鐘璐遠

摘 要：設(shè)置和實現(xiàn)一種基于ZigBee通信技術(shù)的調(diào)車自動探測報警系統(tǒng)[1]。采用集成射頻微處理器芯片CC2530作為核心無線傳輸模組，基于Z-stack協(xié)議棧的ZigBee結(jié)合壓力傳感器部署在鐵路中作為數(shù)據(jù)采集節(jié)點，將信息無線傳輸，最終實現(xiàn)鐵路貨車遠程多點調(diào)車自動報警功能。

關(guān)鍵詞：ZigBee；壓力傳感器；調(diào)車；CC2530

中圖分類號：U279.3 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）30-0097-02

Abstract： This paper intends to set up and implement a shunting automatic detection and alarm system based on ZigBee communication technology. The integrated RF microprocessor chip CC2530 is used as the core wireless transmission module. The Zigbee based on the Z-stack protocol stack and the pressure sensor are deployed in the railway as the data acquisition node to transmit the information wirelessly. Finally， the automatic alarm function of remote multi-point shunting for railway freight cars is realized.

Keywords： Zigbee； pressure sensor； shunting； CC2530

引言

鐵路貨車車輛檢修過程中，調(diào)車作業(yè)信號報警采用的是人工控制模式，由作業(yè)人員人工判斷作業(yè)狀態(tài)，手動控制廣播警報系統(tǒng)，實現(xiàn)廣播語音警報和軌邊警報燈閃爍，達到預(yù)警效果。然而，現(xiàn)行控制系統(tǒng)，常常出現(xiàn)信號延遲、傳輸故障等問題，這對高風(fēng)險的調(diào)車作業(yè)造成了一定的安全隱患。目前，較為先進的軌道電路主要用于工務(wù)、車站、地鐵等主要使用單位，其成本高、投入大、功能復(fù)雜，而在鐵路貨車車輛檢修調(diào)車作業(yè)過程中，需要設(shè)置一種單一區(qū)域聯(lián)網(wǎng)、廉價實用的調(diào)車自動探測報警裝置。

本文借鑒軌道電路的工作原理結(jié)合貨車檢修實際作業(yè)環(huán)境，采用ZigBee無線組網(wǎng)技術(shù)取代人工控制的傳統(tǒng)模式。壓力傳感器感知車輪通過壓力信息，通過無線傳輸，實現(xiàn)調(diào)車自動探測報警。

1 整體架構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)主要由采集、傳輸和控制節(jié)點組成，并采用Z-stack無線網(wǎng)絡(luò)通信方式。

部署在軌道的壓力傳感器將現(xiàn)場工作狀態(tài)的壓力值轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的電壓或電流信息，通過CC2530通信模塊傳送到無線數(shù)據(jù)采集器。傳輸節(jié)點通過點播的方式連接采集節(jié)點和控制節(jié)點。當(dāng)數(shù)據(jù)通過傳輸節(jié)點，傳輸節(jié)點將會解析數(shù)據(jù)，通過閾值判斷是否需要傳輸警報信息到控制節(jié)點。控制節(jié)點主要通過繼電器實現(xiàn)小電壓控制大電壓，達到啟動報警裝置，如圖1結(jié)構(gòu)圖所示。

2 硬件平臺設(shè)計

2.1 無線傳輸模組設(shè)計

硬件系統(tǒng)使用TI公司的CC2530作為無線傳輸器件，CC2530中集成8051 CPU，8-KB RAM，可編程閃存，硬件小而輕，標(biāo)準(zhǔn)2.54引腳接口。硬件可工作于2.4GH頻段，無限傳輸速率最高可以達到250kbps，自主添加2.4G天線，傳輸有效距離250米，并支持重連距離達110米，采用低電壓供電，待機電流僅消耗0.2A，電池供電可達6個月，CC2530具備良好的靈敏性和抗干擾能力，適合于鐵路檢修等環(huán)境復(fù)雜的現(xiàn)場中。

ZigBee技術(shù)是一種應(yīng)用于短距離數(shù)據(jù)傳輸速率低的電子設(shè)備的無線通信技術(shù)[2]。采用IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗個域網(wǎng)協(xié)議其特點是低數(shù)據(jù)速率、低復(fù)雜度、近距離、低功耗、低成本、自組織。在自動化控制領(lǐng)域和遠程無線控制領(lǐng)域，ZigBee技術(shù)都擁有很好的契合度，并且還可以嵌入到各種設(shè)備上使用。

