王繼鵬　林建輝　陳顯　燕春光

摘 要：針對部分鐵路漏斗車運行時，由于底門閉合故障而引發(fā)貨物泄露這一現(xiàn)象，基于ZigBee技術設計了漏斗車運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過霍爾開關傳感器監(jiān)測漏斗車底門開閉狀態(tài)，在底門故障時用PTC08串口紅外攝像頭抓拍圖像，依靠ZigBee節(jié)點傳送數(shù)據(jù)至ZigBee協(xié)調器，并通過ARM網(wǎng)關的GPRS模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h程PC機及手機客戶端供用戶確認。經(jīng)測試，該系統(tǒng)成本低、功耗低，可及時發(fā)現(xiàn)事故隱患，滿足預期的使用條件和技術要求。

關鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);ZigBee;漏斗車;監(jiān)測系統(tǒng);ARM網(wǎng)關;GPRS通信

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2020）04-000-03

0 引 言

漏斗車是一種鐵路貨車，其車體底部有漏斗，端壁向內傾斜，適用于運輸散裝大宗貨物，如煤、礦石等[1]。然而，漏斗車的卸貨口位于車身底部且底門開關機構故障率較高，在行車過程中一旦出現(xiàn)底門關閉不嚴等故障，將導致貨物泄漏，毀壞車體及沿線設施，污染環(huán)境，甚至威脅行車安全[2]。而針對該問題，目前除依靠監(jiān)測人員人工檢查底門開閉情況外，還可利用安裝在鐵軌附近的漏斗車底門檢測裝置實現(xiàn)自動檢測[3]。但漏斗車編組數(shù)量多，又無車載電源，上述檢測裝置只能在站點的固定位置安裝，無法在行車過程中進行實時監(jiān)測。因此研制一套低成本、低功耗、可靠性高的可實時監(jiān)控漏斗車行車狀態(tài)的智能監(jiān)測系統(tǒng)對保障漏斗車安全運行具有重要意義。漏斗車模型如圖1所示。

1 系統(tǒng)整體架構

該監(jiān)測系統(tǒng)由采集節(jié)點、監(jiān)控中心、云服務器、客戶終端構成。其中，采集節(jié)點安裝在漏斗車的底門外，由ZigBee通信模塊、串口攝像頭、霍爾傳感器、電源模塊組成;監(jiān)控中心安裝在機車內部，由ZigBee協(xié)調器、ARM網(wǎng)關組成;云服務器使用阿里云服務器ECS;客戶端由臺式機和手機客戶端組成。系統(tǒng)結構如圖2所示。

該系統(tǒng)的優(yōu)點及功能如下：

（1）系統(tǒng)成本低、功耗低，可實時監(jiān)測漏斗車底門狀態(tài)與節(jié)點電量信息;

（2）系統(tǒng)可實現(xiàn)網(wǎng)關與服務器的GPRS通信;

（3）系統(tǒng)底門異常時可及時向客戶端報警并顯示當前底門處照片，機車監(jiān)控中心蜂鳴器鳴響示警。

2 系統(tǒng)詳細設計

2.1 采集節(jié)點

每輛漏斗車均有4個底門，在每個底門處安裝一個采集節(jié)點，用于監(jiān)控漏斗車底門狀態(tài)。

ZigBee通信模塊主要由CC2530F256最小系統(tǒng)、功率放大器電路組成。CC2530芯片采用增強型51 CPU，帶有無線收發(fā)功能，具有多種低功耗工作模式，使得它尤其適合作為采集節(jié)點的主芯片[4]。功率放大器電路采用RFX2401C芯片，可大大提高有效傳輸距離，以滿足漏斗車的使用要求[5]。

霍爾開關傳感器采用ES3144霍爾元件，該傳感器連接在CC2530的I/O口上，安裝在漏斗車底門外，并在底門處安裝磁鐵測點。當?shù)组T閉合時，霍爾元件磁感應強度將超出工作閾值，此時輸出導通，電平變低;當磁鐵測點遠離傳感器時，表示底門故障異常開啟，此時霍爾元件輸出關斷，電平變高[6]。

串口攝像頭采用PTC08串口紅外攝像頭，支持夜視功能。該模塊可以進行圖像采集、控制、數(shù)據(jù)壓縮、串口傳輸，輸出標準的JPEG圖像，設置拍照圖像大小及圖像壓縮比例，且支持3線制TTL電平[7]，可直接與CC2530進行串口通信。

電源模塊使用AS1117AR芯片，將電池盒的電壓轉化，為ZigBee通信模塊供電。同時通過CC2530芯片I/O口和三極管為霍爾傳感器模塊和串口攝像頭模塊提供5 V電壓。另通過電量測量電路連接CC2530的A/D管腳，測量當前電池盒的電池電量。

采集節(jié)點的程序采用軟件IAR編寫，其設計流程如圖3所示。初始化系統(tǒng)操作后，采集節(jié)點自動參加協(xié)調器網(wǎng)絡。先讀取非易失存儲區(qū)NV中的車輛信息，包括車號、底門編號、定時喚醒時間等，并采集當前電量、霍爾傳感器信息發(fā)送給協(xié)調器。再打開I/O口為攝像頭供電，延遲2.5 s后配置串口相機并拍照，之后讀取照片數(shù)據(jù)并發(fā)送。發(fā)送完成后等候協(xié)調器回復。若采集節(jié)點接收到配置信息指令，則將新數(shù)據(jù)寫入非易失存儲區(qū)NV中。當采集節(jié)點接收到確認接收指令后，關斷攝像機電源，設置定時喚醒和外部中斷喚醒，并進入低功耗PM2模式。設置睡眠定時時間，當達到定時時間后，系統(tǒng)自動喚醒?；魻杺鞲衅鞯哪M輸出連接在CC2530的I/O處，作為外部中斷源。當?shù)组T異常開啟時，系統(tǒng)會被喚醒，待系統(tǒng)喚醒后，程序循環(huán)運行。

