了分析，为系 统设计了一个简单可行的z i g b e e 星型网络。 4 ) z i g b e e 通信节点的设计。包括终端节点和协调器节点的硬件软件 设计，终端节点主要功能模块的电路图设计，并基于i e e e 8 0 2 1 5 4 协议设计了相关软件；协调器节点的软硬件设计包含在数据通信 控制器中。 5 ) 完成了数据通信控制器进行了硬件设计，并给出其主要模块的电 路图。并在该硬件平台下完成了嵌入式操作系统的裁减和移植， w e b 服务器应用程序设计。移植了w e b 服务器b o a ，通过c g i 与 h t m l ，上位机能够显示存储于主控制器中存储的数据。同时， 设计了u s b 接口基于l i n u x 的通信程序。 6 ) 总结本文主要成果及不足。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第2 章z ig b e e 通信协议概述 “z i g b e e 是基于i e e e8 0 2 1 5 4 标准，其目的是为了适用于低功耗， 无线连接的监测和控制系统。这一协议标准由z i g b e e 联盟维护。 2 1zig b e e 基础特点 z i g b e e 是一种低成本、低功耗、双向通讯的无线通讯标准。z i g b e e 的基础是i e e e 8 0 2 1 5 4 无线个人域网标准。z i g b e e 的数据传输速率在 l o k b i t s 到2 5 0 k b i t s 之间，因而它适合于低速率的无线传输应用。 z i g b e e 可以构建一个由多达数万个无线数传模块组成的无线数传网络平 台，十分类似现有的移动通信的c d m a 网或g s m 网。每个网络节点间的距 离可以从标准的7 5 米扩展到几百米，甚至几公里。与移动通信网络不同 的是，z i g b e e 网络主要是为自动化控制数据传输而建立的，而移动通信 网主要是为语音通信而建立的。z i g b e e 技术拥有低数据速率和通信范围 较小的特点，这也决定了z i g b e e 技术适合于承载数据流量较小的业务。 z i g b e e 技术的目标就是针对工业、家庭自动化、遥测遥控、汽车自动化、 农业自动化和医疗护理等，例如灯光自动化控制，传感器的无线数据采集 和监控，油田、电力、矿山和物流管理等应用领域。 z i g b e e 与其他几种无线通信技术，如w j - f i 和b l u e t o o t h 相比，突 出特点是应用简单，电池寿命长，有组网能力，可靠性高以及成本低。 z i g b e e 的特点突出，尤其在低功耗、低成本上，主要有以下几个方 面： 1 低功耗。在低耗电待机模式下，2 节5 号干电池可支持1 个节点工作 6 2 4 个月，甚至更长。这是z i g b e e 的突出优势。相比较，蓝牙能工 作数周、w i - f i 可工作数小时。 2 低成本。通过大幅简化协议( 不到蓝牙的1 l o ) ，降低了对通信控制器 的要求，按预测分析，以8 0 5 1 的8 位微控制器测算，全功能的主节 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 点需要3 2 k b 代码，子功能节点少至4 k b 代码。 3 低速率。z i g b e e 作在2 0 - 2 5 0 k b p s 的较低速率，分别提供 2 5 0 k b p s ( 2 4 g h z ) 、4 0 k b p s ( 9 1 5 m h z ) 和2 0 k b p s ( 8 6 8 m h z ) 的原始数据吞 吐率，满足低速率传输数据的应用需求。 4 近距离。传输范围一般介于l o - l o o m 之间，对新型的z i g b e e 芯片， 传输距离可达到4 k m 。这指的是相邻节点间的距离。如果通过路由和 节点间通信的接力，传输距离将可以更远。 5 短时延。z i g b e e 的响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态只需 1 5 m s ，节点连接进入网络只需3 0 m s ，进一步节省了电能。 6 高容量。z i g b e e 可采用星状、片状和网状网络结构，由一个主节点 管理若干子节点，最多一个主节点可管理2 5 4 个子节点：同时主节点 还可由上一层网络节点管理：最多可组成6 5 0 0 0 个节点的大网。 7 高安全。z i g b e e 提供了三级安全模式，包括无安全设定、使用接入 控制清单( a c l ) 防止非法获取数据以及采用高级加密标准( a e s 一1 2 8 ) 的对称密码，以灵活确定其安全属性。 8 免执照频段。采用工业科学医疗( i s m ) 频段。2 4 g h z ( 全球) 、9 1 5 m h z ( 美 国) 和8 6 8 m h z ( 欧洲) 。 z i g b e e 满足以下标准： i e e e8 0 2 1 5 4 标准： i e e e 8 0 2 1 5 。