本系統(tǒng)采用集成化單片機+ZigBee模組，作為采集節(jié)點。

2.2 壓力傳感器

由兩個聚酯薄膜組成的標(biāo)準(zhǔn)RFP壓力傳感器，其中有導(dǎo)體和半導(dǎo)體。如果有外力作用于傳感點，壓力傳感器的電阻值會隨外力的變化而變化。當(dāng)壓力變?yōu)榱銜r，阻力值達到最大值。壓力越大，阻力值越小。在鐵路軌道上部署差異性密度傳感器節(jié)點，取得不同的空間分辨率。不同的傳感器面積能夠得到的壓力值不同從而滿足鐵路檢修出車報警功能所需的壓力信息。

2.3 繼電器模組設(shè)計

在鐵路貨車車輛維修中，電壓普遍較高，需要通過ZigBee+繼電器無線傳輸實現(xiàn)小電壓控制高電壓這里使用繼電器。本系統(tǒng)采用的繼電器是一種模擬的電器控制器件，繼電器中存在一個電磁鐵，當(dāng)輸入的激勵量達到了預(yù)定的閾值后，這將激勵電磁鐵發(fā)生跳變，使觸點從常閉變?yōu)槌ｉ_狀態(tài)，繼電器相當(dāng)于一個自動開關(guān)，實現(xiàn)小電流控制大電流[3]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 程序總體設(shè)計

在鐵路貨車車輛檢修過程中，環(huán)境復(fù)雜，本系統(tǒng)采用點播組網(wǎng)的形式進行傳遞數(shù)據(jù)，即使一條線路損壞不會影響到其他線路。

ZigBee+壓力傳感器部署在檢修貨車軌道出口，作為數(shù)據(jù)采集節(jié)點。ZigBee+協(xié)調(diào)器通過點播的形式進行數(shù)據(jù)傳輸。ZigBee+報警器作為控制節(jié)點，當(dāng)接受到協(xié)調(diào)器傳遞的數(shù)據(jù)后，將通過啟動繼電器打開高電壓報警器從而實現(xiàn)報警功能。

3.2 采集和控制程序設(shè)計

打開采集、傳輸、控制節(jié)點電源后，系統(tǒng)將會初始化，首先采集終端和控制終端會通過信道掃描尋找協(xié)調(diào)器，一旦存在協(xié)調(diào)器與終端節(jié)點處于同一PID下，則加入網(wǎng)絡(luò)成功，形成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。如果終端節(jié)點沒有處于休眠狀態(tài)即存在事件處理信息，采集節(jié)點將通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器會通過閾值壓力判斷是否傳輸信息到控制節(jié)點，如果處于休眠狀態(tài)則需要等待休眠時間結(jié)束收到信號后才去處理事件，如圖2所示。

3.3 協(xié)調(diào)器程序設(shè)計

由于本系統(tǒng)只會收集壓力傳感器且一條線路存在一個傳感器，因此選擇點播的方式。協(xié)調(diào)器節(jié)點創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)的流程，在系統(tǒng)上電后，協(xié)調(diào)器會對硬件和燒寫的協(xié)議棧程序進行初始化工作，準(zhǔn)備好信道然后實時掃描是否有子節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)。只要協(xié)調(diào)器收到了終端節(jié)點的入網(wǎng)請求，就會對終端節(jié)點進行數(shù)據(jù)的驗證，如果節(jié)點合法則允許加入網(wǎng)絡(luò)并分配地址，協(xié)調(diào)器這時能夠接受終端節(jié)點上傳的各類數(shù)據(jù)。

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)依據(jù)鐵路貨車車輛檢修中調(diào)車存在的風(fēng)險提出基于ZigBee的無線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，通過壓力傳感器的數(shù)據(jù)提示報警撤離，規(guī)避檢修施工的風(fēng)險。同時自組網(wǎng)模式適合貨車檢修等復(fù)雜的現(xiàn)場環(huán)境，且具有低功耗、布線簡單等特點。相信未來幾年，ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)能夠廣泛地應(yīng)用于視頻監(jiān)控、工業(yè)控制、定位監(jiān)測等領(lǐng)域。

參考文獻：

[1]楊曉明.基于ZigBee技術(shù)的智能家用燃氣報警系統(tǒng)[D].哈爾濱理工大學(xué)，2012.

[2]王東恩.基于ZigBee的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及其應(yīng)用[J].硅谷，2012.

[3]何龍.基于PIC單片機的自動化測試系統(tǒng)設(shè)計[D].華中師范大學(xué)，2013.

[4]槐黨社.鐵路調(diào)車作業(yè)安全問題分析[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2016（22）：286.