基于ZigBee無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的客車防盜系統(tǒng)

石三黑 閆衛(wèi)東 石中明＊

高鐵時(shí)代的到來(lái)，越來(lái)越多的人選擇火車作為旅行的主要交通工具。由于列車運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)、人多、人雜，出行攜帶的文件資料、照相機(jī)、電腦、儀器設(shè)備等貴重物品，給旅客休息、用餐、盥洗等活動(dòng)造成不便。目前，旅行安全防盜工作仍以乘警、乘務(wù)員人工監(jiān)視為主，被竊事件時(shí)常發(fā)生。基于以上考慮，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了列車安全防盜系統(tǒng)，以無(wú)線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)信息的實(shí)時(shí)交互和傳遞，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將旅客的貴重物品組成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)在線的貴重物品受到旅客自己和列車乘務(wù)人員的實(shí)時(shí)監(jiān)控，有效解除了旅客的后顧之憂，確保了貴重物品的安全。這樣可使旅客放心，旅行更加舒適、愉快。在此基礎(chǔ)上，系統(tǒng)還構(gòu)架了客車鋪位信息系統(tǒng)，列車工作人員可及時(shí)出售鋪位，不僅給旅客的需求提供實(shí)時(shí)的信息服務(wù)，而且提高了資源的利用率。

1 ZigBee技術(shù)

當(dāng)前使用的幾種無(wú)線技術(shù)的特點(diǎn)如表1所示。ZigBee技術(shù)采用直接序列擴(kuò)頻 (DSSS)，工作在無(wú)需注冊(cè)的2.4 GHz頻段。其主要特點(diǎn):低功耗、成本低、時(shí)延小、網(wǎng)絡(luò)容量大、安全可靠;尤其是傳輸速率低、發(fā)射功率小 (1 mW)，日常采用休眠模式功耗低。測(cè)算數(shù)據(jù)顯示，ZigBee設(shè)備使用2節(jié)5號(hào)電池可維持6個(gè)月到2年 (電池容量不同)。

ZigBee協(xié)議的整體框架包括物理層、MAC層、數(shù)據(jù)鏈接層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。物理層和MAC層由IEEE制定，網(wǎng)絡(luò)層及應(yīng)用層由ZigBee聯(lián)盟制定，用戶只需編寫自己需求的最高層應(yīng)用協(xié)議。ZigBee的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有星形、樹(shù)形和混合3種。其中，星形網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)輻射狀系統(tǒng)，數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)命令都通過(guò)中心節(jié)點(diǎn)傳輸。在ZigBee的網(wǎng)絡(luò)中，支持全功能設(shè)備 (FFD)和精簡(jiǎn)功能設(shè)備 (RFD)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)按照節(jié)點(diǎn)類型來(lái)分，支持主節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)及終端節(jié)點(diǎn)3種。主節(jié)點(diǎn)是協(xié)調(diào)器，必須由一個(gè)FFD構(gòu)成，是網(wǎng)絡(luò)的核心，負(fù)責(zé)建立一個(gè)網(wǎng)絡(luò)并下發(fā)地址。路由節(jié)點(diǎn)也是一個(gè)FFD，搜索網(wǎng)絡(luò)并加入，給加入路由的終端節(jié)點(diǎn)分配地址。路由節(jié)點(diǎn)僅是網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)無(wú)線收發(fā)器，負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)通信和維護(hù)網(wǎng)內(nèi)路徑。終端節(jié)點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)中最簡(jiǎn)單的節(jié)點(diǎn)，可以是FFD，也可以是RFD。

表1 幾種常用的無(wú)線技術(shù)的主要特點(diǎn)

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 列車防盜系統(tǒng)功能及原理

列車防盜系統(tǒng)由防盜袋、旅客遙控器、集中控制器和值班乘務(wù)員報(bào)警器4部分組成。旅客將貴重物品放置到防盜袋中，如果有人打開(kāi)防盜袋或者惡意割斷防盜袋竊取內(nèi)部物品，防盜袋內(nèi)部報(bào)警裝置啟動(dòng)報(bào)警，通過(guò)2.4 GHz無(wú)線方式將報(bào)警信息發(fā)給旅客遙控器和集中控制器;旅客遙控器和集中控制器收到報(bào)警信號(hào)后發(fā)出聲光報(bào)警，同時(shí)將報(bào)警信息通過(guò)433 MHz載頻發(fā)給值班乘務(wù)員報(bào)警器，以提示旅客和值班乘務(wù)員，即使值班乘務(wù)員有事不在值班室也能及時(shí)收到報(bào)警信息。如果旅客本人需要打開(kāi)防盜袋可屏蔽報(bào)警功能，放置好物品后再啟用報(bào)警功能。