4 是z i g b e e 协议的底层标准，主 要规范了物理层和m a c 层的协议，其标准由国际电工学协会i e e e 组织制 定并推广。 2 4 g 免费频段：免费频段，是指各个国家根据各自的实际情况，并 考虑尽可能与世界其他国家规定的一致性，而划分出来的一个频段，专门 用于工业，医疗以及科学研究使用的，不需申请就可以免费使用的频段。 我们国家的2 4 g 频段就是这样一个频段。 p a np e r s o n a la r e an e t w o r k 的缩写，用于区别同一c h a n n e l 中，不 同的节点群组，只有属于同一个p a n 的节点之间才能相互通讯。 c h a n n e l 通常翻译成通道，z i g b e e 所使用的频率范围从2 4 0 0 m h z 到 2 4 8 3 5 m h z 共1 6 个通道，同一个网络的设备必须位于同一个通道中。 m a c 地址e x t e n d e da d d r e s sm a c 地址是网络设备的一个唯一标识 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 码，这一编码具有全球唯一性，由i e e e 进行管理。 短地址n e t w o r ka d d r e s s 当z i g b e e 装置加入一个p a n 中时，会由 上一层父节点分配一个1 6 位地址，用于网络内节点之间的标识和通讯， 以减小包的大小。 c o o r d i n a t o rz i g b e e 网络中的一种网络设备的角色定义，用以控制 整个p a n ，每一个p a n 都必须有一个c o o r d i n a t o r 。在z i g b e e 网络中， c o o r d i n a t e 的短地址一般是o x 0 0 0 0 。 r o u t e rz i g b e e 网络中的一种网络设备的角色定义，可以用来采集以 及转发数据，延伸z i g b e e 网络的规模，可以实现多跳网络。 e n d d e v i c ez i g b e e 网络中的一种网络设备的角色定义，作为网络的 最终端节点，可以实现休眠与定时唤醒功能，以达到更低的功耗。 p r o f i l e 与d e s o r i p t o r p r o f il e 是对逻辑设备及其接口的描述集合，是面向某个应用类别的 公约、准则。d e s c r i p t o r 是为分布式应用提供的描述项，多种描述项共 同组成描述集合p r o f i l e 。它根据应用必须处理的数据包和必须执行的操 作来描述分布式应用。总之，配置文件使得z i g b e e 设备可以互操作。 z i g b e e 联盟已经定义了很多标准的配置文件，比如远程控制开关配置文 件和光传感器配置文件等。任何遵循某一标准配置文件的节点都可以与其 他实现相同配置文件的节点进行互操作。 c l u s t e r 及a t t r i b u t e c l u s t e r 是逻辑设备之间的事务关系，a t t r i b u t e 则是某种事务关系 的具体特例：也就是说c l u s t e r 定性，a t t r i b u t e 定量。c l u s t e r 此应用 涉及到的事务关系，a t t r i b u t e 就是某事务可以预料的各种情况。一个 e n d p o i n t 是一个逻辑设备，可以包含多个c l u s t e r ，每个c l u s t e r 包含不 同的属性。 k v p 及m s g k v p ( k e 犷v a l u e p a i r ) ：是z i g b e e 规范定义的特殊数据传输机制，通 过一种规定来标准化数据传输格式和内容，主要用于传输较简单的变量值 格式。 m s g ( m e s s a g e s e r v i e e t y p e ) ：是z i g b e e 规范定义的特殊数据传输机 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 制，其在数据传输格式和内容上并不作更多规定，主要用于专用的数据流 或文件数据等数据量较大的传输机制。 z i g b e e 主要应用在距离适中、功耗低且传输速率不高的各种电子设 备之间，典型的传输数据类型有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数 据。一般而言，满足如下一些特点的应用场合，是z i g b e e 应用极具优势 的地方： 1 、需要无线通信交换信息的低成本装置； 2 、数据的交换量较小、传输的速率要求不高； 3 、功耗要求极低，采用电池供电且需要维持较长时间； 4 、需要多个( 尤其是大量) 设备组成无线通信网络，主要进行监测和 控制场合。 