基于ZigBee的動(dòng)車(chē)組裝配生產(chǎn)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

沈巍，齊迪，張鶴，張梅婷

（大連交通大學(xué)電氣信息學(xué)院，遼寧大連116028）

基于ZigBee的動(dòng)車(chē)組裝配生產(chǎn)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

沈巍，齊迪，張鶴，張梅婷

（大連交通大學(xué)電氣信息學(xué)院，遼寧大連116028）

目前，動(dòng)車(chē)組裝配生產(chǎn)線監(jiān)測(cè)大多采用有線和人工結(jié)合的半自動(dòng)化的監(jiān)測(cè)方式，而這種方式存在布線困難、節(jié)點(diǎn)固定、成本過(guò)高、實(shí)時(shí)效果差等問(wèn)題。針對(duì)上述問(wèn)題，文中設(shè)計(jì)了全自動(dòng)化的基于ZigBee的動(dòng)車(chē)組裝配生產(chǎn)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，定義了監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)程序及傳輸數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)采用CC2591功率放大芯片提高了監(jiān)測(cè)結(jié)點(diǎn)的射頻功率。所設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)不僅擴(kuò)大了ZigBee網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，提高了抗干擾的能力而且更好的解決了在動(dòng)車(chē)生產(chǎn)線特殊環(huán)境下的布線困難、實(shí)時(shí)差等問(wèn)題，滿(mǎn)足了節(jié)點(diǎn)布置靈活、數(shù)據(jù)穩(wěn)定、可靠等要求，符合動(dòng)車(chē)組裝配生產(chǎn)線監(jiān)測(cè)的需求。

裝配生產(chǎn)線；全自動(dòng)化；ZigBee技術(shù)；布置靈活；數(shù)據(jù)穩(wěn)定

未來(lái)幾年中國(guó)高鐵建設(shè)進(jìn)入全面收獲期，屆時(shí)我國(guó)鐵路運(yùn)營(yíng)里程達(dá)12萬(wàn)公里以上。隨之而來(lái)的是對(duì)動(dòng)車(chē)組列車(chē)的需求量急劇增加。動(dòng)車(chē)組客車(chē)生產(chǎn)廠的生產(chǎn)效率已成為衡量客車(chē)廠生產(chǎn)能力的重要指標(biāo)，動(dòng)車(chē)組裝配生產(chǎn)線監(jiān)測(cè)，為客車(chē)廠提高生產(chǎn)效率，優(yōu)化裝配順序，制定生產(chǎn)計(jì)劃提供了重要依據(jù)。所以對(duì)動(dòng)車(chē)組裝配生產(chǎn)線的監(jiān)測(cè)顯得迫切需要。本文介紹的基于ZigBee的動(dòng)車(chē)組裝配生產(chǎn)線無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)布置靈活、成本低、干擾小、傳輸穩(wěn)定可靠、安全性高、操作簡(jiǎn)便，具有廣泛的應(yīng)用前景。

1　監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

1.1監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的硬件整體設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)除了具有遠(yuǎn)距離無(wú)線收發(fā)及數(shù)據(jù)處理功能外，還需要采集并顯示安裝在動(dòng)車(chē)組裝配生產(chǎn)線上的RFID標(biāo)簽信息以及便于節(jié)點(diǎn)的二次開(kāi)發(fā)和通過(guò)PC機(jī)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的功能，為此設(shè)計(jì)的硬件系統(tǒng)主要包括：CC2530微控制器模塊、RFID標(biāo)簽信息采集模塊、CC2591功率增強(qiáng)模塊、編程與調(diào)試模塊、OLED顯示模塊等。硬件設(shè)計(jì)基本框圖如圖1所示。

圖1　硬件設(shè)計(jì)基本框圖Fig.1The basic block diagram of the hardware design

1.2CC2530微控制器模塊設(shè)計(jì)

微控制器模塊是整個(gè)系統(tǒng)信息采集和傳遞的核心部分，本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中選用德州儀器（TI）公司生產(chǎn)的CC2530作為ZigBee的網(wǎng)絡(luò)的射頻芯片。該射頻芯片包括一個(gè)高性能的2.4 GHz直接序列擴(kuò)頻的射頻收發(fā)器和一個(gè)高性能、低功耗的8051微控制器核，不僅僅能夠滿(mǎn)足無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)低成本、低功耗的要求，而且能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的高效處理。