2.2 監(jiān)控中心

監(jiān)控中心用于上傳采集節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)信息、處理服務器發(fā)送的指令信息，其硬件架構如圖4所示。

監(jiān)控中心主控芯片為Exynos4412芯片，該芯片采用ARM Cortex-A9四核處理器架構，穩(wěn)定性強、可靠性高，適用于對性能和處理能力有更高要求的嵌入式系統(tǒng)應用場合[8]。

GPRS模塊采用SIM800A，該模塊支持RS 232串口和TTL串口，具有語音通話、短信、GPRS數(shù)據(jù)傳輸、文本播報（TTS）和基站定位等功能[9]。

ZigBee協(xié)調器程序流程如圖5所示。系統(tǒng)上電初始化后，協(xié)調器創(chuàng)建網(wǎng)絡，等待采集節(jié)點加入。當接收到節(jié)點采集的數(shù)據(jù)信息時，協(xié)調器通過串口發(fā)送給ARM網(wǎng)關。若收到ARM網(wǎng)關給某節(jié)點的配置信息指令，則將該指令發(fā)送給采集節(jié)點，并繼續(xù)等待接收指令。若為確認接收指令，則轉發(fā)指令后結束該次數(shù)據(jù)傳輸，進行下一次數(shù)據(jù)傳輸。

ARM網(wǎng)關的流程如圖6所示。系統(tǒng)同時接收來自節(jié)點的數(shù)據(jù)和服務器的指令。若接收到服務器的配置信息指令，則暫存至FLASH中;若接收到來自采集節(jié)點的數(shù)據(jù)信息，則將該數(shù)據(jù)通過GPRS模塊轉發(fā)至服務器，并查找是否有緩存在FLASH中的該節(jié)點的配置信息指令。若有，則先發(fā)送配置信息指令，更新采集節(jié)點非易失存儲器數(shù)據(jù)后再發(fā)送確認接收指令;若未找到，則直接發(fā)送確認接收指令，結束該次數(shù)據(jù)傳輸。

2.3 服務器與客戶終端

服務器采用阿里云服務器ECS。ECS是一種可支持彈性擴展的IaaS級別云計算服務器，它運行在云端，大大降低了用戶建設維護成本，更加穩(wěn)定可靠[10]。使用阿里云服務器，需要在阿里云官網(wǎng)完成基本信息注冊，按照項目需求配置CPU參數(shù)、運行內存和云存儲盤的大小，選擇合適的操作系統(tǒng)，并購買相應服務。

該監(jiān)測系統(tǒng)選擇在Ubuntu 14.04 32位操作系統(tǒng)上搭建Java環(huán)境和MySQL數(shù)據(jù)庫。在監(jiān)測過程中，監(jiān)控中心的ARM網(wǎng)關經(jīng)GPRS模塊通過TCP協(xié)議將信息數(shù)據(jù)發(fā)送至阿里云服務器對應的域名，服務器對數(shù)據(jù)進行處理。當服務器解析到異常數(shù)據(jù)時，會向訪問它的客戶終端發(fā)送報警信息。用戶可以通過網(wǎng)站和安卓客戶終端訪問公網(wǎng)IP，查看服務器上的數(shù)據(jù)或對監(jiān)測節(jié)點進行參數(shù)配置。

3 系統(tǒng)功能測試

搭建實驗環(huán)境，使用迅為iTOP-4412開發(fā)板加GPRS模塊作為ARM網(wǎng)關，連接ZigBee協(xié)調器作為監(jiān)控中心，如圖7（a）所示。用ZigBee通信模塊連接霍爾傳感器、串口攝像頭、供電電池盒，作為采集節(jié)點;在金屬支架上貼磁性測點，模擬漏斗車底門，如圖7（b）所示。

在實驗過程中，當磁性測點緊靠霍爾傳感器時，表示底門緊閉，采集節(jié)點定時時間到后，系統(tǒng)喚醒，自動采集數(shù)據(jù)并發(fā)送給協(xié)調器，攝像頭抓拍照片傳送給協(xié)調器。圖8（a）為此時相機所拍圖片。人為移動磁性測點遠離霍爾傳感器，表示底門故障，異常打開，此時傳感器輸出電平突變，觸發(fā)外部中斷喚醒系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集并發(fā)送，攝像頭抓拍圖片如圖8（b）所示。

4 結 語

本文設計了一種可以實時監(jiān)測漏斗車底門狀態(tài)的監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以在行車過程中及時發(fā)現(xiàn)漏斗車底門故障，并通過蜂鳴器報警提醒機車駕駛人員，還可通過GPRS遠程傳輸信息至客戶端。用戶可通過臺式機或手機客戶端遠程登錄查看底門狀態(tài)數(shù)據(jù)和圖片，操作簡單，顯示直觀，具有一定的推廣價值。

參考文獻

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