基于Zigbee技術的應答式減速頂施工預警系統

任 強

（哈爾濱鐵路局調度所，黑龍江 哈爾濱 15000066）

1 引 言

鐵路編組站減速頂調速設備的保養維護是確保編組站正常運行的重要環節，一般情況下，其維護工作都是在調車機運用的間隙進行的，因而對車輛溜放到來的預警就成為施工過程中必不可少的組成部分。按照當前車輛的溜放速度，要求股道來車，就應該通知施工人員及施工器械下線避讓。長期以來鐵路普遍使用人工值守預警的方法，費時費力，可靠性不高。近年來也出現過一些自動預警裝置，但相對于鐵路編組場復雜的環境，其適用性常受到一定限制。因此尋求一種更加切實可行的預警方案，來較好地解決現階段面臨的問題，對編組站的安全運行具有一定的現實意義。

從施工現場看，該預警裝置應具備以下特性：

⑴極高的可靠性。可靠性是鐵路運行中最為強調的參數，是保證鐵路安全運行的生命，可以誤報，不能漏報是本行業中普遍公認的行規，同時也是對可靠性定義的另一種詮釋。

⑵良好的便攜性。從施工的性質決定了該預警裝置一定要是一個便攜裝置，施工開始時布防，施工完成后拆除，其本身體積要小，重量要輕，安裝要方便，操作要簡便。

⑶大于1000m的傳輸要求。為了在車輛到達施工點時施工人員有足夠的時間下線避讓，施工點與檢測車輛的傳感器安放點的距離一定要足夠。

⑷較強的環境適應性。鐵路編組站內電磁環境復雜，又有車輛的遮擋，要做到能在各種環境下保證預警的可靠性。

⑸低功耗。由于預警器應具備便攜的特點及施工現場條件所限，設備的電源供給只能用電池供電，為了增加電池的連續工作時間，電路的低功耗設計必須要考慮。

⑹具有聲光報警功能。

⑺能記錄報警點的信息，方便日后查詢裝置可存儲5000多個報警點數據，方便日后查詢或對日后責任的認定提供證據。

上述第3條，是項目設計的關鍵點，根據施工現場客觀條件，只能選擇無線通訊的方式傳遞報警信號。現有的無線通訊技術中，點對點和點對多點技術在生產實踐中得到廣泛的應用。但這樣的一種通信方式對該預警系統的應用有許多限制，如通信距離1000m以上意味著需要比較大的發射功率或者要配置高增益天線，而這些條件肯定會增大裝置的體積重量，對實際使用帶來不便或根本就不具備實用性。如果再考慮車輛等的遮擋，其運行效果會更糟糕。本設計采用基于Zigbee 協議的由DIGI公司制造的Xbee pro series2超遠距離無線模塊，由其組成PAN(無線個域網)來完成遠端信息的傳輸。

2 Xbee pro series2模塊簡介

Zigbee是一種新興的短距離、低速率的無線網絡技術，最初應用于傳感器之間的近距離無線連接，它基于IEEE 802.15.4協議標準，在數千個微小的傳感器之間相互協調實現通信，這些傳感器只需要很少的能量，以接力的方式通過無線電波將數據從一個傳感器傳到另一個傳感器，所以它們的通信效率非常高。Zigbee是一個由可多到65000個無線數傳模塊組成的一個無線數傳網絡平臺，十分類似現有的移動通信的CDMA網或GSM網。每一個Zigbee網絡數傳模塊類似的一個基站，在整個網絡范圍內，它們之間可以進行相互通信。每個網絡節點間的距離可以從標準的75m，到擴展后的幾百米，甚至幾公里；另外整個Zigbee 網絡還可以與現有的其它的各種網絡連接。

通常，符合如下條件之一的應用，就可以考慮采用Zigbee技術做無線傳輸：需要數據采集或監控的網點多；要求傳輸的數據量不大，而要求設備成本低；要求數據傳輸可性高，安全性高；由于設備體積很小，不便放置較大的充電電池或者電源模塊；采用電池供電；地形復雜，監測點多，需要較大的網絡覆蓋；現有移動網絡的覆蓋盲區；使用現存移動網絡進行低數據量傳輸的遙測遙控系統。

Xbee pro series2模塊是美國DIGI公司基于Zigbee技術，專為超遠程，低數據傳輸率，高可靠性，低功耗應用而設計的無線數據傳輸模塊，在工業自動化控制及電力配電系統中獲得了廣泛的應用，該模塊主要性能如下：

工作頻率2.4G,通訊距離1.6 km（明視距離），發射功率100mW(20dBm)，發射狀態電流295mA(@3.3V，接收狀態電流45mA(@3.3V，接收靈敏度-102dBm，RF數據傳輸率250,000bps，兼容TTL電平的異步通訊接口，模塊可工作于基于AT命令的透明傳輸模式和基于幀結構的API傳輸模式。在由一定數目的模塊構成的Zigbee網絡中，必須指定一個模塊為協調器才能啟動該網絡，其余模塊可根據其在網絡中的作用分別設定成路由器或設備終端，被稱為路由器的模塊具有中繼功能。可通過DIGI公司X-CTU軟件將模塊方便地設置成協調器、路由器或設備終端。

