鐵路車輛檢修調車自動探測報警裝置設計

鐘璐遠

摘 要：設置和實現一種基于ZigBee通信技術的調車自動探測報警系統[1]。采用集成射頻微處理器芯片CC2530作為核心無線傳輸模組，基于Z-stack協議棧的ZigBee結合壓力傳感器部署在鐵路中作為數據采集節點，將信息無線傳輸，最終實現鐵路貨車遠程多點調車自動報警功能。

關鍵詞：ZigBee；壓力傳感器；調車；CC2530

中圖分類號：U279.3 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）30-0097-02

Abstract： This paper intends to set up and implement a shunting automatic detection and alarm system based on ZigBee communication technology. The integrated RF microprocessor chip CC2530 is used as the core wireless transmission module. The Zigbee based on the Z-stack protocol stack and the pressure sensor are deployed in the railway as the data acquisition node to transmit the information wirelessly. Finally， the automatic alarm function of remote multi-point shunting for railway freight cars is realized.

Keywords： Zigbee； pressure sensor； shunting； CC2530

引言

鐵路貨車車輛檢修過程中，調車作業信號報警采用的是人工控制模式，由作業人員人工判斷作業狀態，手動控制廣播警報系統，實現廣播語音警報和軌邊警報燈閃爍，達到預警效果。然而，現行控制系統，常常出現信號延遲、傳輸故障等問題，這對高風險的調車作業造成了一定的安全隱患。目前，較為先進的軌道電路主要用于工務、車站、地鐵等主要使用單位，其成本高、投入大、功能復雜，而在鐵路貨車車輛檢修調車作業過程中，需要設置一種單一區域聯網、廉價實用的調車自動探測報警裝置。

本文借鑒軌道電路的工作原理結合貨車檢修實際作業環境，采用ZigBee無線組網技術取代人工控制的傳統模式。壓力傳感器感知車輪通過壓力信息，通過無線傳輸，實現調車自動探測報警。

1 整體架構設計

系統主要由采集、傳輸和控制節點組成，并采用Z-stack無線網絡通信方式。

部署在軌道的壓力傳感器將現場工作狀態的壓力值轉換成對應的電壓或電流信息，通過CC2530通信模塊傳送到無線數據采集器。傳輸節點通過點播的方式連接采集節點和控制節點。當數據通過傳輸節點，傳輸節點將會解析數據，通過閾值判斷是否需要傳輸警報信息到控制節點。控制節點主要通過繼電器實現小電壓控制大電壓，達到啟動報警裝置，如圖1結構圖所示。

2 硬件平臺設計

2.1 無線傳輸模組設計

硬件系統使用TI公司的CC2530作為無線傳輸器件，CC2530中集成8051 CPU，8-KB RAM，可編程閃存，硬件小而輕，標準2.54引腳接口。硬件可工作于2.4GH頻段，無限傳輸速率最高可以達到250kbps，自主添加2.4G天線，傳輸有效距離250米，并支持重連距離達110米，采用低電壓供電，待機電流僅消耗0.2A，電池供電可達6個月，CC2530具備良好的靈敏性和抗干擾能力，適合于鐵路檢修等環境復雜的現場中。

ZigBee技術是一種應用于短距離數據傳輸速率低的電子設備的無線通信技術[2]。采用IEEE802.15.4標準的低功耗個域網協議其特點是低數據速率、低復雜度、近距離、低功耗、低成本、自組織。在自動化控制領域和遠程無線控制領域，ZigBee技術都擁有很好的契合度，并且還可以嵌入到各種設備上使用。

本系統采用集成化單片機+ZigBee模組，作為采集節點。

2.2 壓力傳感器

由兩個聚酯薄膜組成的標準RFP壓力傳感器，其中有導體和半導體。如果有外力作用于傳感點，壓力傳感器的電阻值會隨外力的變化而變化。當壓力變為零時，阻力值達到最大值。壓力越大，阻力值越小。在鐵路軌道上部署差異性密度傳感器節點，取得不同的空間分辨率。不同的傳感器面積能夠得到的壓力值不同從而滿足鐵路檢修出車報警功能所需的壓力信息。

2.3 繼電器模組設計

在鐵路貨車車輛維修中，電壓普遍較高，需要通過ZigBee+繼電器無線傳輸實現小電壓控制高電壓這里使用繼電器。本系統采用的繼電器是一種模擬的電器控制器件，繼電器中存在一個電磁鐵，當輸入的激勵量達到了預定的閾值后，這將激勵電磁鐵發生跳變，使觸點從常閉變為常開狀態，繼電器相當于一個自動開關，實現小電流控制大電流[3]。

3 系統軟件設計

3.1 程序總體設計

在鐵路貨車車輛檢修過程中，環境復雜，本系統采用點播組網的形式進行傳遞數據，即使一條線路損壞不會影響到其他線路。

ZigBee+壓力傳感器部署在檢修貨車軌道出口，作為數據采集節點。ZigBee+協調器通過點播的形式進行數據傳輸。ZigBee+報警器作為控制節點，當接受到協調器傳遞的數據后，將通過啟動繼電器打開高電壓報警器從而實現報警功能。

3.2 采集和控制程序設計

打開采集、傳輸、控制節點電源后，系統將會初始化，首先采集終端和控制終端會通過信道掃描尋找協調器，一旦存在協調器與終端節點處于同一PID下，則加入網絡成功，形成無線傳感器網絡。如果終端節點沒有處于休眠狀態即存在事件處理信息，采集節點將通過無線網絡發送給協調器，協調器會通過閾值壓力判斷是否傳輸信息到控制節點，如果處于休眠狀態則需要等待休眠時間結束收到信號后才去處理事件，如圖2所示。

3.3 協調器程序設計

由于本系統只會收集壓力傳感器且一條線路存在一個傳感器，因此選擇點播的方式。協調器節點創建網絡的流程，在系統上電后，協調器會對硬件和燒寫的協議棧程序進行初始化工作，準備好信道然后實時掃描是否有子節點加入網絡。只要協調器收到了終端節點的入網請求，就會對終端節點進行數據的驗證，如果節點合法則允許加入網絡并分配地址，協調器這時能夠接受終端節點上傳的各類數據。

4 結束語

本系統依據鐵路貨車車輛檢修中調車存在的風險提出基于ZigBee的無線網絡傳輸技術，通過壓力傳感器的數據提示報警撤離，規避檢修施工的風險。同時自組網模式適合貨車檢修等復雜的現場環境，且具有低功耗、布線簡單等特點。相信未來幾年，ZigBee無線網絡技術能夠廣泛地應用于視頻監控、工業控制、定位監測等領域。

參考文獻：

[1]楊曉明.基于ZigBee技術的智能家用燃氣報警系統[D].哈爾濱理工大學，2012.

[2]王東恩.基于ZigBee的無線網絡技術及其應用[J].硅谷，2012.

[3]何龍.基于PIC單片機的自動化測試系統設計[D].華中師范大學，2013.

[4]槐黨社.鐵路調車作業安全問題分析[J].科技創新與應用，2016（22）：286.