基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的智能鐵鞋系統(tǒng)設(shè)計

馬 飛，鄭云水

（蘭州交通大學(xué) 自動化與電氣工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

在鐵路車站，鐵鞋是停車防溜的必要設(shè)施，在停車后是否放置到位直接關(guān)系到車輛是否能夠安全防溜，而是否全部取出關(guān)系到列車發(fā)車的安全。一直以來，由于鐵鞋的領(lǐng)取、安放、取出、還回這4個主要操作過程都是通過人工操作來完成的，各級管理人員無法及時判明鐵鞋是否處于安全狀態(tài)[1]。近年來市場上出現(xiàn)一種帶有無線傳輸模塊的智能鐵鞋，將鐵鞋的基本狀態(tài)通過無線方式直接發(fā)送到控制室。但是傳統(tǒng)的無線模塊是點(diǎn)對點(diǎn)的直接傳輸，這種傳輸方式抗干擾能力差、安全性低、傳輸距離受其發(fā)射功率及頻率等影響不能完全滿足現(xiàn)場需求。

為了解決上述問題，本文提出采用基于ZigBee的新型無線網(wǎng)絡(luò)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的無線模塊的設(shè)計方案。該方案具有無線自組網(wǎng)(為了能夠?qū)崿F(xiàn)傳輸接力)、抗干擾能力強(qiáng)、傳輸效率高、低功耗、通信內(nèi)容加密等優(yōu)點(diǎn)[2]。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計方案

基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的智能鐵鞋系統(tǒng)是一種新型的鐵鞋定位與安全管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過在傳統(tǒng)鐵鞋上加裝基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的數(shù)傳模塊，實現(xiàn)對鐵鞋狀態(tài)的實時監(jiān)控。ZigBee數(shù)傳模塊分為兩種：一種是裝在鐵鞋上，具有采集鐵鞋實時狀態(tài)和傳輸采集數(shù)據(jù)的功能，稱為采集器；另一種是位于控制室的協(xié)調(diào)器，具有建立和維護(hù)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)以及收發(fā)數(shù)據(jù)和連接上位機(jī)的功能[3]。系統(tǒng)框架如圖1所示。

2 硬件設(shè)計

2.1 采集器

采集器的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，由CC2530單片機(jī)、CC2591功率放大芯片組成采集器核心板；壓力傳感器、輕觸開關(guān)S1、S2及電源組成采集器擴(kuò)展板。兩者通過接口插在一起，便于后期系統(tǒng)的升級及軟硬件調(diào)試，并可提高整個系統(tǒng)的通用性。對其略加改造就能適合其他項目的開發(fā)，從而大幅度地降低了研發(fā)成本和縮短研發(fā)周期。

2.2 協(xié)調(diào)器

協(xié)調(diào)器端的硬件框圖如圖3所示。該部分用來建立和控制ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)，并將從采集器反饋的數(shù)據(jù)通過USB接口直接輸入到PC機(jī)中供上位機(jī)軟件(智能鐵鞋管理系統(tǒng))分析與管理。

本設(shè)計采用美國 TI公司生產(chǎn)的 CC2530、CC2531作為主控芯片，該芯片是傳統(tǒng)CC2430的升級版，它基于8051內(nèi)核，擁有 8 KB的 RAM、256 KB（最多）的 Flash內(nèi)存，其點(diǎn)對點(diǎn)傳輸速率最高可達(dá)250 Kb/s[4]。其整個系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)，能符合現(xiàn)場復(fù)雜多變的要求。

為了進(jìn)一步提高ZigBee網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，采用CC2591作為信號放大器件，將傳統(tǒng)的75 m點(diǎn)對點(diǎn)傳輸通信距離擴(kuò)展到1 km以上，再加上ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)接力性，使其整個無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍滿足現(xiàn)場需求。采集器核心板電路圖如圖4所示。