地铁杂散电流监测系统智能传感器较多，适合组建z i g b e e 无线传感 器网络；杂散电流数据短时间的交换量不大，不需要很高的传输速率，并 且数据属于周期性、间歇性的数据( 每天地铁运行期间) 。因此，地铁杂散 电流监测系统适合采用z i g b e e 无线网络来传输传感器数据。 2 2zig b e e 协议栈 z i g b e e 标准定义了一种网络协议，这种协议能够确保无线设备在低 成本、低功耗和低数据速率网络中的互操作性。z i g b e e 协议栈构建在i e e e 8 0 2 1 5 4 标准基础之上，8 0 2 1 5 4 标准定义了m a c 和p h y 层的协议标准。 m a c 和p h y 层定义了射频以及相邻的网络设备之间的通讯标准。而z i g b e e 协议栈则定义了网络层，应用层和安全服务层的标准 1 1 】。图2 - 1 表示了 z i g b e e 协议的层次架构。越向下越贴近硬件越向上越贴近软件本身和应 用。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 应用层接口 设备对象层 网络层 媒介入控制 m a c 物理层( p i p ) 8 6 8 心z 9 1 5 m l l z 2 4 g h z i i e e e 8 0 2 1 5 4 l 图2 - 1z i g b e e 协议的层次架构 1 p h y 和m a c 层 m a c 层负责和p h y 层进行交互。提供了媒体访问控制层 与无线物理通道之间的接口，主要负责：激活休眠无线收发设备、对 当前频道进行能量检测、链路质量指示、为载波检测多址与碰撞避免 进行空闲频道评估、频道选择、数据的发送及接收等【1 2 】。该层由芯片 制造厂商完成。 2 网络层( n w k ) ：负责建立和维护网络连接。它独立处理传入的数据请 求、关联、解除关联和孤立通知请求【1 3 1 。 3 设备对象层( z d o ) ：用于整个z i g b e e 设备的配置和管理。应用程序可 以通过端点o 与z i g b e e 堆栈的其它层通信，从而实现对这些层的初 始化和配璧。附属在端点。的对象被称为z i g b e e 设备对象( z d o ) 。端 点2 5 5 用于向所有端点的广播。端点2 引到2 5 4 是保留端点。可以通 过z d o 接口对远程设备进行重新配置、发起或回应绑定请求、在网络 设备间建立安全机制( 如选择公共密钥、对称密钥等) 等。 4 应用层： a p s 层：主要提供z i g b e e 端点接口。应用程序将使用该层打开或关闭 一个或多个端点并且获取或发送数据。它还为键值对和报文数据传输 e 置 t曲矬lt豁l 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 提供了原语。 a p l 层：提供高级协议栈管理功能。用户应用程序使用此层管理协议 栈。安全服务提供层：负责提供安全机制。每一层( m a c 、网络或应用 层) 都能被保护，为了降低存储要求，它们可以分享安全钥匙。s s p 是 通过z d o 进行初始化和配置的，要求实现高级加密标准( a e s ) 。 2 3zig b e e 协议网络的构成 2 3 1 设备分类及功能 在z i g b e e 网络中，支持两种类型的物理设备：全功能设备和精简功能 设备。 - 全功能设备( f f d ，f u l l f u n c t i n o d v e i e c ) 特点：支持任何拓扑结构， 可以成为网络协调器，能和任何设备通信。 精简功能设备( r f d ，r e d u c d e f u n c t i n o d v e i e c ) 特点：只用在星型拓扑 中，不能成为网络协调器，只能和网络协调器通信，实现非常简单。 z i g b e e 网络要求至少一个全功能设备作为网络协调器，网络协调器 要存储以下的基本信息：节点设备数据、数据转发表、设备关联表。终端 设备可以是精简设备用来降低系统成本。网络协调器和网络节点有以下的 功能： z i g b e e 网络协调器：建立网络，传输网络信标，管理网络节点，存 储网络节点信息，在关联节点之间路由信息。 z i g b e e 网络终端节点：为节能设计，搜索可用的网络，按需传输数 据，向网络协调器请求数据。 2 3 2zig b e e 的网络拓扑 z i g b e e 的网络拓扑结构有三种【1 4 】：星型网络，树形网络，网型网络。 l 、星形拓扑如图2 2 所示，最大优点是结构简单，这种简单带来 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 的是很少有上层协议需要执行、较低的设备成本、较少的上层路由信息和 管理简便。中心节点可以承担许多管理工作，如：发放证书和远距离网关 管理等。但是这种简单是以灵活性的牺牲为代价的。因为需要把每个终端 节点放在中心节点的通信范围之内，这必然会限制无线网络的覆盖范围。 