圖2是CC2530微處理器模塊的電路圖，首先通過(guò)串口電路接受RFID標(biāo)簽信息采集器采集的數(shù)據(jù)信息，然后將采集上來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并通過(guò)無(wú)線射頻部分發(fā)送。微控制器的P0_0連接RFID標(biāo)簽信息采集器，接受動(dòng)車(chē)組裝配生產(chǎn)線上關(guān)鍵裝配部件標(biāo)簽信息；CC2530微處理器模塊通過(guò)控制OLED顯示模塊，以顯示標(biāo)簽信息數(shù)據(jù)；通過(guò)外接32M晶振，以滿(mǎn)足無(wú)線通信的高速率要求；為了增大無(wú)線發(fā)射功率以滿(mǎn)足長(zhǎng)距離通信的要求，CC2530微控制器模塊連接了CC2591功率放大電路。

圖2　CC2530微控制器模塊Fig.2CC2530 microcontroller module

1.3功率增強(qiáng)模塊設(shè)計(jì)

CC2591作為射頻前端芯片，主要負(fù)責(zé)無(wú)線通信電路中從天線到CC2530RF端口的鏈路功能，包括接收部分信號(hào)處理和發(fā)送部分的功率放大。作為發(fā)射端時(shí)，CC2591就像CC2530內(nèi)無(wú)線收發(fā)器的發(fā)射鏈路的外部加了一級(jí)功率放大器，其發(fā)射功率可由CC2530結(jié)合軟件實(shí)現(xiàn)由0 dBm到22 dBm調(diào)節(jié)。作為接收端時(shí)，CC2591內(nèi)部的LNA使得CC2530內(nèi)部收發(fā)器前端增加一級(jí)低噪聲放大器，通常CC2591內(nèi)部LNA都工作在該增益，可有效抑制系統(tǒng)噪聲系數(shù)NF，大大改善系統(tǒng)的接收靈敏度。圖3為CC2591功率增強(qiáng)模塊電路圖。

圖3　CC2591功率增強(qiáng)模塊電路圖Fig.3The diagram of CC2591 power enhancement module circuit

2　監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)軟件的設(shè)計(jì)

2.1生產(chǎn)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)程序設(shè)計(jì)

生產(chǎn)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)程序設(shè)計(jì)主要包括協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，協(xié)調(diào)器作為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的核心主要負(fù)責(zé)ZigBee網(wǎng)絡(luò)組建、維護(hù)控制終端節(jié)點(diǎn)的加入和數(shù)據(jù)的處理等。其工作過(guò)程是：上電待硬件軟件初始化后，MCU和RF收發(fā)器使能，當(dāng)收到節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò)信息后，協(xié)調(diào)器便會(huì)分配一個(gè)網(wǎng)絡(luò)地址給該節(jié)點(diǎn)，構(gòu)成新的網(wǎng)絡(luò)［1-2］協(xié)調(diào)器的程序流程如圖4。

在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，路由器和終端節(jié)點(diǎn)都作為協(xié)調(diào)器的子節(jié)點(diǎn)，路由器和終端節(jié)點(diǎn)上電按照協(xié)調(diào)器的初始化過(guò)程后，子節(jié)點(diǎn)發(fā)送入網(wǎng)申請(qǐng)，路由器的入網(wǎng)過(guò)程和終端節(jié)點(diǎn)的相同。路由器入網(wǎng)成功后，一直等待終端節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)信息，接收到數(shù)據(jù)信息后，路由器則將動(dòng)車(chē)組裝配生產(chǎn)上的設(shè)備標(biāo)簽信息無(wú)線傳輸給協(xié)調(diào)器。終端節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)成功后，若有標(biāo)簽進(jìn)入RFID標(biāo)簽信息采集模塊天線采集范圍內(nèi)，則終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理和發(fā)送，數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，進(jìn)入休眠模式。路由器和終端節(jié)點(diǎn)的程序流程如圖5。

圖4　協(xié)調(diào)器流程圖Fig.4The flow chart of coordinator

圖5　路由器和終端節(jié)點(diǎn)流程圖Fig.5The flow chart of routers and terminal node

2.2監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)構(gòu)建

為了在動(dòng)車(chē)組裝配生產(chǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，降低無(wú)線傳輸中誤碼率，保證ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性、可靠性和有效性。本文在設(shè)計(jì)幀結(jié)構(gòu)時(shí)，將監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的命令信息和數(shù)據(jù)信息合為一幀數(shù)據(jù)，采用常用的16進(jìn)制、8個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度的幀結(jié)構(gòu)［3-6］。其幀格式如表1所示：