為了檢測車輪是否良好地壓在鐵鞋表面（防止鐵鞋被擠飛），采集器的壓力傳感器采用LAE-D型壓力傳感器，將壓力變化引起的惠斯通電橋不平衡電壓通過高精度儀用放大器AD620AR放大輸出到CC2530的P0_0口；把電源的供電電壓通過放大器件AD705JR輸出到P0_1口，與P0_0口的輸入形成差分放大從而減小共模影響。其中，AD620AR的放大倍數(shù)由RG變阻器控制，其放大倍數(shù)G=49.4 kΩ/RG+1。為了不使其輸出電壓超過CC2530的 AD端口(P0_0)，輸入電壓的最高值取 3.3 V。當(dāng)壓力傳感器滿量程時，惠斯通電橋的差分輸出電壓公式為V0=V+-V-=2 mV/V×5 V=0.01 V，因而放大倍數(shù)不得高于 330倍，RG最小可為 150 Ω。在現(xiàn)場復(fù)雜多變的情況下，車輪對鐵鞋的壓力有可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過壓力傳感器的測量范圍。為了解決這一問題，可以在鐵鞋機(jī)械設(shè)計時考慮采用杠桿原理。通過調(diào)節(jié)杠桿臂長來調(diào)節(jié)車輪對壓力傳感器的沖擊力，使其在額定范圍內(nèi)工作。壓力傳感器電路圖如圖5所示。

圖4 采集器核心板電路圖

3 軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件設(shè)計分為智能鐵鞋管理系統(tǒng)上位機(jī)軟件、協(xié)調(diào)器下位機(jī)軟件、采集器下位機(jī)軟件。

3.1 智能鐵鞋管理系統(tǒng)上位機(jī)軟件

該系統(tǒng)上位機(jī)軟件采用VC++6.0開發(fā)，其功能如圖6所示。

圖6 智能鐵鞋管理系統(tǒng)功能框圖

上位機(jī)軟件將協(xié)調(diào)器直接傳入的數(shù)據(jù)輸入SQL Sever2005數(shù)據(jù)庫進(jìn)行存儲，方便以后查閱和多點(diǎn)監(jiān)控[5]。

3.2 協(xié)調(diào)器下位機(jī)軟件

協(xié)調(diào)器下位機(jī)軟件流程圖如圖7所示。

圖7 協(xié)調(diào)器下位機(jī)軟件流程圖

圖8 采集器下位機(jī)軟件流程圖

當(dāng)設(shè)備上電后自動初始化設(shè)備并建立網(wǎng)絡(luò)，為整個網(wǎng)絡(luò)添加合法的采集器節(jié)點(diǎn)并接收和發(fā)送來自采集器

的數(shù)據(jù)[6]。

3.3 采集器下位機(jī)軟件

采集器在上電開始后初始化硬件并加入?yún)f(xié)調(diào)器建立的ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)，同時不斷地向協(xié)調(diào)器發(fā)送采集結(jié)果。采集器下位機(jī)軟件流程圖如圖8所示。

該系統(tǒng)目前已應(yīng)用于劉元子煤礦的專營線上，系統(tǒng)運(yùn)行良好，能很好地滿足現(xiàn)場需求。目前正對現(xiàn)場反映的一些要求做進(jìn)一步改進(jìn)，使其更適合現(xiàn)場的實際需求，更加簡單化、人性化。

[1]宋立志，張丹婷.基于無線通信的智能防鐵鞋系統(tǒng)設(shè)計[J].硅谷，2010，14：74-75.

[2]李文仲，段朝玉.ZigBee2006無線網(wǎng)絡(luò)與線定位實戰(zhàn)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

[3]李文仲，段朝玉.ZigBee2007/PRO協(xié)議棧實驗與實踐[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009.

[4]瞿雷，劉盛德，胡咸斌，等.ZigBee技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

[5]Texas Instruments.CC2531 USB hardware user′s guide[Z].2009.

[6]張毅，李淑芳.基于 ZigBee網(wǎng)絡(luò)的 TPMS測試管理系統(tǒng)設(shè)計[J].計算機(jī)測量與控制，2012，20(4)：942-944.