孫長國，戴 楠，劉志宏

（92117部隊，后勤信息化建設(shè)研究室，北京100072）

目前，鐵路軍用物資押運一般采用人員看管的模式實現(xiàn)全程安全保障，押運條件差，費用成本高，且存在安全隱患。研制一種實時性好、信號傳輸可靠性強的物資押運防盜報警探測裝置，使押運人員實時獲知運輸車輛車門狀態(tài)，以便對異常狀況及時做出反應(yīng)，克服以往只有在事后發(fā)現(xiàn)貨物被盜而追查的被動性，從而保障運輸物資安全，降低人員工作強度，是十分迫切和必要的。

1 系統(tǒng)設(shè)計需要解決的關(guān)鍵問題

物資押運防盜報警探測系統(tǒng)，實際是一個以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為核心的電子鎖系統(tǒng)。設(shè)計以現(xiàn)有無線通信技術(shù)標準為依據(jù)，使用全球通用的免申請通信頻段。系統(tǒng)設(shè)計需要解決以下關(guān)鍵技術(shù)問題：

（1）長距離傳輸，克服金屬影響

鐵路棚式貨車均為鐵制，滿掛時達數(shù)百米，因此，要求無線通信能夠長距離傳輸數(shù)據(jù)，并能有效克服金屬（列車車體）的影響。金屬對于無線通訊的影響非常大。能否有效克服金屬影響是實現(xiàn)整套系統(tǒng)自動傳輸?shù)年P(guān)鍵，因為它直接關(guān)系到各個電子鎖之間的組網(wǎng)性能。

（2）長期免維護使用

物資押運周期長，要求電子鎖長期免維護使用，并能將自身的電池使用情況發(fā)送到手持終端，一旦電量過低，可以自動報警。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

系統(tǒng)設(shè)計由3部分組成：電子鎖、協(xié)調(diào)器及手持終端。其中協(xié)調(diào)器內(nèi)置在手持終端內(nèi)部，通過串口完成數(shù)據(jù)與信息交互。系統(tǒng)工作示意圖如圖1[1]：

圖1 系統(tǒng)組成及工作原理

系統(tǒng)的工作流程為：在整套系統(tǒng)完成部署后，手持終端向協(xié)調(diào)器發(fā)布組網(wǎng)命令。按SimpliciTI協(xié)議完成組網(wǎng)，各個電子鎖將自身狀態(tài)信息發(fā)送至協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器將數(shù)據(jù)發(fā)送至手持終端完成顯示。若某個電子鎖被破壞，則系統(tǒng)報警，從而實現(xiàn)了列車車門狀態(tài)的實時監(jiān)控。

3 電子鎖關(guān)鍵技術(shù)

電子鎖是機電一體化技術(shù)的典型應(yīng)用。在狹小的空間內(nèi)集成了控制板、機械鎖以及電池等模塊。電子鎖的研制采用物理鎖與射頻識別（RFID）組件的混合形式，使用協(xié)調(diào)器及手持終端接收電子鎖的信號并進行分析，從而實現(xiàn)整個系統(tǒng)的自動監(jiān)控與報警。

3.1 機械鎖與無線智能模塊一體化設(shè)計技術(shù)

電子鎖節(jié)點是該網(wǎng)絡(luò)的基本單元。電子鎖的研制采用物理鎖與無線智能模塊相結(jié)合的形式，通過微控制器實現(xiàn)物理上鎖、開鎖與狀態(tài)監(jiān)測。電子鎖組成框圖如圖2。

模塊電路設(shè)計自始至終都要求體積小、功耗低，但傳統(tǒng)的無線傳送設(shè)計方案大多電路繁瑣、調(diào)試困難、且所需的外圍器件較多，從而限制了系統(tǒng)的應(yīng)用。所設(shè)計電子鎖硬件電路由主控芯片MSP430F2232單片機、射頻芯片CC1100、串口通信模塊、時鐘單元、鎖具驅(qū)動電路、鎖狀態(tài)檢測器以及供電單元組成。