并且星形拓扑很难实现高密度地扩展。集中的信息涌向中心节点，容易形 成热点，导致网络拥塞、丢包、性能下降等，这取决于数据量的情况。目 前为止，星形拓扑是最常见的网络配置结构，被大量应用在远程监测和控 制中。 2 、树形拓扑是多个星形拓扑的集合。如图2 - 3 所示，若干个星形 拓扑连接到一起，扩展到更广阔的区域，就像植物学中的分支一样。从技 术的观点来看，树形拓扑是可以实现网络范围内“多跳”信息服务的最简 单的拓扑结构。树形拓扑最值得注意的地方就是它保持了星形拓扑的简单 性：较少的上层路由信息、较低的存储器需求，这样成本必然也较低。然 而，树形结构也不能很好的适应外部的动态环境。从图中可以看出，在信 息源与目的之间，有且仅有一条传输路径，任何一个节点的中断或故障将 会使部分节点脱离网络【l2 1 。树形拓扑的最佳应用是在稳定的无线电射频环 境中，也可以很好地用在一些简单的低数据量( 如传感器) 的大规模集合的 应用之中。如果应用需要有一定的覆盖范围，网络有一定的稳定性和扩展 性，树形结构将是一个简单的选择。 3 、网形网络如图2 - 4 所示，是一个具有很高的适应环境的能力。 网络中的每个节点都是个小小的路由器，都具有重新路由选择的能力，以 确保网络最大限度的可靠性，可以看出网络中任意两个节点的通讯路径不 是唯一的。网形拓扑与星形、树形相比，更加复杂，其路由拓扑是动态的， 不存在一个固定可知的路由模式。这样信息传输时间更加依赖瞬时网络连 接质量，因而难以预计。更重要的是，即使对一个经验丰富的网络设计师 来说，定性地分析网形算法也是一件极具挑战的工作。网络设计师通常在 需要高度可靠、可实现的场合应用网形结构。 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 路由 图2 2 星形拓扑示意图 图2 - 3 树形拓扑示意图 节点 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 图2 - 4 网形拓扑示意图 节点 建立一个无线网络的前提和基础是选择一个合理的网络拓扑，网络拓 扑的结构可以决定网络的成本、速度、特点和实现的功能。像地铁杂散电 流监测系统可以分割成以各个站为核心的若干个分散分布的杂散电流监 测系统，通过查询相关资料：市内地铁站点站距一般为1 0 0 0 - 1 5 0 0m ，市 郊2 0 0 0m 左右。z i g b e e 无线数传模块传输距离一般为几十米到几百米， 目前甚至几千米，如美国m a x s t r e a m 公司高性能x b e e 系列z i g b e e 模块通 信距离达1 6 0 0m ，而j e n n i c 的j n 5 1 3 9 m 0 4 0 4 采用大功率发射模式接收 可以达到4 k m 。因此在满足国家无线电管理规定的前提下，通过提高每个 z i g b e e 节点的接收灵敏度和发射功率，完全可以实现较远距离组网通信。 而地铁杂散电流监测到的是传感器端测到的极化电压和参比电压值，数据 简单而且量不大。因此在使用增强型z i g b e e 接收芯片的基础上，把地铁 站的z i g b e e 节点设为协调器，智能传感器上的z i g b e e 终端节点作为子节 点，一般最远智能转接器离车站都在几百米左右，不需要路由节点就可保 证传输的稳定性。整个系统由多个站组成，各个站相互独立，每个站点的 z i g b e e 组网呈一个星形网络，成本低廉，结构简单。调度中心可以通过 以太网方便控制管理各个站级杂散电流监测系统。 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 第3 章系统总体方案设计 本章给出杂散电流监测系统的总体方案设计，包括概要设计、软硬件 设计思想，及功能设计。 3 1 系统概要设计 本文在基于分布式杂散电流监测系统的基础上，在监测点分布的智能 传感器和车站牵引变电所的数据通信控制器之间通过z i g b e e 无线传输装 置来取代基于r s 2 3 2 和r s 4 8 5 总线的电缆。车站的数据通信控制器采用 a r m + z i g b e e 芯片完成其硬件设计。车站系统构成如图3 一l 所示： z i g b c e 协调 ? ? 2 3 i 匕 | 数据通信控制器 上位机人机界面 图3 1 单站基于z i g b e e 的地铁杂散电流监测系统结构图 从图3 1 中可以看出，单站地铁杂散电流监测系统主要由人机界面 ( 可选) 、数据通信控制器( 含z i g b e e 协调节点) 、z i g b e e 终端节点，智能 传感器几部分组成。数据通信控制器，是本系统的网关节点，具有的网络 接口分为以太网络和z i g b e e 网络两部分。 智能传感器安装在沿线各监测点附近，通过r s 4 8 5 接口直传给安装在 舀亡八 器 揣 感 剿； 制 锻噫 制 她节 氍 趣 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 它附近的z i g b e e 终端节点。 