長大物流機車低功耗無線安全監測系統設計與實現

譚剛林，肖遼亮

摘要：在現代物流中，經常需要運送異形超常規的“超限超重貨物”，無法采用標準的集裝箱進行運輸。這類異形大貨物對貨物的安裝及車輛有特殊要求，尤其對安全性要求性極高，需要對載重長大貨車運輸過程中進行均載檢測及全程技術監測，現有技術基本上需要每趟運輸要一次性安裝、使用、拆卸。本文是基于一種低成本、低功耗的長大物流車無線安全監測系統，采用Zigbee組網采集單點數據信息，stm32f407單片機來進行數據處理，后臺可以實時查看車輛狀態。

關鍵詞：物流車;低功耗;Zigbee;監測系統;STM32

中圖分類號：TP391? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）19-0020-03

隨著國際分工與協同合作發展越來越緊密，物流運輸成為促進經濟發展的重要環節，重載長大貨物運輸已被國際公認為鐵路機車物流貨運發展的方向，成為世界鐵路物流發展的重要方向之一。我國眾多重點工程項目實施過程中，越來越多的特別笨重龐大的關鍵設備貨物需要通過使用專門的長大物流機車來運輸，例如變壓器、發電機等。鐵路長大物流機車作為物流大型設備運輸的主要載體，承擔著繁重的國家重點建設運輸任務，已在國民經濟建設中有著十分重要的地位和作用。

目前國際上，對長大物流機車運輸過程中的檢測，主要有貨車故障軌邊圖像檢測系統（簡稱TFDS）、IMC數據采集系統。TFDS運用停留在人工看圖檢車識別故障方式，動態檢車人員工作量大，作業質量難以保障，制約了TFDS作用的發揮;IMC數據采集系統是德國IMC集成測控公司德國集成測控有限公司（Integrated Measurement & Contr01）生產制造的智能數據采集系統IMC數據采集系統的特點是多方式、高速度的數據采集及傳輸;多臺儀器可同時在一個任務中使用，測試通道可不受限制;通過局域網絡進行數據傳輸，每臺儀器的位置可不受限制;多臺儀器可進行時鐘同步，保證數據采集同步。該方案對大長物流機車安全監測需要一次性安裝、使用、拆卸等特殊要求的適應不強。

本文提出一種基于Zigbee技術的低成本、低功耗的長大物流車無線安全監測系統。

1 系統設計

當前常用的無線傳輸技術主要有Wi-Fi、Zigbee和藍牙，從傳輸距離上來看，Wi-Fi>Zigbee>藍牙;從傳輸速度上來看，Wi-Fi>藍牙>Zigbee;從功耗上來看，Wi-Fi>藍牙>Zigbee。綜合考慮安全監測信息采集Zigbee無線網絡進行數據傳輸，每個車廂布置10個信息采集節點，其中圖像信息采集節點2個，壓力信息采集節點4個，傾角信息采集4個。再布置一個路由器節點收集整個車廂的數據。每個車廂的路由器將數據上傳至Zigbee協調器，協調器統一將每個節點的信息送到主控器進行處理，主控器將處理結果信息通過移動通信網絡上傳至主監控器，也可以通過移動通信設備實時進行監控。系統結構如圖1所示。

2 節點電路設計

2.1 圖像采集節點

在每個車廂的左前方和右后方分別安裝一個圖像采集節點。圖像采集節點采用TI公司的CC2530驅動OV7670圖像傳感器來采集圖像，由于CC2530的內存較小，速度較慢，為了提高效率，將OV7670的圖像數據先存儲在幀緩存芯片AL422B中，然后CC2530通過SCCB總線再來讀取AL422B中的緩存數據，總體的設計原理圖如圖2所求。

CC2530芯片是德州儀器公司（Texas Instruments）研發生產的內帶8051CPU和ZigBee通信模塊的芯片。基于2.4GHz頻段，符合IEEE 802.15.4 標準和 RF4CE協議。該芯片最大的特點是用很少的硬件構建出高可靠的Zigbee網絡節點，簡單方便地構建出Zigbee網絡。CC2530 芯片內部集成射頻收發器、增強型8051CPU 、可編程閃存、8KB 隨機存取存儲器和其他功能強大的模塊。CC2530芯片主要有 4 個閃存版本：CC2530F32/ CC2530F64/ CC2530F128/CC2530F256，內部閃存分別為32/64/128/256KB。CC2530 有多種工作模式，可以在很短的時間內進行模式切換，可以做到超低功耗。

OV7670是美國OmniVision公司研發生產的一款1/6英寸CMOS VGA圖像傳感器，體積小，攜帶方便，市場上得到廣泛應用。支持串行攝像機控制總線，可以自主進行圖像處理，內置 FIFO 和視頻圖形列陣可以由單片機（MCU）直接操作控制，輸出多種分辨率的8位圖像數據，形式有全幀、子采樣和窗口采樣[4]。OV7670模塊提供有控制引腳和數據引腳，方便操作和使用。

AL422B是AverLogic公司研發生產的一種8位的FIFO存儲芯片（存儲容量為393216字節），芯片所有控制操作（尋址、刷新等）由芯片內部集成控制系統完成，操作簡單方便。

2.2 壓力采集節點

在每個車廂的四個角上分別安裝一個壓力采集節點，通過PSD-X5采集壓力信息，經HX711進行AD轉換，CC2530讀取AD值后傳入Zigbee網絡，如圖4所求。

PSD-X5是鄭州普司頓電子設備有限公司生產的懸臂梁式穩重傳感器，采用鋁合金材質，具有IP65級別防水防塵能力，最大量程可達750KG。

HX711是一款海芯科技專為高精度電子秤而設計的24位A/D轉換芯片，芯片內部集成有穩壓電源、片內時鐘振蕩器等，具有響應速度快、抗干擾能力強、集成度高等特點。具有兩路可選擇差分輸入，片內低噪聲可編程放大器的增益為64或128可選。

2.3 角度采集節點

在每個車廂的前、后、左、右分別安裝一個角度采集節點，通過ACT926T采集傾角信息，經RS232串口送到CC2530單片機處理后傳入Zigbee網絡，如圖5所求。