列車防盜系統(tǒng)中每節(jié)車廂有40個(gè)防盜袋，40個(gè)旅客遙控器，1個(gè)集中控制器和1個(gè)值班乘務(wù)員報(bào)警器。集中控制器通過(guò)2.4 GHz無(wú)線方式和40個(gè)防盜袋組成無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，旅客遙控器和防盜袋組成2.4 GHz無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，集中控制器和值班乘務(wù)員報(bào)警器通過(guò)433 MHz組成點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無(wú)線通信，可以實(shí)現(xiàn)密封空間的遠(yuǎn)距離無(wú)線傳輸，433 MHz可以在多層屏蔽環(huán)境下有效通信距離500 m，這樣即使多節(jié)列車門緊閉也可以將報(bào)警信息發(fā)送到值班乘務(wù)員報(bào)警器。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 列車防盜系統(tǒng)框圖

旅客遙控器和防盜袋一一對(duì)應(yīng)，旅客遙控器只能屏蔽其對(duì)應(yīng)防盜袋的報(bào)警功能，無(wú)法控制其他防盜袋。集中控制器定時(shí) (1～60 s)發(fā)送巡檢命令檢測(cè)防盜袋是否完好，如果有人將防盜袋帶出距離集中控制器30 m遠(yuǎn)或者通過(guò)某種手段屏蔽該防盜袋時(shí)，集中控制器就會(huì)收到節(jié)點(diǎn)丟失信號(hào)，于是發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，并將此信息通過(guò)433 MHz無(wú)線方式發(fā)送給值班乘務(wù)員控制器，確保值班乘務(wù)員遠(yuǎn)離集中控制室時(shí)也能及時(shí)收到報(bào)警信息，確保旅客貴重物品安全。

2.2 客車鋪位信息系統(tǒng)

客車鋪位信息系統(tǒng)由集中控制器的編輯器和列車長(zhǎng)接收器組成。值班乘務(wù)員通過(guò)鋪位查驗(yàn)及時(shí)掌握臥鋪使用情況，如果有空鋪可以通過(guò)集中控制器將空鋪信息通過(guò)無(wú)線方式發(fā)送給列車長(zhǎng)接收器，列車長(zhǎng)接收器收到鋪位占用情況信息進(jìn)行合理處置。該系統(tǒng)是在防盜系統(tǒng)基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)，在集中控制器上設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字鍵盤和一個(gè)液晶顯示屏。值班乘務(wù)員通過(guò)巡視發(fā)現(xiàn)臥鋪客車有空鋪時(shí)，通過(guò)鍵盤編輯和顯示將信息通過(guò)433 MHz無(wú)線信號(hào)發(fā)送給列車長(zhǎng)接收器，列車長(zhǎng)接收器收到空鋪信息后通過(guò)列車廣播將空鋪信息播報(bào)給硬座旅客，讓需要臥鋪的旅客及時(shí)補(bǔ)票。考慮到臥鋪客車每節(jié)車廂都有集中控制器，所以通過(guò)433 MHz無(wú)線接力的方式將空鋪信息發(fā)送出去，這樣既節(jié)省了遠(yuǎn)距離通信的不穩(wěn)定性，還可以降低成本。系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 客車鋪位信息系統(tǒng)框圖

3 硬件設(shè)計(jì)

1．防盜袋。防盜袋尺寸為 60cm×30cm×70cm，袋口為紐扣形式方便旅客使用，內(nèi)部由耐磨損、耐高溫線編制而成，高溫線整體為一根，接頭部分連接到內(nèi)部無(wú)線控制模塊。內(nèi)部無(wú)線模塊檢測(cè)高溫線連接狀態(tài)，當(dāng)袋口紐扣打開(kāi)或者高溫線被割斷時(shí)無(wú)線模塊都能檢測(cè)到;如果屏蔽功能未開(kāi)啟，無(wú)線模塊將報(bào)警信息發(fā)送出去。

