基于Zigbee技術的應答式減速頂施工預警系統(tǒng)

任 強

（哈爾濱鐵路局調度所，黑龍江 哈爾濱 15000066）

1 引 言

鐵路編組站減速頂調速設備的保養(yǎng)維護是確保編組站正常運行的重要環(huán)節(jié)，一般情況下，其維護工作都是在調車機運用的間隙進行的，因而對車輛溜放到來的預警就成為施工過程中必不可少的組成部分。按照當前車輛的溜放速度，要求股道來車，就應該通知施工人員及施工器械下線避讓。長期以來鐵路普遍使用人工值守預警的方法，費時費力，可靠性不高。近年來也出現(xiàn)過一些自動預警裝置，但相對于鐵路編組場復雜的環(huán)境，其適用性常受到一定限制。因此尋求一種更加切實可行的預警方案，來較好地解決現(xiàn)階段面臨的問題，對編組站的安全運行具有一定的現(xiàn)實意義。

從施工現(xiàn)場看，該預警裝置應具備以下特性：

⑴極高的可靠性?？煽啃允氰F路運行中最為強調的參數(shù)，是保證鐵路安全運行的生命，可以誤報，不能漏報是本行業(yè)中普遍公認的行規(guī)，同時也是對可靠性定義的另一種詮釋。

⑵良好的便攜性。從施工的性質決定了該預警裝置一定要是一個便攜裝置，施工開始時布防，施工完成后拆除，其本身體積要小，重量要輕，安裝要方便，操作要簡便。

⑶大于1000m的傳輸要求。為了在車輛到達施工點時施工人員有足夠的時間下線避讓，施工點與檢測車輛的傳感器安放點的距離一定要足夠。

⑷較強的環(huán)境適應性。鐵路編組站內電磁環(huán)境復雜，又有車輛的遮擋，要做到能在各種環(huán)境下保證預警的可靠性。

⑸低功耗。由于預警器應具備便攜的特點及施工現(xiàn)場條件所限，設備的電源供給只能用電池供電，為了增加電池的連續(xù)工作時間，電路的低功耗設計必須要考慮。

⑹具有聲光報警功能。

⑺能記錄報警點的信息，方便日后查詢裝置可存儲5000多個報警點數(shù)據(jù)，方便日后查詢或對日后責任的認定提供證據(jù)。

上述第3條，是項目設計的關鍵點，根據(jù)施工現(xiàn)場客觀條件，只能選擇無線通訊的方式傳遞報警信號。現(xiàn)有的無線通訊技術中，點對點和點對多點技術在生產(chǎn)實踐中得到廣泛的應用。但這樣的一種通信方式對該預警系統(tǒng)的應用有許多限制，如通信距離1000m以上意味著需要比較大的發(fā)射功率或者要配置高增益天線，而這些條件肯定會增大裝置的體積重量，對實際使用帶來不便或根本就不具備實用性。如果再考慮車輛等的遮擋，其運行效果會更糟糕。本設計采用基于Zigbee 協(xié)議的由DIGI公司制造的Xbee pro series2超遠距離無線模塊，由其組成PAN(無線個域網(wǎng))來完成遠端信息的傳輸。

2 Xbee pro series2模塊簡介

Zigbee是一種新興的短距離、低速率的無線網(wǎng)絡技術，最初應用于傳感器之間的近距離無線連接，它基于IEEE 802.15.4協(xié)議標準，在數(shù)千個微小的傳感器之間相互協(xié)調實現(xiàn)通信，這些傳感器只需要很少的能量，以接力的方式通過無線電波將數(shù)據(jù)從一個傳感器傳到另一個傳感器，所以它們的通信效率非常高。Zigbee是一個由可多到65000個無線數(shù)傳模塊組成的一個無線數(shù)傳網(wǎng)絡平臺，十分類似現(xiàn)有的移動通信的CDMA網(wǎng)或GSM網(wǎng)。每一個Zigbee網(wǎng)絡數(shù)傳模塊類似的一個基站，在整個網(wǎng)絡范圍內，它們之間可以進行相互通信。每個網(wǎng)絡節(jié)點間的距離可以從標準的75m，到擴展后的幾百米，甚至幾公里；另外整個Zigbee 網(wǎng)絡還可以與現(xiàn)有的其它的各種網(wǎng)絡連接。