低功耗模塊的設(shè)計首先是微控制器的選擇，除了要考慮功能和開發(fā)環(huán)境外，特別要關(guān)注單片機本身的功耗和提供的節(jié)能措施。本設(shè)計采用MSP430F2232單片機，它是專門為低功耗系統(tǒng)而研制的新型16位單片機，具有LMP0~LMP4 5種低功耗模式，其供電電壓可以在1.8 V～3.6 V范圍內(nèi)變化；主頻可以由內(nèi)部的DCO（最高達16 MHz）和外接的32.768 KHz晶振自由切換，中斷喚醒時間更是降到了1us，即降低了系統(tǒng)功耗又可以對硬件請求和事件做出快速反應(yīng)。另外，MSP430F2232單片機具有豐富的外圍接口電路，如2組16位定時器、I2C/UART/SPI、片內(nèi)Flash、看門狗電路等，大大簡化了無線模塊的外圍電路設(shè)計[2]。

圖2 電子鎖電路原理框圖

無線接收與發(fā)射芯片是本模塊的主要部件，選用最新的無線射頻芯片CC1100來實現(xiàn)無線信號的收發(fā)[3]。CC1100是一款真正的低成本、低功耗、單片的UHF無線收發(fā)器。工作電壓為1.8 V~3.6 V，有64字節(jié)的RX和TX數(shù)據(jù)FIFO，支持FSK、MSK等不同的調(diào)制格式，頻率穩(wěn)定性極好，具有較強的抗干擾能力；其數(shù)據(jù)傳輸率可達500 Kbps；該芯片功耗極低，發(fā)送模式時，僅需30 mA以下，接收狀態(tài)時僅需15 mA左右。在發(fā)射狀態(tài)下，其發(fā)射功率可編程調(diào)節(jié)，其最大發(fā)射功率達到10 dBm[4]。

其它電路設(shè)計方面，驅(qū)動電路完成對步進電機的驅(qū)動，實現(xiàn)開鎖、關(guān)鎖自動化；鎖狀態(tài)檢測主要包括鎖開關(guān)信息、電池電量等。AP、RE或者ED在硬件上基本相同，只是運行的軟件不同而已，AP因需要與手持終端通信，只要增加一個串口通信模塊即可。

3.2 電子鎖組網(wǎng)協(xié)議

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN由部署在檢測區(qū)域內(nèi)的大量、廉價、微型、節(jié)能傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式自我形成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其主要目的是協(xié)同地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對象的信息，接收命令并與控制中心交換有關(guān)的信息[5]。目前，ZigBee協(xié)議是一種新興的短距離、低速率的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。主要用于近距離無線連接。它有自己的協(xié)議標準，在數(shù)千個微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實現(xiàn)通信。主要工作在868 MHz、915 MHz和2.4 GHz頻段，在國內(nèi)，只能工作在2.4 GHz頻段，這就帶來了2個問題：（1）頻率高，繞射性能差，對于大規(guī)模倉庫應(yīng)用容易形成遮擋，導致通信中斷；（2）頻段擁擠，WIFI、藍牙等均工作在此頻段，容易受到干擾。因此，各個電子鎖節(jié)點首先面臨的問題是采用何種組網(wǎng)模式。

SimpliciTI 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議專為簡單的 RF 網(wǎng)絡(luò)而設(shè)計，對適合網(wǎng)狀路由與標準化配置的大型網(wǎng)絡(luò)的 ZigBee 而言是一種很好的補充。SimpliciTI協(xié)議可以工作在433 MHz頻段。因波長較長，繞射能力增加，能夠克服金屬影響，滿足鐵路列車無線通信的需要。該協(xié)議可以提供3種設(shè)備，既數(shù)據(jù)中心AP、終端節(jié)點設(shè)備ED和范圍擴展器RE，構(gòu)成如圖3：

圖3 SimpliciTI協(xié)議設(shè)備示意圖

數(shù)據(jù)中心AP：也稱為匯聚節(jié)點。是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點，負責網(wǎng)絡(luò)的發(fā)起，拓撲的形成與維護，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的匯集與處理，與手持終端的通信與信息交互。

電子鎖終端節(jié)點ED或RE：主要負責電子鎖狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽R聚節(jié)點；中繼其它節(jié)點的信息，實現(xiàn)路由功能。