防盜袋內(nèi)2.4 GHz無(wú)線模塊通過(guò)電池供電，無(wú)線通信采用低功耗器件，保證內(nèi)部可充電電池正常使用15天以上。外形設(shè)計(jì)為圓筒式折疊方式，不使用時(shí)占用客車最小空間。

2．旅客遙控器。旅客遙控器設(shè)計(jì)有4個(gè)按鍵，尺寸大小根據(jù)實(shí)際使用情況而定，使用內(nèi)部電池供電。設(shè)有屏蔽和啟動(dòng)按鍵，實(shí)現(xiàn)遙控器屏蔽和開(kāi)啟防盜袋報(bào)警功能。當(dāng)防盜袋發(fā)出報(bào)警信號(hào)后，旅客遙控器發(fā)出聲光報(bào)警，旅客可以通過(guò)消音鍵消除報(bào)警聲音，也可通過(guò)復(fù)位鍵恢復(fù)正常。如果旅客忘記開(kāi)啟報(bào)警功能，防盜袋也可在設(shè)定時(shí)間內(nèi)(30 min)自動(dòng)開(kāi)啟報(bào)警功能。

3．集中控制器。集中控制器由2.4 GHz無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)控制器、433 MHz無(wú)線收發(fā)器、液晶顯示屏和編輯鍵盤4部分組成。集中控制器通過(guò)2.4 GHz無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)控制器管理一節(jié)車廂內(nèi)部的40個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn) (防盜袋)，通過(guò)433 MHz無(wú)線收發(fā)器和值班乘務(wù)員控制以及列車長(zhǎng)接收進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。當(dāng)防盜袋在沒(méi)有屏蔽報(bào)警狀態(tài)下打開(kāi)時(shí)，集中控制器發(fā)出聲光報(bào)警，該節(jié)點(diǎn)的報(bào)警信號(hào)指示燈點(diǎn)亮，當(dāng)節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)離集中控制器或節(jié)點(diǎn)被屏蔽時(shí)，該節(jié)點(diǎn)丟失信號(hào)指示燈點(diǎn)亮。集中控制器采用48V直流電供電，可以解決發(fā)光二極管、液晶和無(wú)線發(fā)射功率消耗大的問(wèn)題。值班乘務(wù)員查驗(yàn)鋪位信息，通過(guò)鍵盤編輯和液晶顯示將空鋪信息發(fā)送給列車長(zhǎng)接收器。

4．值班乘務(wù)員報(bào)警器。值班乘務(wù)員控制器設(shè)計(jì)為433 MHz接收模塊，處于接收狀態(tài)，當(dāng)有報(bào)警信息時(shí)發(fā)出震動(dòng)和聲音報(bào)警，通過(guò)消音按鍵進(jìn)行消音處理，通過(guò)復(fù)位按鍵進(jìn)行狀態(tài)復(fù)位。值班乘務(wù)員報(bào)警器為電池供電。

5．列車長(zhǎng)接收器。列車長(zhǎng)接收器為433 MHz接收模塊，通過(guò)各個(gè)集中控制器組成鏈?zhǔn)骄W(wǎng)絡(luò)，無(wú)論列車長(zhǎng)接收器在哪節(jié)車廂內(nèi)都能有效接收到所有集中控制器發(fā)來(lái)的信息。列車長(zhǎng)接收器有液晶顯示、按鍵和存儲(chǔ)功能，可以記錄最近的100條 (可設(shè)置更多)客車空鋪信息。列車長(zhǎng)接收器為電池供電。

4 結(jié)論

ZigBee技術(shù)正處于迅速發(fā)展時(shí)期，基于ZigBee無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的客車防盜和鋪位信息系統(tǒng)，保護(hù)了旅客財(cái)產(chǎn)和提高了客車鋪位的利用率?？蛙嚪辣I和鋪位信息系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用為客車其他功能的有效開(kāi)發(fā)奠定了基礎(chǔ)，為客車綜合信息的采集積累了經(jīng)驗(yàn)。

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(責(zé)任編輯:諸 紅)