通常，符合如下條件之一的應用，就可以考慮采用Zigbee技術做無線傳輸：需要數(shù)據(jù)采集或監(jiān)控的網(wǎng)點多；要求傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不大，而要求設備成本低；要求數(shù)據(jù)傳輸可性高，安全性高；由于設備體積很小，不便放置較大的充電電池或者電源模塊；采用電池供電；地形復雜，監(jiān)測點多，需要較大的網(wǎng)絡覆蓋；現(xiàn)有移動網(wǎng)絡的覆蓋盲區(qū)；使用現(xiàn)存移動網(wǎng)絡進行低數(shù)據(jù)量傳輸?shù)倪b測遙控系統(tǒng)。

Xbee pro series2模塊是美國DIGI公司基于Zigbee技術，專為超遠程，低數(shù)據(jù)傳輸率，高可靠性，低功耗應用而設計的無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，在工業(yè)自動化控制及電力配電系統(tǒng)中獲得了廣泛的應用，該模塊主要性能如下：

工作頻率2.4G,通訊距離1.6 km（明視距離），發(fā)射功率100mW(20dBm)，發(fā)射狀態(tài)電流295mA(@3.3V，接收狀態(tài)電流45mA(@3.3V，接收靈敏度-102dBm，RF數(shù)據(jù)傳輸率250,000bps，兼容TTL電平的異步通訊接口，模塊可工作于基于AT命令的透明傳輸模式和基于幀結構的API傳輸模式。在由一定數(shù)目的模塊構成的Zigbee網(wǎng)絡中，必須指定一個模塊為協(xié)調器才能啟動該網(wǎng)絡，其余模塊可根據(jù)其在網(wǎng)絡中的作用分別設定成路由器或設備終端，被稱為路由器的模塊具有中繼功能?？赏ㄟ^DIGI公司X-CTU軟件將模塊方便地設置成協(xié)調器、路由器或設備終端。

每一模塊具有一個64位（8字節(jié)）唯一地址和16位（2字節(jié)）網(wǎng)絡地址，模塊之間的所有數(shù)據(jù)的傳輸都依賴于唯一地址或網(wǎng)絡地址。被定義為協(xié)調器的模塊，其網(wǎng)絡地址為0x0000。

將16進制數(shù)據(jù)“0x01 0x02 0x03 0x04”發(fā)送到地址為“0013A20040552B10”的模塊的API數(shù)據(jù)包為：“0x7E，0x00，0x12，0x10，0x00，0x00，0x13，0xA2，0x00，0x40，0x55，0x2B，0x10，0xFF，0xFE，0x00，0x00，0x01，0x02，0x03，0x04，0x63”。

一個典型的API 數(shù)據(jù)接收包為：“0x7E，0x00，0x10，0x90，0x00，0x13，0xA2，0x00，0x40，0x3A，0x5B，0x97，0x03，0xD3，0x00，0x74(T)，0x65(E)，0x73(S)，0x74(T)，0xB8”，它表示的意義是：該數(shù)據(jù)為一個API 接收包，包的數(shù)據(jù)長度為16字節(jié)，該包由地址為“0013A200403A5B97”的模塊發(fā)出，數(shù)據(jù)內容為“test”。該模塊被封裝成20 腳雙列直插結構。

3 系統(tǒng)構成及功能

系統(tǒng)由傳感器終端，具有中繼功能的路由器和報警主機三部分構成。通過基于Zigbee技術的Xbee pro series2 模塊組成的個域網(wǎng)（PAN）將其聯(lián)系起來。傳感器終端負責檢測車輛到來信號并以報警主機的64位模塊地址為目標地址發(fā)送信息到報警主機，主機接收到車輛到來信號后，用聲光方式告知工作人員，并對報警開始時間和確認時間進行記錄存儲。在現(xiàn)場使用中遇到信號強干擾導致通訊距離不夠時，可在適當?shù)牡胤皆黾勇酚善鞅ＷC通訊的暢通。為了現(xiàn)場的使用方便，傳感器終端、路由器及報警主機都進行了低功耗設計，對體積和重量采用最優(yōu)化處理。傳感器終端和路由器可工作在實驗和運行兩種狀態(tài)。實驗狀態(tài)主要是拉距離時可從訊響器的聲音知道通信是否正常，這點對于決定路由器及傳感器的放置點非常方便。系統(tǒng)結構如圖1。