在SimpliciTI 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的基礎(chǔ)上進行軟件設(shè)計，能夠簡化編程工作，并盡可能降低微控制器的資源占用。該協(xié)議能“開盒即用”地在CC1110/CC2510等片上系統(tǒng)上運行。最新SimpliciTI 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議將支持客戶開發(fā)超低功耗系統(tǒng)，因此軟件設(shè)計相對容易。

3.3 程序設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計易移植、可復用、能夠適應(yīng)不同硬件平臺的軟件系統(tǒng)，才能更好地滿足無線監(jiān)控報警系統(tǒng)的升級、改造等需求。MSP430的內(nèi)核CPU結(jié)構(gòu)是按照精簡指令集和高透明指令的宗旨來設(shè)計的，使用的指令有硬件執(zhí)行的內(nèi)核指令和基于現(xiàn)有硬件結(jié)構(gòu)的高效率的仿真指令。本系統(tǒng)軟件開發(fā)采用專門用于MSP430系列單片機而設(shè)計集成開發(fā)環(huán)境IAR Embedded Workbench，編程采用C語言，使得系統(tǒng)設(shè)計十分方便[6]。程序設(shè)計采用中斷方式為主的設(shè)計模式。主程序完成相應(yīng)的設(shè)置和初始化后，其它任務(wù)都有中斷服務(wù)程序去完成。程序共分為主控程序、初始化模塊、串口通信模塊、射頻模塊、定時器模塊、看門狗等輔助模塊幾個部分組成，這里給出了AP（協(xié)調(diào)器）設(shè)備程序設(shè)計流程圖，如圖4：

圖4 軟件總體流程圖

4 試驗

電子鎖采用鋰電池供電，電池容量為2Ah。待組網(wǎng)狀態(tài)時，工作電流為27.5mA，組網(wǎng)狀態(tài)下，電子鎖平均工作電流為2.2 mA，開關(guān)鎖，需要驅(qū)動步進電機，電流為250 mA。經(jīng)功耗測試，電子鎖系統(tǒng)可自動運行20余天，完全滿足鐵路運輸寶報警監(jiān)控的要求。試驗條件為室外開闊地，每隔20m布置一把電子鎖，順次排列，電子鎖編號為1，2，3，4。圖5給出了監(jiān)控設(shè)備顯示電子鎖的狀態(tài)圖。綠色表示該電子鎖處于正常狀態(tài)，白色表示電子鎖被破壞。經(jīng)測試，系統(tǒng)報警時間為3s，為押運人員提供了及時快速的報警信息。

圖5 電子鎖監(jiān)控狀態(tài)圖

5 結(jié)束語

基于MSP430F2232單片機和CC1100無線射頻芯片構(gòu)成的鐵路物資押運防盜報警探測系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)門鎖防盜能力差的問題。電子鎖采用緊湊型結(jié)構(gòu)設(shè)計，將控制電路、機械鎖以及供電單元都集成到鎖體，結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，實時性很高，并采用SimpliciTI協(xié)議組建了智能監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。具有通信距離遠、成本低、通用性強、可靠性好、操作靈活簡單的特點。適于鐵路運輸防盜報警的應(yīng)用，具有很好的發(fā)展前景。

[1] 刁雪慧，徐德民，張福斌. 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的設(shè)計[J] .機械與電子，2008（5）：65-67.

[2] MSP430X2XX User Guide[R] . Texas Instruments. Feb. 2004.

[3] 魯照權(quán)，劉 芳，黃梅初. 基于射頻收發(fā)芯片CC1100的TPMS[J] . 電子工程師，2008，34（3）：65-69.

[4] 孫維明，石江宏，陳岳林. 可編程RF收發(fā)器CC1100的原理及開發(fā)[J] . 國外電子元器件， 2007（9）：40-42.

[5] 李鴻劍. 無線傳輸技術(shù)在列車安全監(jiān)控方面的應(yīng)用[J] . 鐵路計算機應(yīng)用，2005，14（9）：60-63.

[6] 胡大可. MSP430系列單片機C語言程序設(shè)計與開發(fā)[M] .北京：航空航天大學出版社，2003.