表1　數(shù)據(jù)幀格式Tab.1 Data frame format

1）幀頭：占用兩個(gè)字節(jié)，分別為幀頭高8位和低8位。高8位為AAH，低8位為55H。

幀頭占用兩字節(jié)是由于動(dòng)車(chē)組裝配生產(chǎn)線占地面積較大，數(shù)據(jù)信息在無(wú)線傳輸過(guò)程中易發(fā)生誤碼，采用兩個(gè)字節(jié)的幀頭，可以保證在無(wú)線通信中每一幀的數(shù)據(jù)同步，提高了接收每一幀數(shù)據(jù)的可靠性。

2）命令信息：占用一個(gè)字節(jié)，主要是對(duì)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)功能進(jìn)行控制，比如信道的選擇，數(shù)據(jù)的顯示等等。

3）RFID關(guān)鍵部件信息位：占用兩個(gè)字節(jié)，分別為地址的高8位和低8位。地址范圍0000H—FFFFH。

RFID關(guān)鍵部件信息位占兩個(gè)字節(jié)。每個(gè)編號(hào)代表動(dòng)車(chē)組裝配生產(chǎn)線上的關(guān)鍵部件，如：0001H表示裝配生產(chǎn)線一號(hào)關(guān)鍵部件編號(hào)，0002H表示裝配生產(chǎn)線二號(hào)關(guān)鍵部件編號(hào)，以此類(lèi)推等。

4）CRC校驗(yàn)位：占用兩個(gè)字節(jié)，提高了檢錯(cuò)能力，保證在動(dòng)車(chē)組生產(chǎn)線特殊環(huán)境下?tīng)顟B(tài)信息數(shù)據(jù)有效性和準(zhǔn)確性。

3　通信測(cè)試及結(jié)果分析

3.1模擬動(dòng)車(chē)組生產(chǎn)線監(jiān)測(cè)測(cè)試

使用自主研制的3個(gè)生產(chǎn)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)分別為協(xié)調(diào)器（匯聚節(jié)點(diǎn)），路由器和終端節(jié)點(diǎn)，模擬動(dòng)車(chē)組裝配生產(chǎn)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，為了更直觀判監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)組建網(wǎng)絡(luò)的可靠性，將協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)采用USB串口與上位機(jī)PC相連，使用串口助手軟件捕捉協(xié)調(diào)器監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)接收到的數(shù)據(jù)信息。其串口捕捉到的數(shù)據(jù)如圖6所示。

圖6　串口數(shù)據(jù)捕捉圖Fig.6Serial data capture

在生產(chǎn)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)上采集到的標(biāo)簽信息與實(shí)際標(biāo)簽信息相比幾乎不存在采集錯(cuò)誤，系統(tǒng)采集標(biāo)簽信息準(zhǔn)確率高，滿(mǎn)足使用要求，且網(wǎng)絡(luò)傳輸過(guò)程中幾乎不會(huì)引入誤差。

3.2生產(chǎn)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)傳輸距離及可靠性測(cè)試

傳輸距離的測(cè)試方法是采用兩個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)分別作為監(jiān)測(cè)終端和協(xié)調(diào)器進(jìn)行測(cè)試，然后測(cè)量得出最遠(yuǎn)通信距離。協(xié)調(diào)器監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)固定不動(dòng)，監(jiān)測(cè)終端節(jié)點(diǎn)逐漸遠(yuǎn)離，直到協(xié)調(diào)器監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)接收不到數(shù)據(jù)為止，在沒(méi)有明顯障礙物遮擋的情況下，兩個(gè)生產(chǎn)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的最大可視距離可達(dá)800 m，符合生產(chǎn)線監(jiān)控的應(yīng)用要求。

