ZigBee在牽引試驗車數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應用研究

郭海琦，倪少權(quán)

（西南交通大學交通運輸信息技術(shù)研究所，成都 610031）

機車牽引試驗是在新建線路投入運營、客貨列車提速、貨運列車增加牽引噸位、司乘制度改革及機車交路變化等情況下所需進行的一項基礎性技術(shù)工作，為鐵路部門的經(jīng)營決策、制定運輸方案、挖潛增效提供科學依據(jù)[1]。試驗車數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是試驗車的核心系統(tǒng)。試驗車數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要實現(xiàn)對牽引運營試驗的各類技術(shù)參數(shù)進行實時的采集，動態(tài)可視化顯示試驗過程，并對試驗數(shù)據(jù)自動分析處理。

現(xiàn)行的試驗車數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)都是在機車上利用各種傳感器采集數(shù)據(jù)，直接由線纜通過通道箱傳輸?shù)皆囼炣嚕偻ㄟ^A/D采集箱到采集工控機。由于采集的數(shù)據(jù)較多，采用有線傳輸方式，需要很多的線纜，給初始布線及以后的改造升級造成很大的困難。針對上述問題，提出基于ZigBee技術(shù)搭建無線網(wǎng)絡，利用路由節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)，可以有效實時地對機車各參數(shù)進行采集和傳輸。如果將ZigBee技術(shù)很好地融入到試驗車數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，將會使機車牽引試驗水平得到進一步的提高。

1 ZigBee技術(shù)

ZigBee技術(shù)是一種近距離、低速率、低功耗、低成本和短時延的雙向無線通信技術(shù)，它是一種介于無線標記技術(shù)和藍牙之間的技術(shù)提案。ZigBee采用 IEEE802.15.4標準，對數(shù)據(jù)速率和QoS的要求不高，目標市場是工業(yè)，利用全球共用的公共頻率 2.4 GHz，應用于監(jiān)視、控制網(wǎng)絡時，其具有非常顯著的低成本、低耗電、網(wǎng)絡節(jié)點多、傳輸距離遠等優(yōu)勢，目前被視為替代有線監(jiān)視和控制網(wǎng)絡領(lǐng)域最有前景的技術(shù)之一。

2 系統(tǒng)總體方案

根據(jù)ZigBee協(xié)議的規(guī)定，我們將定義3種類型的設備。分別為ZigBee 協(xié)調(diào)器，ZigBee 路由器和ZigBee 終端設備[2]。其網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)為樹狀網(wǎng)絡拓撲。

（1）ZigBee 協(xié)調(diào)器是啟動和配置網(wǎng)絡的一種設備，可以保持間接尋址用的網(wǎng)絡表格，支持關(guān)聯(lián)，同時還能設計信任中心和執(zhí)行其他網(wǎng)絡活動，負責網(wǎng)絡中正常工作以及保持同網(wǎng)絡其他設備的通信。在試驗車數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中扮演了中心節(jié)點的角色。

（2）ZigBee路由器，又叫做全功能節(jié)點（FFD），是一種支持關(guān)聯(lián)的設備，能夠?qū)⑾⑥D(zhuǎn)發(fā)到其它設備。在試驗車數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中扮演中間節(jié)點的角色。

（3）ZigBee終端設備，又叫做半功能節(jié)點（RFD），即集成了機車信息的采集及收發(fā)模塊，結(jié)合機車及試驗車車上的環(huán)境和條件，基于ZigBee技術(shù)的試驗車數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組網(wǎng)設計總體方案如圖1。

本系統(tǒng)是一個在局部范圍內(nèi)采用ZigBee的無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，把機車上數(shù)據(jù)采集終端采集到的數(shù)據(jù)通過路由器傳送到一個ZigBee協(xié)調(diào)器中，最后由采集工控機實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的顯示和處理。本系統(tǒng)包括：ZigBee數(shù)據(jù)采集終端，ZigBee路由器節(jié)點，ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點和采集工控機4個部分。此外，終端采集到的數(shù)據(jù)到ZigBee協(xié)調(diào)器采用的是多跳方式傳輸，每個節(jié)點無線發(fā)射的功率不需要太大，因此可以有效地節(jié)約單個節(jié)點的能耗，平衡整個網(wǎng)絡的能耗。

3 節(jié)點硬件設計

3.1 節(jié)點模塊組成

本設計采用CC2430 模塊。CC2430 是一個系統(tǒng)芯片CMOS 解決方案，這種解決方案能夠提高性能并滿足以ZigBee為基礎的2.4 GHz ISM波段應用對低成本、低功耗的要求。它包括了一個高性能的2.4 GHz DSSS（直接序列擴頻）射頻收發(fā)芯片和一個工業(yè)級小巧高效的8051控制器。節(jié)點由3部分組成：數(shù)據(jù)采集終端如圖2，協(xié)調(diào)器節(jié)點如圖3，路由器節(jié)點除了沒有LCD模塊外與圖3相同。

圖1 試驗車數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組網(wǎng)圖

圖2 數(shù)據(jù)采集終端硬件結(jié)構(gòu)

