接觸網是鐵路運行必不可少的高壓輸電線。接觸網在使用中，斷線會造成重大事故，如行車中斷、人員傷亡等。在日常維護中，除了測量磨耗這個方案，別的方案都無法及時找到斷線隱患。隨著近幾年接觸網技術裝備的投入使用，因幾何參數超標造成的故障已得到改善，而斷線故障卻一直無法得到解決。當線索張力為0或者接近于0，則表示已經斷線。根據斷線的原因及物理特性，若對接觸網的溫濕度及線索張力進行實時檢測，那么就能事先判斷斷線的可能性，及時采取措施。
傳統的電氣設備在線監測系統所采用的連接方式為有線的RS485連接，該方式不止會讓現場作業時布線困難，而且施工周期長，成本高，不易于維護。ZigBee無線通信功耗低、成本低、安全性高、實時性強，相比來說，更適用于接觸網電氣設備在線監測。為此，本文設計了應用ZigeBee無線模塊通信技術進行接觸網在線監測的系統。
1 系統設計
1．1系統總體方案
接觸網在線監測系統包括ZigeBee采集數據、接收數據以及上位機監控管理系統。接觸網ZigeBee數據采集模塊包含了一些傳感器，所采集的數據包括線索張力、溫度和濕度。傳感器節點主要負責根據上位機監控管理系統的指令采集數據，部分節點還具備路由功能，可轉發其它節點的數據；接收數據模塊即ZigBee數傳網絡中的網關節點——協調器，主要負責發起網絡，收集網絡中傳感器節點所采集到的數據，最終數據的采集和傳輸是通過多跳的方式實現的。通過串行通信端口可以將協調器節點的數據發送給監控管理系統。監控管理系統主要完成向協調器節點發送采集命令，將接收到的接觸網數據進行存儲、顯示、整理歸納，一旦數據與預設值相差太大立刻報警，對整個網絡工作狀態進行控制。
在鐵路沿線上，以2km為單位，設計一個小型的ZigBee無線模塊網絡，一般接觸網支柱與支柱間的距離不超過65m，可將傳感器節點安置在接觸網支柱上面，即以每個支柱為一個節點，監測接觸網狀態。這樣每個小型的ZigBee無線模塊網絡就大約有31個節點，各以一個協調器節點為中心進行組網。由于行車時段與空閑時段對接觸網參數會有影響，所以采集的數據分為行車時數據和空閑時數據。
1．2系統硬件設計
外圍器件主要有兩大模塊：串口通信模塊和射頻傳輸模塊。
LED指示燈用來指示網絡的連接狀態和數據傳輸，鍵盤是用在對網絡的配置。ZigBee數傳模塊采用2．4GHz免授權的ISM頻帶，共有16個信道。射頻傳輸模塊包括：匹配網絡和濾波網絡。系統硬件框圖見圖1。
圈1 系統硬件框圖
1．3系統軟件設計
1．3．1幀結構的定義在本網絡中，任何通信數據都是利用幀的格式來組織的。根據IEEE802．15．4協議，系統定義了兩種幀類型：命令幀和數據幀。命令幀只由一個幀頭組成，數據幀由幀頭和用戶數據組成。
數據幀和命令幀中的起始標志位和結束標志位都取相同的數7EH，為保證協調器和主控制設備之間數據傳輸的透明，需對信息字段中出現的標志字節進行轉義處理，轉義定義如：7EH=7DH+01H。具體如表1所示：
表1 幀格式定義表
1．3．2 ZigBee數據采集和接收模塊
網絡中數據通信可以分為直接通信和間接通信。間接通信是指節點之間通過端點綁定建立一種通信表，該通信方式不用清楚目標節點的網絡地址，Z-Stack自動從綁定表中查找目標設備的網絡地址。直接通信采用網絡短地址作為參數調用適當的APl發送數據。為了網絡能夠更加靈活的應用，系統采用直接通信，并且終端設備和采集模塊實現透明傳輸。這樣采集模塊就完全不必理會終端設備的工作原理，只需要遵守相應的波特率。
終端設備從ZigBee數據采集模塊收到數據后，把數據組裝成數據幀，然后把幀傳給協調器(也就是網絡地址Ox0000)。協調器和主控制設備之間的串口通信，則必須遵守系統規定的幀格式。協調器從主控設備收到數據后，先對幀進行識別。如果是命令幀，則根據相應的命令做出應答。如果是數據幀，則提取出網絡地址，并把幀發送到相應的節點上。數據傳輸的流程圖如圖2所示：
圍2 協調器與終端設備的通信機制
1．3．3上位機監控管理系統
上位機監控管理系統是整個接觸網在線監測的重要組成部分，采用C語言編制，操作簡單，易于管理。可發送數據采集指令、接收數據并顯示，對于接觸網斷線可能性高的地方標以紅色并報警，可以通過查詢數據庫查看歷史數據。監控系統報警過程如圖3所示。
圖3 上位機監控管理系統報警流程
2 系統測試及分析
協調器和主控制設備通過串口線連接，如圖4所示。因為兩個設備都是工作在3．3V，所以不需要電平的轉換直接就可連接。連接好后，給ZigBee數傳模塊加上工作電壓。等待協調器建立網絡成功后，使用主控制設備的觸摸屏上的刷新控件進行節點信息的刷新。進入主界面后，在窗口的下拉菜單顯示出當前的節點，有Rouler節點和End節點。在觸摸屏上選中End節點，就可看到從采集設備傳送過來的張力、溫度和濕度值。接著選中窗口中的圖3上位機監控管理系統報警流程LED控件，將會彈出一個新的窗口，上面有四個控件Ledl、Led2、Led3、Led4。隨便選中其中一個控件，就可看到采集模塊上的Led燈被點亮。系統測試網絡包括1個協調器節點和5個傳感器節點，最終數據傳輸到監控管理系統，界面如圖5所示。
圖4 協調器和主控制設備的通信
圖5 上位機監控管理系統
根據聯機調試結果分析，主控制設備和上位機能夠非常穩定的接收到采集設備發送的溫度和濕度值。系統采用了應答／重發機制，因此網絡問數據的通信非常穩定，幾乎不會出現數據丟失，除非節點斷開網絡。
在測試數據傳輸的可靠性中，當數據量大時，會出現丟幀的現象。經過分析發現，是由于終端設備為了降低功耗采用了睡眠模式，會周期性的進入休眠狀態，這將導致幀的大量堆積從而導致數據的丟失。對于傳輸速率要求較高的應用，可以采用路由器替換終端設備，但是這樣會增加設備的功耗。在一般的應用中，本系統完全滿足要求。
3 結束語
本系統屏蔽了復雜的協議，僅通過串口、命令幀和數據幀就可以實現ZigBee數傳模塊通信。網絡采用了網狀網絡的的拓撲結構。網絡在通信時，主要使用直接通信。為了讓數據穩定傳輸，系統采用應答／重發機制。能夠有效的判斷接觸網斷線的可能性及具體位置，發出警報。操作簡單，系統易于管理維護。采用的ZigBee無線模塊通信成本低、功耗低，可在電氣化鐵路上推廣，為接觸網安全提供重要的保障。