鐵路物資押運防盜報警探測系統的設計

孫長國，戴 楠，劉志宏

（92117部隊，后勤信息化建設研究室，北京100072）

目前，鐵路軍用物資押運一般采用人員看管的模式實現全程安全保障，押運條件差，費用成本高，且存在安全隱患。研制一種實時性好、信號傳輸可靠性強的物資押運防盜報警探測裝置，使押運人員實時獲知運輸車輛車門狀態，以便對異常狀況及時做出反應，克服以往只有在事后發現貨物被盜而追查的被動性，從而保障運輸物資安全，降低人員工作強度，是十分迫切和必要的。

1 系統設計需要解決的關鍵問題

物資押運防盜報警探測系統，實際是一個以無線傳感器網絡為核心的電子鎖系統。設計以現有無線通信技術標準為依據，使用全球通用的免申請通信頻段。系統設計需要解決以下關鍵技術問題：

（1）長距離傳輸，克服金屬影響

鐵路棚式貨車均為鐵制，滿掛時達數百米，因此，要求無線通信能夠長距離傳輸數據，并能有效克服金屬（列車車體）的影響。金屬對于無線通訊的影響非常大。能否有效克服金屬影響是實現整套系統自動傳輸的關鍵，因為它直接關系到各個電子鎖之間的組網性能。

（2）長期免維護使用

物資押運周期長，要求電子鎖長期免維護使用，并能將自身的電池使用情況發送到手持終端，一旦電量過低，可以自動報警。

2 系統結構及工作原理

系統設計由3部分組成：電子鎖、協調器及手持終端。其中協調器內置在手持終端內部，通過串口完成數據與信息交互。系統工作示意圖如圖1[1]：

圖1 系統組成及工作原理

系統的工作流程為：在整套系統完成部署后，手持終端向協調器發布組網命令。按SimpliciTI協議完成組網，各個電子鎖將自身狀態信息發送至協調器，協調器將數據發送至手持終端完成顯示。若某個電子鎖被破壞，則系統報警，從而實現了列車車門狀態的實時監控。

3 電子鎖關鍵技術

電子鎖是機電一體化技術的典型應用。在狹小的空間內集成了控制板、機械鎖以及電池等模塊。電子鎖的研制采用物理鎖與射頻識別（RFID）組件的混合形式，使用協調器及手持終端接收電子鎖的信號并進行分析，從而實現整個系統的自動監控與報警。

3.1 機械鎖與無線智能模塊一體化設計技術

電子鎖節點是該網絡的基本單元。電子鎖的研制采用物理鎖與無線智能模塊相結合的形式，通過微控制器實現物理上鎖、開鎖與狀態監測。電子鎖組成框圖如圖2。

模塊電路設計自始至終都要求體積小、功耗低，但傳統的無線傳送設計方案大多電路繁瑣、調試困難、且所需的外圍器件較多，從而限制了系統的應用。所設計電子鎖硬件電路由主控芯片MSP430F2232單片機、射頻芯片CC1100、串口通信模塊、時鐘單元、鎖具驅動電路、鎖狀態檢測器以及供電單元組成。

低功耗模塊的設計首先是微控制器的選擇，除了要考慮功能和開發環境外，特別要關注單片機本身的功耗和提供的節能措施。本設計采用MSP430F2232單片機，它是專門為低功耗系統而研制的新型16位單片機，具有LMP0~LMP4 5種低功耗模式，其供電電壓可以在1.8 V～3.6 V范圍內變化；主頻可以由內部的DCO（最高達16 MHz）和外接的32.768 KHz晶振自由切換，中斷喚醒時間更是降到了1us，即降低了系統功耗又可以對硬件請求和事件做出快速反應。另外，MSP430F2232單片機具有豐富的外圍接口電路，如2組16位定時器、I2C/UART/SPI、片內Flash、看門狗電路等，大大簡化了無線模塊的外圍電路設計[2]。

圖2 電子鎖電路原理框圖

無線接收與發射芯片是本模塊的主要部件，選用最新的無線射頻芯片CC1100來實現無線信號的收發[3]。CC1100是一款真正的低成本、低功耗、單片的UHF無線收發器。工作電壓為1.8 V~3.6 V，有64字節的RX和TX數據FIFO，支持FSK、MSK等不同的調制格式，頻率穩定性極好，具有較強的抗干擾能力；其數據傳輸率可達500 Kbps；該芯片功耗極低，發送模式時，僅需30 mA以下，接收狀態時僅需15 mA左右。在發射狀態下，其發射功率可編程調節，其最大發射功率達到10 dBm[4]。

其它電路設計方面，驅動電路完成對步進電機的驅動，實現開鎖、關鎖自動化；鎖狀態檢測主要包括鎖開關信息、電池電量等。AP、RE或者ED在硬件上基本相同，只是運行的軟件不同而已，AP因需要與手持終端通信，只要增加一個串口通信模塊即可。