圖1 預警系統(tǒng)從駝峰加速坡到編組場尾部的設備布置圖

4 系統(tǒng)的硬件電路設計

4.1 報警主機

報警主機作為報警網(wǎng)絡的服務器，協(xié)調與其它模塊的通訊，見圖2。其主要功能如下：

⑴在開始布區(qū)時，接收路由器或傳感器終端發(fā)來的tset信號，并發(fā)送應答信號。接收到路由器或傳感器終端的運行信號后，若該報警器主機是第一次應用或是在網(wǎng)絡復位情況下應用，則路由器或傳感器終端在由test狀態(tài)切換到運行狀態(tài)時，將該節(jié)點的64位模塊地址依照其實驗順序進行記錄，以供以后定位通訊故障做依據(jù)。當檢測到上述狀態(tài)的切換是傳感器終端發(fā)出的，該路由布區(qū)狀態(tài)進入監(jiān)控報警狀態(tài)。

⑵在監(jiān)控報警狀態(tài)，當檢測到傳感器終端發(fā)來的車輛到來信號后，啟動高分貝訊響器及高亮度發(fā)光管報警，并記錄車輛到來的日期時間，報警時間持續(xù)到確認鍵按下結束。在沒有車輛到來信號時，報警主機每5秒給傳感器終端發(fā)送一次心跳信號并等待返回信號。如果收到返回信號，表示通信鏈路正常，否則，查詢是哪個路由器節(jié)點通訊不正常。最終在顯示屏上顯示出來并以聲光信號報警。

⑶存儲5000點的報警數(shù)據(jù)，可在主機液晶屏上查詢。

⑷報警主機的硬件結構考慮到系統(tǒng)運行在μCOSⅡ，微控制器選用C8051F340。由于它內嵌64K程序存儲器和4KRAM及豐富的外設功能，僅需少量的外部芯片即可滿足設計要求。和無線模塊的通訊采用UART0，顯示單元用PCF8576驅動字段式液晶屏，時鐘電路芯片選用PCF8583。AT24C1024用來存儲報警點數(shù)據(jù)，它們都通過C線和微控制器交換數(shù)據(jù)。

電源管理單元主要完成系統(tǒng)中電源的調理，內容包括對單節(jié)鋰電池的穩(wěn)壓和12V升壓。系統(tǒng)主電路所需電壓為3.3V。為了盡可能的提高電池的利用率，選用了壓差為140mV的TC1262低壓差穩(wěn)壓器為系統(tǒng)的主穩(wěn)壓器。升壓用DC/DC變換器，給報警單元提供足夠的功率，保證其有一定的響度。

⑸報警單元受微控制器和主機監(jiān)控電路的雙重控制，主機監(jiān)控電路由X25045芯片完成。當報警主機系統(tǒng)正常工作時，每隔一定時間會發(fā)出一個脈沖對芯片中的看門狗定時器復位。芯片輸出低電平，當報警主機系統(tǒng)有問題時，將導致芯片相應管腳輸出高電位驅動訊響器發(fā)聲。

圖2 報警主機

4.2 傳感器終端

傳感器終端主要完成對車輛到來的信號的檢測，并將該信號進行抗干擾處理，通過無線模塊發(fā)送到報警主機。車輛到來信號的拾取采用金屬探測器原理，見圖3。利用鋼軌上安裝的金屬探測模塊，當車輛車輪掃過探測器表面時，輸出一個低電平信號給微控制器。為了提高可靠性，采用兩個金屬探測模塊并行工作的方式，防止單一傳感器故障時漏報信號，當其中一個探測模塊有問題時，除了給報警主機發(fā)送車輛到達的信息外，同時還發(fā)送相關探測模塊的故障信號。

圖3 傳感器終端

4.3 中繼路由器

它主要由微控制器、Zigbee模塊和電源管理模塊構成。在系統(tǒng)中主要作為中繼模塊使用。和傳感器終端一樣，它同樣工作在試驗和運行兩種狀態(tài)，拉距離在試驗狀態(tài)，正常工作在運行狀態(tài)。

5 測試結果

測試條件：溫度12℃，傳感器終端2個，報警主機與傳感器終端相距800m，測試車輛15鉤，報警準確無誤。從現(xiàn)場測試情況看，模塊與模塊之間的擺放位置很重要，要盡可能使模塊之間處于明視狀態(tài)，否則，會縮短通訊距離。在復雜環(huán)境中，如股道內車輛比較多等情況下，只要適當增加路由節(jié)點數(shù)量即可保證使用要求。用內帶的電池在充滿電的條件下，最長連續(xù)工作時間可達40小時。在系統(tǒng)本身發(fā)生故障的情況下，能給使用者提供相應設備的故障報警信號。