基于ZigBee網絡的智能鐵鞋系統設計

2012-08-13 08:13:12鄭云水

電子技術應用 2012年12期

馬飛，鄭云水

（蘭州交通大學自動化與電氣工程學院，甘肅蘭州 730070）

在鐵路車站，鐵鞋是停車防溜的必要設施，在停車后是否放置到位直接關系到車輛是否能夠安全防溜，而是否全部取出關系到列車發車的安全。一直以來，由于鐵鞋的領取、安放、取出、還回這4個主要操作過程都是通過人工操作來完成的，各級管理人員無法及時判明鐵鞋是否處于安全狀態[1]。近年來市場上出現一種帶有無線傳輸模塊的智能鐵鞋，將鐵鞋的基本狀態通過無線方式直接發送到控制室。但是傳統的無線模塊是點對點的直接傳輸，這種傳輸方式抗干擾能力差、安全性低、傳輸距離受其發射功率及頻率等影響不能完全滿足現場需求。

為了解決上述問題，本文提出采用基于ZigBee的新型無線網絡代替傳統的無線模塊的設計方案。該方案具有無線自組網(為了能夠實現傳輸接力)、抗干擾能力強、傳輸效率高、低功耗、通信內容加密等優點[2]。

1 系統的總體設計方案

基于ZigBee網絡的智能鐵鞋系統是一種新型的鐵鞋定位與安全管理系統。該系統通過在傳統鐵鞋上加裝基于ZigBee網絡的數傳模塊，實現對鐵鞋狀態的實時監控。ZigBee數傳模塊分為兩種：一種是裝在鐵鞋上，具有采集鐵鞋實時狀態和傳輸采集數據的功能，稱為采集器；另一種是位于控制室的協調器，具有建立和維護系統網絡以及收發數據和連接上位機的功能[3]。系統框架如圖1所示。

2 硬件設計

2.1 采集器

采集器的結構圖如圖2所示，由CC2530單片機、CC2591功率放大芯片組成采集器核心板；壓力傳感器、輕觸開關S1、S2及電源組成采集器擴展板。兩者通過接口插在一起，便于后期系統的升級及軟硬件調試，并可提高整個系統的通用性。對其略加改造就能適合其他項目的開發，從而大幅度地降低了研發成本和縮短研發周期。

2.2 協調器

協調器端的硬件框圖如圖3所示。該部分用來建立和控制ZigBee無線網絡，并將從采集器反饋的數據通過USB接口直接輸入到PC機中供上位機軟件(智能鐵鞋管理系統)分析與管理。

本設計采用美國 TI公司生產的 CC2530、CC2531作為主控芯片，該芯片是傳統CC2430的升級版，它基于8051內核，擁有 8 KB的 RAM、256 KB（最多）的 Flash內存，其點對點傳輸速率最高可達250 Kb/s[4]。其整個系統抗干擾能力強，能符合現場復雜多變的要求。

為了進一步提高ZigBee網絡的覆蓋范圍，采用CC2591作為信號放大器件，將傳統的75 m點對點傳輸通信距離擴展到1 km以上，再加上ZigBee網絡傳輸的網絡接力性，使其整個無線網絡的覆蓋范圍滿足現場需求。采集器核心板電路圖如圖4所示。

為了檢測車輪是否良好地壓在鐵鞋表面（防止鐵鞋被擠飛），采集器的壓力傳感器采用LAE-D型壓力傳感器，將壓力變化引起的惠斯通電橋不平衡電壓通過高精度儀用放大器AD620AR放大輸出到CC2530的P0_0口；把電源的供電電壓通過放大器件AD705JR輸出到P0_1口，與P0_0口的輸入形成差分放大從而減小共模影響。其中，AD620AR的放大倍數由RG變阻器控制，其放大倍數G=49.4 kΩ/RG+1。為了不使其輸出電壓超過CC2530的 AD端口(P0_0)，輸入電壓的最高值取 3.3 V。當壓力傳感器滿量程時，惠斯通電橋的差分輸出電壓公式為V0=V+-V-=2 mV/V×5 V=0.01 V，因而放大倍數不得高于 330倍，RG最小可為 150 Ω。在現場復雜多變的情況下，車輪對鐵鞋的壓力有可能遠遠超過壓力傳感器的測量范圍。為了解決這一問題，可以在鐵鞋機械設計時考慮采用杠桿原理。通過調節杠桿臂長來調節車輪對壓力傳感器的沖擊力，使其在額定范圍內工作。壓力傳感器電路圖如圖5所示。