z i g b e e 终端节点负责通过z i g b e e 网络把通过r s 4 8 5 接口收到的数据 传送到数据通信控制器中。 数据通信控制器是系统的灵魂和核心控制所在，它是一个网关节点， 包括提供z i g b e e 网络协调器节点和各种其它通信接口，数据通信控制器 采用嵌入式设计，操作者可以通过任何一台连接到广域的计算机机访问其 w e b 页，对各站的杂散电流进行数据访问，监视。 z i g b e e 协调器节点负责建入内部无线网络，进行网络中各终端节点 设备的网络无线连接和接收终端节点的数据，并将接受的数据传送到数据 通信控制器。 各站杂散电流监测系统组网设计图如图3 2 所示，各变电站将采集的 数据接入s c a d a 系统的以太网( 或其它远动信道) ，数据通过以太网( 或其 它远动信道) 到调度中心。 幺量 智能传感器 图3 2 地铁杂散电流监测系统结构图 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 该系统通信网结构有以下特点： 1 ) 低成本：系统中控制的对象主要是大量的智能检测节点，这种较 大规模的网络需要一个低成本的节点组网技术； 2 )自组织：不能期望终端节点能够对系统进行复杂的配置和管理， 网络环境下各种资源的自组织和协同工作显得十分重要； 3 ) 可扩展性：系统不做改动的情况下，能够自动地进行z i g b e e 终端 和协调器软件升级和功能扩张； 4 ) 嵌入式z i g b e e 终端节点及协调节点设计，性价比高。 3 2 硬件设计思想 本系统所涉及的硬件主要包含具有采集和处理功能的智能传感器， z i g b e e 终端节点，z i g b e e 协调节点各模块的设计。 3 2 1 硬件模块主要功能 智能传感器节点：采用研华a d a m - 4 0 1 7 远端数据采集模块完成对各数 据的采集。a d a m 一4 0 1 7 是由单片机为核心的1 6 位a d 8 通道( 6 路差分、 2 路单端) 数据采集模块，为所有通道提供了可编程的输入范围，且其模 拟量输入通道和模块问还提供了3 0 0 0 v 的电压隔离，这样就有效的防止模 块在受到高压冲击时而损坏。a d a m - 4 0 1 7 采用二线式r s 4 8 5 网络结构。 z i g b e e 终端节点：采用j e n n i c 的 - n 5 1 3 9 r 1 无线控制器，扩展r s 4 8 5 串口进行数据传输。 z i g b e e 协调器：采用j e n n i c 的j n 5 1 3 9 r 1 无线控制器，扩展t t l 串 口进行数据传输。 主控制器：采用a r m 9 芯片，扩展网口，u s b 等接口。 3 2 2 硬件设计主要思想 硬件采用模块化、集成化、标准化结构。便于容量扩充和引入新的硬 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 件模块，容纳新业务，支持新技术。 z i g b e e 终端节点设计需要满足以下条件： 1 小型化：无线传感器网络的特点要求节点的设计追求小型化： 2 低成本：低成本是大规模无线传感器网络广泛应用的前提，因此必 须保证传感器节点的低成本； 3 低功耗：由于设备的体积有限，依靠电池长期供电，所以要使用低 功耗的器件以节约能源延长使用寿命； 4 灵活性：节点通过提供一系列软硬件标准，实现面向应用的灵活编 程。 数据通信控制器的设计同样需要满足以下条件： 1 可靠性：数据通信控制器是整个系统的关键部分，可靠性必须得到 保证； 2 针对性：针对特定应用采取相应的微控制器以达到成本控制； 3 功能强：微控制器应配有丰富的外设，满足各种功能需求； 4 扩展性：数据通信控制器应具备良好的可扩展性，以满足以后系统 的改进。 3 3 软件设计环境 本系统采用的操作系统和开发环境如下： 操作系统平台：w i n d o w s x p 、c e n t o s 5 应用软件平台：c g i 、h t m l 集成开发环境：j e n n i cc o d e b l o c k s ”】 程序编译工具：j e n n i cc y g w i n 、a r m l i n u x g c c 程序下载工具：j e n n i cf l a s hp r o g r a m m e r 1 6 1 3 3 1 软件主要功能 功能。 系统软件功能主要实现杂散电流数据传输，数据存储，数据显示的 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 z i g b e e 终端节点：r s 4 8 5 接收数据，z i g b e e 传输数据。 z i g b e e 协调器节点：z i g b e e 接收数据，t t l 串口传输数据。 u s b 接收数据，存储为t x t 文件，上位机通过c g