圖3 協(xié)調(diào)器節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)采集終端由數(shù)據(jù)采集處理單元、數(shù)據(jù)傳輸單元和電源管理單元組成。協(xié)調(diào)器節(jié)點由數(shù)據(jù)傳輸單元、數(shù)據(jù)處理單元、電源管理單元和顯示單元組成。協(xié)調(diào)器節(jié)點為主控制器，對數(shù)據(jù)采集終端及路由器節(jié)點控制，負責網(wǎng)絡的初始化及維護，并用于接收終端采集到的數(shù)據(jù)。

3.2 節(jié)點硬件電路設計

系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點沒必要采用大功率的外接電源供電，僅采用兩節(jié)干電池供電即可，因為對硬件器件的功耗要求較高，所以設計中大都采用高效率低功耗的元器件。

數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點主要包括4個芯片模塊：CC2430模塊（集成MCU和RF模塊）、電源模塊、JTAG（邊界掃描測試標準組織）調(diào)試接口模塊和傳感器模塊。傳感器模塊負責機車數(shù)據(jù)的采集，根據(jù)采集數(shù)據(jù)的不同，需要安裝不同的傳感器。內(nèi)燃機車上需要采集主發(fā)電機電流、主發(fā)電機電壓、柴油機轉(zhuǎn)速、油溫和水溫等。電力機車需要采集網(wǎng)壓、勵磁、電流、電壓、輔壓等，共同部分有列車管壓力、機車牽引力、機車速度等[3]。一個或幾個有相似功能的傳感器對應一個ZigBee終端節(jié)點，雙方可通過RS232通信。例如：將溫度傳感器安裝在油箱上，可一次測出測溫點的溫度值，利用傳感器內(nèi)部地址代碼及預先編制好的傳感器編碼，將測溫點的溫度值傳輸?shù)紺C2430，并將各測溫點的溫度值按每變化2℃記錄一次的方式記錄下來。由溫度傳感器采集的數(shù)字信號經(jīng)過MCU處理后，通過RF模塊發(fā)送出去，而對終端節(jié)點的控制信號可以從CC2430的天線接收進來，經(jīng)過判斷處理后， 通過相應的通用I/O口對傳感器進行相關(guān)控制。電源電路采用兩節(jié)5 號堿性干電池供電。

協(xié)調(diào)器節(jié)點主要包括4個芯片模塊：CC2430（集成MCU和RF 模塊）、電源模塊、JTAG調(diào)試接口模塊、LCD模塊。CC2430通過內(nèi)部的RF模塊將控制命令發(fā)送給其余各節(jié)點， 通過RF模塊接收終端節(jié)點傳來的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行存儲處理后通過RS232傳輸給采集工控機。LCD可實時顯示網(wǎng)絡的連接狀態(tài)，CC2430通過并口連接LCD模塊。

4 系統(tǒng)軟件設計

軟件設計主要包含終端節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點軟件設計。終端節(jié)點首先初始化CC2430，包括與串行口通信的基本設置等，然后程序初始化協(xié)議棧并打開中斷，之后發(fā)送加入網(wǎng)絡信號，等待網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器響應，并給自己分配網(wǎng)絡地址。如果網(wǎng)絡加入成功，終端節(jié)點上的二極管被點亮。加入網(wǎng)絡成功后，等待中斷，響應相應的中斷。終端節(jié)點軟件流程圖如圖4。

圖4 終端節(jié)點軟件流程圖

協(xié)調(diào)器節(jié)點首先初始化CC2430和協(xié)議棧并打開中斷，然后初始化一個網(wǎng)絡。如果網(wǎng)絡初始化成功，可以在液晶屏上看到網(wǎng)絡初始化的一些信息。如協(xié)調(diào)器節(jié)點的物理地址、己建立網(wǎng)絡的網(wǎng)絡ID號和頻道號等。隨后程序進入中斷循環(huán)檢測和處理過程，查看是否有中斷信息的到來，如果是來自網(wǎng)絡中管理信息的響應，例如：（1）一個節(jié)點申請加入網(wǎng)絡則會在液晶屏上顯示有新的終端節(jié)點加入網(wǎng)絡，并顯示加入網(wǎng)絡節(jié)點的物理地址，此時網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器會為其分配網(wǎng)絡地址，并給出相應的應答信號傳送此節(jié)點。（2）如果是網(wǎng)絡中某個節(jié)點的數(shù)據(jù)響應，則對數(shù)據(jù)進行存儲處理，然后發(fā)送給工控機，并給該節(jié)點發(fā)送應答信號。協(xié)調(diào)器節(jié)點軟件流程圖如圖5。

圖5 協(xié)調(diào)器節(jié)點軟件流程圖

5 結(jié)束語

本項目根據(jù)實際需要完成了試驗車數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的整體架構(gòu)設計和底層硬件與軟件的具體實現(xiàn)。系統(tǒng)充分利用了ZigBee 低速率、低功耗、低成本和自配置的特點，提高了系統(tǒng)的可靠性，省去了大量的布線， 降低了系統(tǒng)在檢修及升級改造時期的復雜性，同時也降低了系統(tǒng)的成本。勢必在我國鐵路運輸發(fā)展中得到廣泛應用。

[1] 李郁峰，朱金陵. 牽引試驗車數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J ] . 內(nèi)燃機車，2005（7）.

[2] 李文仲，段朝玉. ZigBee無線網(wǎng)絡技術(shù)入門與實戰(zhàn)[M] . 北京：北京航空航天大學出版社，2007.

[3] 胡琰瑜. 列車牽引計算系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[D] . 西南交通大學碩士論文，2008.