鐵道用ZigBee限速信息采集系統(tǒng)設計

卿珊　李建才

【摘要】 論文提出一種基于ZigBee技術(shù)的列車限速信息采集系統(tǒng)的設計思路，且對信息采集系統(tǒng)的硬件和軟件分別進行了詳細設計，該設計思路能夠?qū)崿F(xiàn)閱讀器與電子標簽之間的無線通信及閱讀器對信息的處理功能。系統(tǒng)主要以射頻芯片CC2530為核心，構(gòu)建了一款低功耗的ZigBee短距離無線通信系統(tǒng)。閱讀器單元通過ZigBee技術(shù)能夠?qū)崟r準確地采集到標簽里面的信息。該設計思想具有廣泛的實際應用前景。

【關鍵詞】 ZigBee CC2530 閱讀器 標簽

近年來，我國鐵路部門加快了科學技術(shù)的步伐，大力發(fā)展電力牽引技術(shù)，積極引進先進技術(shù)，列車行車速度越來越快。速度快，給國民帶來了方便，但是鐵路行車安全卻成為另一個亟待解決的關鍵問題。

鐵路路面狀況信息作為列車行車的重要環(huán)節(jié)，其準確、實時問題也是重點，更是難點。目前，列車接近臨時速度控制區(qū)段、接近封鎖施工地點或者施工地點鄰線行車時，地車間實時信息僅靠地面設置的移動減速信號牌、作業(yè)標、移動停車信號牌以及響墩等信號標牌。這種方式缺少了路面狀況信息的自動傳送和控制，行車安全完全依賴機車司機的注意力和技術(shù)水平，稍有疏忽將直接危及行車安全[1]?；诖?，亟需建立實時、可靠、準確的鐵路安全巡檢機制，以確保列車運行的安全。

ZigBee是一種基于IEEE802.15.4的低功耗、低傳輸速率、架構(gòu)簡單的短距離無線通信技術(shù)，它在自動控制領域的應用越來越廣泛。由于其傳輸距離為數(shù)十米，使用頻段為免費的2.4GHz與900MHz頻段，傳輸速率為20kbps至250kbps，且具有成本低、結(jié)構(gòu)簡單、耗電量小等特點，使得利用ZigBee技術(shù)組成的網(wǎng)絡具備省電、可靠、成本低、容量大、安全、自愈性強等諸多優(yōu)勢。因此，本限速信息采集系統(tǒng)的實現(xiàn)將具有良好的實際經(jīng)濟效益。

一、系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)的硬件框架主要包括閱讀器和電子標簽。閱讀器和標簽的硬件結(jié)構(gòu)是一樣的，他們之間通過ZigBee無線通信協(xié)議進行短距離通信，通過ZigBee技術(shù)，閱讀器可以在一定范圍內(nèi)讀取到標簽里面的信息。主要模塊有：射頻模塊、天線模塊、串口轉(zhuǎn)換模塊、外設接口和電源模塊。

1.1 射頻模塊

射頻模塊的設計是本系統(tǒng)設計的難點，該電路主要由CC2530射頻電路、濾波匹配電路和天線匹配電路組成。

1.2 天線模塊

天線是射頻通信中的重要器件，其選擇非常重要，它的性能直接影響射頻通信的效果。微波段天線必須滿足以下幾個要求：大小合適能夠裝置到相應的模具上；有全向或半球覆蓋的方向性；提供最大可能的信號給標簽的芯片；天線的極化都能與讀卡機的詢問信號相匹配。因此，該模塊采用的是2.4G 14dBi PCB平板定向天線，主要由帶精品抗氧化層的鋁反射板和0.5米的鍍銀高品質(zhì)饋線組成。

1.3 電源模塊

電源部分是整個系統(tǒng)正常工作的保證，如果電源部分出現(xiàn)故障，則有可能燒毀整個電路，每個模塊對電壓的要求有所不同，要保證通信的前端電量充足，需要對電壓進行分類管理，保證電源能夠達到整個電路工作正常的要求。串口轉(zhuǎn)換模塊

本模塊主要由芯片MAX485E（用于RS-485與RS-422通信的低功耗收發(fā)器，每個器件中都具有一個驅(qū)動器和一個接收器）和芯片6N137（高速光電耦合器）組成的電路來完成串口轉(zhuǎn)換功能的，以便于后續(xù)調(diào)試的進行。信號采集通常是模擬電路和數(shù)字電路的混合體，其中模數(shù)變換是不可缺少的，模擬電路和AD變換電路決定了系統(tǒng)的信噪比，在鐵路系統(tǒng)這種惡劣的環(huán)境下干擾比較多，為了保證通信的穩(wěn)定性，采用6N137將模擬電路及AD變換器和數(shù)字電路徹底隔離。

二、系統(tǒng)軟件設計

在該系統(tǒng)下，閱讀器屬于可移動ZigBee模塊，考慮低功耗、數(shù)據(jù)傳輸安全性等因素，閱讀器的工作模式設計為：每隔30ms定時發(fā)送查詢命令，并且自動切換到接收狀態(tài)等待標簽的回復；標簽收到請求信息后會將標簽信息發(fā)送給閱讀器。閱讀器在等待標簽回復的時候會開啟定時器計時。如果閱讀器附近存在標簽模塊，收到標簽信息時，則會將該標簽信息對數(shù)據(jù)進行封裝成處理器需要的格式發(fā)送給處理器，同時向該標簽發(fā)送滅活命令。然后再等待接收其他的標簽信息，以確保所有的標簽都被讀到。

三、結(jié)論

本文提出了基于ZigBee技術(shù)鐵道臨時限速系統(tǒng)的限速信息采集模塊的一種新的設計思路，硬件射頻部分采用具有成本低卻能建立強大的網(wǎng)絡節(jié)點的CC2530芯片，及覆蓋面非常廣的2.4G 14dBi PCB平板定向天線等；軟件部分也對閱讀器和標簽的工作模式進行了詳細設計。通過對限速信息采集系統(tǒng)的詳細設計，使得整個系統(tǒng)中ZigBee模塊之間的通信及信息處理更加精準、安全。本文提出的這一設計思路將為整套鐵道臨時限速系統(tǒng)提供了可靠的技術(shù)保障。

參 考 文 獻

[1] 金輝. 基于RFID技術(shù)的臨時限速便攜終端的研究與設計[D]. 廣州：華南理工大學，2011

[2] 李文仲，段朝玉. ZigBee無線網(wǎng)絡技術(shù)入門與實踐[M] .北京：北京航空航天大學出版社，2007，4

[3] 高守瑋. ZigBee技術(shù)實踐教程[M]. 北京：北京航空航天大學出版社，2009.6

[4] 李新. 基于CC2530的ZigBee網(wǎng)絡節(jié)點設計[J]. PLC & FA，2011：97-99