基于Zig Bee的軌道列車模型系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

錢存元，孔博偉，吳雄文

（同濟大學 鐵道與城市軌道交通研究院，上海 201804）

0 引言

列車及其設(shè)備的龐大、昂貴，致使軌道列車信號系統(tǒng)與列車控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的實車驗證成本高、難度大；而純計算機仿真環(huán)境下的信號邏輯實驗及驗證的實踐性低、直觀性差。由此考慮搭建軌道列車網(wǎng)絡(luò)模型，采用全仿真列車、軌道及信號設(shè)備，同時建立控制中心，通過網(wǎng)絡(luò)通信，模擬軌道列車運行。由此建立的軌道列車模型系統(tǒng)具有體積小、成本低、可控性高、擴展性好、直觀性強的特點，適合于軌道列車信號系統(tǒng)研發(fā)測試及邏輯驗證。

1 模型系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)設(shè)計采用2輛1：40全仿真列車，40 m雙環(huán)仿真軌道，2個道岔（包括轉(zhuǎn)轍機）及4個信號燈設(shè)備。在各設(shè)備上嵌入無線控制芯片，自組織成網(wǎng)絡(luò)，移植現(xiàn)有協(xié)議棧，通過建立應(yīng)用支持子層，分離底層及應(yīng)用層，提供對上接口。根據(jù)不同種類的軌道設(shè)備，建立有限狀態(tài)機邏輯，編程嵌入節(jié)點。最終通過模型運轉(zhuǎn)尋找軌道列車信號系統(tǒng)的邏輯問題。

考慮到無線通信可以降低線路排布復雜度，以及系統(tǒng)應(yīng)具有容量擴展、自組網(wǎng)、抗干擾能力[1]和經(jīng)濟性，選擇以低功耗、低速率、低成本為目標的ZigBee-IEEE 802.15.4[2]標準作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，并采用TI公司的CC2530片上系統(tǒng)為硬件核心，移植符合ZigBee 2007 Pro規(guī)范、支持1 000個以上節(jié)點的Z-Stack協(xié)議棧為軟件核心，建立仿真系統(tǒng)。

2 硬件電路設(shè)計

2.1 芯片組合選擇

采用ZigBee技術(shù)搭建網(wǎng)絡(luò)，必要硬件包括無線收發(fā)模塊以及微處理器。無線收發(fā)模塊和微處理器可為分立芯片，如Freescale公司的ZigBee無線收發(fā)器MC13193配合MCF523x系列的32位微處理器；或使用單芯片方案，即無線收發(fā)模塊和微處理器在同一芯片中集成，如TI公司的CC2430芯片等。

分立方式操作靈活，收發(fā)模塊、微處理器性能可根據(jù)課題需求進行選擇，但開發(fā)難度較單芯片大。單芯片方式集成度高、成本低廉，有數(shù)個可選級別，在空間局限板路中布置方便，但對于特殊要求微處理器與收發(fā)器方法有限。

業(yè)界有多種單芯片解決方案[3]，如Freescale公司的MC13214、TI公司的CC2530[4]。考慮到CC2530集成的增強型8051內(nèi)核易于開發(fā)，性能與容量符合應(yīng)用要求，最終選擇CC2530芯片。

圖1 節(jié)點電路

2.2 電路設(shè)計

節(jié)點電路以CC2530芯片為核心。根據(jù)Datasheet以及經(jīng)驗設(shè)計天線[5]、晶振、接地和復位電路構(gòu)成最小系統(tǒng)，如圖1所示。

主節(jié)點電路增加RS232串口電路與電腦通信；增加12864液晶顯示屏，通過74HC595串口轉(zhuǎn)并口芯片通信，提高IO復用率；增加按鍵，利用分壓電路使4個按鍵并入同個IO，根據(jù)電壓采樣獲得按鍵輸入。

3 軟件設(shè)計

3.1 協(xié)議棧層結(jié)構(gòu)

ZigBee協(xié)議棧體系結(jié)構(gòu)基于標準開放式系統(tǒng)互連（Open System Interconnect，OSI）七層協(xié)議模型，如圖2所示。

圖2 ZigBee分層結(jié)構(gòu)

協(xié)議棧有兩個物理層，它操作于兩個分離的頻率范圍：900 MHz和2.4 GHz。低頻率主要用于歐美大陸，高頻率全球通用，本文使用2.4 GHz頻率段。物理層采用16個信道、偽噪聲PN序列 （Pseudo-noise Sequence）擴頻以及O-QPSK編碼方式，以避免同頻干擾[1]。

MAC層信道時間控制使用超幀方式，競爭接入信道使用的是載波偵聽多點接入/避免沖撞 （Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance，CSMA/CA）方式。

網(wǎng)絡(luò)層完成網(wǎng)絡(luò)建立、加入和離開，使用AODV[6]等路由算法發(fā)現(xiàn)、選擇和維護網(wǎng)絡(luò)。

應(yīng)用支持子層（Application Support Sublayer，APS）用于維護和建立綁定表。

設(shè)備對象層 （ZigBee Device Object，ZDO）層 用于 定義設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中的角色，發(fā)起或響應(yīng)綁定請求。