3.2 電子鎖組網協議

無線傳感器網絡WSN由部署在檢測區域內的大量、廉價、微型、節能傳感器節點組成，通過無線通信方式自我形成網絡系統，其主要目的是協同地感知、采集和處理網絡覆蓋區域中感知對象的信息，接收命令并與控制中心交換有關的信息[5]。目前，ZigBee協議是一種新興的短距離、低速率的無線網絡技術。主要用于近距離無線連接。它有自己的協議標準，在數千個微小的傳感器之間相互協調實現通信。主要工作在868 MHz、915 MHz和2.4 GHz頻段，在國內，只能工作在2.4 GHz頻段，這就帶來了2個問題：（1）頻率高，繞射性能差，對于大規模倉庫應用容易形成遮擋，導致通信中斷；（2）頻段擁擠，WIFI、藍牙等均工作在此頻段，容易受到干擾。因此，各個電子鎖節點首先面臨的問題是采用何種組網模式。

SimpliciTI 網絡協議專為簡單的 RF 網絡而設計，對適合網狀路由與標準化配置的大型網絡的 ZigBee 而言是一種很好的補充。SimpliciTI協議可以工作在433 MHz頻段。因波長較長，繞射能力增加，能夠克服金屬影響，滿足鐵路列車無線通信的需要。該協議可以提供3種設備，既數據中心AP、終端節點設備ED和范圍擴展器RE，構成如圖3：

圖3 SimpliciTI協議設備示意圖

數據中心AP：也稱為匯聚節點。是無線傳感器網絡的中心節點，負責網絡的發起，拓撲的形成與維護，網絡數據的匯集與處理，與手持終端的通信與信息交互。

電子鎖終端節點ED或RE：主要負責電子鎖狀態數據的采集，并將數據傳輸到匯聚節點；中繼其它節點的信息，實現路由功能。

在SimpliciTI 網絡協議棧的基礎上進行軟件設計，能夠簡化編程工作，并盡可能降低微控制器的資源占用。該協議能“開盒即用”地在CC1110/CC2510等片上系統上運行。最新SimpliciTI 網絡協議將支持客戶開發超低功耗系統，因此軟件設計相對容易。

3.3 程序設計

系統軟件設計易移植、可復用、能夠適應不同硬件平臺的軟件系統，才能更好地滿足無線監控報警系統的升級、改造等需求。MSP430的內核CPU結構是按照精簡指令集和高透明指令的宗旨來設計的，使用的指令有硬件執行的內核指令和基于現有硬件結構的高效率的仿真指令。本系統軟件開發采用專門用于MSP430系列單片機而設計集成開發環境IAR Embedded Workbench，編程采用C語言，使得系統設計十分方便[6]。程序設計采用中斷方式為主的設計模式。主程序完成相應的設置和初始化后，其它任務都有中斷服務程序去完成。程序共分為主控程序、初始化模塊、串口通信模塊、射頻模塊、定時器模塊、看門狗等輔助模塊幾個部分組成，這里給出了AP（協調器）設備程序設計流程圖，如圖4：

圖4 軟件總體流程圖

4 試驗

電子鎖采用鋰電池供電，電池容量為2Ah。待組網狀態時，工作電流為27.5mA，組網狀態下，電子鎖平均工作電流為2.2 mA，開關鎖，需要驅動步進電機，電流為250 mA。經功耗測試，電子鎖系統可自動運行20余天，完全滿足鐵路運輸寶報警監控的要求。試驗條件為室外開闊地，每隔20m布置一把電子鎖，順次排列，電子鎖編號為1，2，3，4。圖5給出了監控設備顯示電子鎖的狀態圖。綠色表示該電子鎖處于正常狀態，白色表示電子鎖被破壞。經測試，系統報警時間為3s，為押運人員提供了及時快速的報警信息。

圖5 電子鎖監控狀態圖

5 結束語

基于MSP430F2232單片機和CC1100無線射頻芯片構成的鐵路物資押運防盜報警探測系統，解決了傳統門鎖防盜能力差的問題。電子鎖采用緊湊型結構設計，將控制電路、機械鎖以及供電單元都集成到鎖體，結構簡單，操作方便，實時性很高，并采用SimpliciTI協議組建了智能監控網絡。具有通信距離遠、成本低、通用性強、可靠性好、操作靈活簡單的特點。適于鐵路運輸防盜報警的應用，具有很好的發展前景。

[1] 刁雪慧，徐德民，張福斌. 無線傳感器網絡節點的設計[J] .機械與電子，2008（5）：65-67.

[2] MSP430X2XX User Guide[R] . Texas Instruments. Feb. 2004.

[3] 魯照權，劉 芳，黃梅初. 基于射頻收發芯片CC1100的TPMS[J] . 電子工程師，2008，34（3）：65-69.

[4] 孫維明，石江宏，陳岳林. 可編程RF收發器CC1100的原理及開發[J] . 國外電子元器件， 2007（9）：40-42.

[5] 李鴻劍. 無線傳輸技術在列車安全監控方面的應用[J] . 鐵路計算機應用，2005，14（9）：60-63.

[6] 胡大可. MSP430系列單片機C語言程序設計與開發[M] .北京：航空航天大學出版社，2003.