可靠性的測(cè)試方法是采用3個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)分別作為監(jiān)測(cè)終端、路由器和協(xié)調(diào)器進(jìn)行傳輸，3個(gè)節(jié)點(diǎn)放置的距離約為300 m，100個(gè)帶有不同信息的RFID標(biāo)簽每隔2 s經(jīng)過(guò)終端監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，通過(guò)察看協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)包的數(shù)量與RFID標(biāo)簽個(gè)數(shù)判斷是否發(fā)送丟包現(xiàn)象。測(cè)試結(jié)果如圖7所示。

圖7　測(cè)試結(jié)果分析圖Fig.7The chart of test results analysis

4　結(jié)束語(yǔ)

本文描述了基于ZigBee技術(shù)的動(dòng)車(chē)組裝配生產(chǎn)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)與具體實(shí)現(xiàn)方式。測(cè)試結(jié)果顯示，本文設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于操作；設(shè)計(jì)的CC2591功率增強(qiáng)電路大大提高了ZigBee網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，增強(qiáng)了抗電磁干擾能力，減少了數(shù)據(jù)傳送中的丟包率；驗(yàn)證了本文所提出的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議可靠性高，數(shù)據(jù)信息傳輸過(guò)程中的誤碼率低。

通過(guò)監(jiān)測(cè)動(dòng)車(chē)組裝配生產(chǎn)線不但為動(dòng)車(chē)組客車(chē)廠提供全面的、實(shí)時(shí)的、準(zhǔn)確的生產(chǎn)線監(jiān)測(cè)信息，而且通過(guò)分析監(jiān)測(cè)信息知?jiǎng)榆?chē)組每個(gè)關(guān)鍵部件安裝所需的時(shí)間及存在的問(wèn)題，為動(dòng)車(chē)組客車(chē)廠優(yōu)化生產(chǎn)線作業(yè)流程，提高生產(chǎn)效率提供了可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)，為我國(guó)高速動(dòng)車(chē)組的裝配生產(chǎn)發(fā)展，有著更深遠(yuǎn)的實(shí)際意義。

［1］瞿雷，劉盛德，胡咸斌.ZigBee技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007：227.

［2］高文華，康琳，柴婷婷，等.基于ZigBee的溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)］［J］.電子測(cè)量技術(shù)，2008，31（10）：122-124. GAO Wen-hua，Kang Lin，Chai Ting-ting.Temperature and humidity system based on ZigBee［J］.Electronic Measurement Technology，2008，31（10）：122-124.

［3］張舸，劉利強(qiáng)，周細(xì)義，等.IEEE 802.15.4協(xié)議的性能分析與仿真［J］.電子技術(shù)，2011（5）：76-78. Zhang Ge，Liu Li-qiang，Zhou Xi-yi，Yan Zhen-yan. PerformanceofIEEE802.15.4protocolanalysisand simulation［J］.Electronic technology，2011（5）：76-78.

［4］Tekkalmaz，Metin，Korpeoqlu，lbrahim.PSAR：Powersource-awareroutinginZigBeenetworks［J］.Wireless Network.2012，18（6）：635-65.

［5］潘浩，董齊芬，張貴軍，等.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)TinyOS［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2011.

［6］李文仲，段朝玉.ZigBee 2007/PRO協(xié)議棧與實(shí)踐［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009.

Design of ZigBee-based monitoring node for EMUs production line

SHEN Wei，QI Di，ZHANG He，ZHANG Mei-ting
（College of Electrical Engineering and Information，Dalian Jiaotong University，Dalian 116028，China）

At present，the EMU assembly line monitoring mostly uses the combination of cable monitoring and artificial monitoring which is semi-automated，but in this way the problems are difficult routing，node-fixed，high-cost，poor real-time effect.In response to these problems，we designed a fully automated EMU assembly line monitoring nodes based on ZigBee，with the definition of the network nodes'program and data transmission frame structure，and the design of CC2591 chip increases the RF power of monitoring node.The designed monitoring nodes not only expand the coverage of the ZigBee network to improve the anti-interference ability，but also better resolves wiring difficulties and poor real-time problems under special circumstances of EMU production line，and meet the requirements of the node layout flexibility，data stability，and reliability，in line with EMU assembly line monitoring needs.

assembly line；fully automated；ZigBee；flexible layout；data stability

TN92

A

1674-6236（2015）20-0144-04

2015-01-09稿件編號(hào)：201501072

遼寧省博士科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目（20141108）

沈?。?989—），男，遼寧大連人，碩士研究生。研究方向：無(wú)線通信及其關(guān)鍵技術(shù)。