應(yīng)用層是本文功能邏輯實現(xiàn)的具體位置。

Z-Stack協(xié)議棧是ZigBee協(xié)議標準的一個實體，符合上述層結(jié)構(gòu)。

3.2 操作系統(tǒng)流程

各節(jié)點棧分層任務(wù)通過OSAL（OperatingSystem Abstraction Layer）操作系統(tǒng)實現(xiàn)。

OSAL操作系統(tǒng)具有任務(wù)優(yōu)先權(quán)，每層任務(wù)在執(zhí)行完成后回到循環(huán)原點。以應(yīng)用層為例，如果鏈路層與應(yīng)用層任務(wù)同時激活，先執(zhí)行鏈路層任務(wù)，任務(wù)結(jié)束后，系統(tǒng)回到循環(huán)原點。如果這時鏈路層又有任務(wù)被激活，那么應(yīng)用層的任務(wù)將再次得不到執(zhí)行，只有當所有較低層的任務(wù)全部執(zhí)行完成后，才會執(zhí)行應(yīng)用層任務(wù)。

這樣構(gòu)建系統(tǒng)的原因在于底層任務(wù)需要維持網(wǎng)絡(luò)運行以及設(shè)備實際操作，并保證操作的實時性。應(yīng)用層在處理完應(yīng)用請求后，一般也是把消息傳遞給底層，使底層實際完成應(yīng)用層的請求。實際系統(tǒng)處理速度快，較少遇到底層任務(wù)繁多迫使高層無法運行的情況。

3.3 控制中心狀態(tài)機

圖3所示為控制中心應(yīng)用層有限狀態(tài)機模型，其主要功能是建立和維護網(wǎng)絡(luò)。

圖3 控制中心狀態(tài)機

首先建立網(wǎng)絡(luò)，完成后，控制中心即允許列車節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)，實時接收、定時顯示列車信息（包括車號、車速以及目標車速）。

控制中心能要求列車以給定的速度運行。列車的速度控制作為非周期操作，使用鍵盤的中斷方式輸入。

列車信息是周期數(shù)據(jù)，10 Hz的信息頻率使用接收中斷激活任務(wù)。若網(wǎng)絡(luò)的信息顯示頻率過高，將導致CPU的大部分時間都在等待LED控制芯片的應(yīng)答，從而降低系統(tǒng)工作效率，因此根據(jù)人的大腦一般條件反應(yīng)時間為0.1～0.5 s以及復雜選擇性反應(yīng)時間為1～3 s，設(shè)定控制中心信息顯示周期為1 s。

為節(jié)省通信帶寬，列車反饋信息不含列車目標車速。目標車速在每次控制中心發(fā)送控制命令時被截獲，直到下一次控制中心再次發(fā)送控制命令，信息才會被修改。

3.4 列車狀態(tài)機

圖4所示為列車節(jié)點應(yīng)用層有限狀態(tài)機模型，列車的主要功能是加入網(wǎng)絡(luò)、控制電機、反饋并顯示列車信息、實時接收控制命令。

圖4 列車狀態(tài)機

列車在初始化階段掃描信道中的協(xié)調(diào)器信標，一旦發(fā)現(xiàn)協(xié)調(diào)器（即控制中心），就向控制中心發(fā)出請求加入網(wǎng)絡(luò)幀。加入網(wǎng)絡(luò)后，定時接收網(wǎng)絡(luò)中的信標幀，一旦失聯(lián)，就向上報錯處理。

“接收控制”、“信息反饋”、“電機控制”和 “顯示信息”具有不同優(yōu)先級。

“電機控制”優(yōu)先級最高，是設(shè)計的服務(wù)目標。采用后臺的PWM波輸出，定時改變PWM輸出值，只要間隔夠短，離散控制將接近實時控制，其影響系數(shù)將通過數(shù)字PID控制給出。實踐中，單核多任務(wù)系統(tǒng)通過心跳保證實時性在可控范圍內(nèi)，OSAL最小心跳為1 ms，采用控制頻率為100 Hz。

“接收控制”優(yōu)先級次之，是完成“電機控制”的依據(jù)。由于不可預測，用中斷的方式較好。中斷處理函數(shù)應(yīng)盡量短，不增加系統(tǒng)的響應(yīng)延時。這里只執(zhí)行保存控制命令一條語句。

“信息反饋”具有次一等優(yōu)先級，它是控制中心掌控列車信息的依據(jù)。根據(jù)人的反應(yīng)速度，選擇反饋信息頻率為5 Hz。

“顯示信息”優(yōu)先級最低，列車上的信息顯示為調(diào)試接口，設(shè)置顯示周期為5 s。

4 實驗過程與結(jié)果

移植Z-Stack協(xié)議棧，在應(yīng)用支持子層建立應(yīng)用號、簇號以及綁定表，注冊任務(wù)信息。根據(jù)控制中心及列車節(jié)點有限狀態(tài)機，編寫應(yīng)用層程序。通過控制中心按鍵改變列車車速，實時觀察各列車信息。實驗過程如圖5所示。

實驗結(jié)果顯示，網(wǎng)絡(luò)具有自組網(wǎng)、掉線重入網(wǎng)能力，控制中心可以控制列車節(jié)點速度并實時顯示列車節(jié)點當前速度?？刂乒?jié)點實時列車信息如圖6所示。

圖5 實驗過程

圖6 控制節(jié)點實時列車信息顯示

5 結(jié)論

本文介紹了以CC2530為硬件核心，以Z-Stack協(xié)議棧為軟件核心，基于ZigBee無線技術(shù)的列車模型軟硬件設(shè)計方法，并且在一個控制中心、兩個列車節(jié)點環(huán)境下完成了通信控制過程。該方法為軌道列車信號系統(tǒng)與列車控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的實車設(shè)計與邏輯驗證提供了直觀可行的半實物仿真環(huán)境。

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