鐵道用ZigBee限速信息采集系統設計

卿珊　李建才

【摘要】 論文提出一種基于ZigBee技術的列車限速信息采集系統的設計思路，且對信息采集系統的硬件和軟件分別進行了詳細設計，該設計思路能夠實現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。系統主要以射頻芯片CC2530為核心，構建了一款低功耗的ZigBee短距離無線通信系統。閱讀器單元通過ZigBee技術能夠實時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的步伐，大力發展電力牽引技術，積極引進先進技術，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節，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水平，稍有疏忽將直接危及行車安全[1]。基于此，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、架構簡單的短距離無線通信技術，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、結構簡單、耗電量小等特點，使得利用ZigBee技術組成的網絡具備省電、可靠、成本低、容量大、安全、自愈性強等諸多優勢。因此，本限速信息采集系統的實現將具有良好的實際經濟效益。

一、系統硬件設計

系統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構是一樣的，他們之間通過ZigBee無線通信協議進行短距離通信，通過ZigBee技術，閱讀器可以在一定范圍內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米的鍍銀高品質饋線組成。

1.3 電源模塊

電源部分是整個系統正常工作的保證，如果電源部分出現故障，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通信的低功耗收發器，每個器件中都具有一個驅動器和一個接收器）和芯片6N137（高速光電耦合器）組成的電路來完成串口轉換功能的，以便于后續調試的進行。信號采集通常是模擬電路和數字電路的混合體，其中模數變換是不可缺少的，模擬電路和AD變換電路決定了系統的信噪比，在鐵路系統這種惡劣的環境下干擾比較多，為了保證通信的穩定性，采用6N137將模擬電路及AD變換器和數字電路徹底隔離。

二、系統軟件設計

在該系統下，閱讀器屬于可移動ZigBee模塊，考慮低功耗、數據傳輸安全性等因素，閱讀器的工作模式設計為：每隔30ms定時發送查詢命令，并且自動切換到接收狀態等待標簽的回復；標簽收到請求信息后會將標簽信息發送給閱讀器。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據進行封裝成處理器需要的格式發送給處理器，同時向該標簽發送滅活命令。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、結論

本文提出了基于ZigBee技術鐵道臨時限速系統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絡節點的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的詳細設計，使得整個系統中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提供了可靠的技術保障。

參 考 文 獻

[1] 金輝. 基于RFID技術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無線網絡技術入門與實踐[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網絡節點設計[J]. PLC & FA，2011：97-99