每一模塊具有一個64位（8字節）唯一地址和16位（2字節）網絡地址，模塊之間的所有數據的傳輸都依賴于唯一地址或網絡地址。被定義為協調器的模塊，其網絡地址為0x0000。

將16進制數據“0x01 0x02 0x03 0x04”發送到地址為“0013A20040552B10”的模塊的API數據包為：“0x7E，0x00，0x12，0x10，0x00，0x00，0x13，0xA2，0x00，0x40，0x55，0x2B，0x10，0xFF，0xFE，0x00，0x00，0x01，0x02，0x03，0x04，0x63”。

一個典型的API 數據接收包為：“0x7E，0x00，0x10，0x90，0x00，0x13，0xA2，0x00，0x40，0x3A，0x5B，0x97，0x03，0xD3，0x00，0x74(T)，0x65(E)，0x73(S)，0x74(T)，0xB8”，它表示的意義是：該數據為一個API 接收包，包的數據長度為16字節，該包由地址為“0013A200403A5B97”的模塊發出，數據內容為“test”。該模塊被封裝成20 腳雙列直插結構。

3 系統構成及功能

系統由傳感器終端，具有中繼功能的路由器和報警主機三部分構成。通過基于Zigbee技術的Xbee pro series2 模塊組成的個域網（PAN）將其聯系起來。傳感器終端負責檢測車輛到來信號并以報警主機的64位模塊地址為目標地址發送信息到報警主機，主機接收到車輛到來信號后，用聲光方式告知工作人員，并對報警開始時間和確認時間進行記錄存儲。在現場使用中遇到信號強干擾導致通訊距離不夠時，可在適當的地方增加路由器保證通訊的暢通。為了現場的使用方便，傳感器終端、路由器及報警主機都進行了低功耗設計，對體積和重量采用最優化處理。傳感器終端和路由器可工作在實驗和運行兩種狀態。實驗狀態主要是拉距離時可從訊響器的聲音知道通信是否正常，這點對于決定路由器及傳感器的放置點非常方便。系統結構如圖1。

圖1 預警系統從駝峰加速坡到編組場尾部的設備布置圖

4 系統的硬件電路設計

4.1 報警主機

報警主機作為報警網絡的服務器，協調與其它模塊的通訊，見圖2。其主要功能如下：

⑴在開始布區時，接收路由器或傳感器終端發來的tset信號，并發送應答信號。接收到路由器或傳感器終端的運行信號后，若該報警器主機是第一次應用或是在網絡復位情況下應用，則路由器或傳感器終端在由test狀態切換到運行狀態時，將該節點的64位模塊地址依照其實驗順序進行記錄，以供以后定位通訊故障做依據。當檢測到上述狀態的切換是傳感器終端發出的，該路由布區狀態進入監控報警狀態。

⑵在監控報警狀態，當檢測到傳感器終端發來的車輛到來信號后，啟動高分貝訊響器及高亮度發光管報警，并記錄車輛到來的日期時間，報警時間持續到確認鍵按下結束。在沒有車輛到來信號時，報警主機每5秒給傳感器終端發送一次心跳信號并等待返回信號。如果收到返回信號，表示通信鏈路正常，否則，查詢是哪個路由器節點通訊不正常。最終在顯示屏上顯示出來并以聲光信號報警。

⑶存儲5000點的報警數據，可在主機液晶屏上查詢。

⑷報警主機的硬件結構考慮到系統運行在μCOSⅡ，微控制器選用C8051F340。由于它內嵌64K程序存儲器和4KRAM及豐富的外設功能，僅需少量的外部芯片即可滿足設計要求。和無線模塊的通訊采用UART0，顯示單元用PCF8576驅動字段式液晶屏，時鐘電路芯片選用PCF8583。AT24C1024用來存儲報警點數據，它們都通過C線和微控制器交換數據。

電源管理單元主要完成系統中電源的調理，內容包括對單節鋰電池的穩壓和12V升壓。系統主電路所需電壓為3.3V。為了盡可能的提高電池的利用率，選用了壓差為140mV的TC1262低壓差穩壓器為系統的主穩壓器。升壓用DC/DC變換器，給報警單元提供足夠的功率，保證其有一定的響度。

⑸報警單元受微控制器和主機監控電路的雙重控制，主機監控電路由X25045芯片完成。當報警主機系統正常工作時，每隔一定時間會發出一個脈沖對芯片中的看門狗定時器復位。芯片輸出低電平，當報警主機系統有問題時，將導致芯片相應管腳輸出高電位驅動訊響器發聲。

圖2 報警主機

4.2 傳感器終端

傳感器終端主要完成對車輛到來的信號的檢測，并將該信號進行抗干擾處理，通過無線模塊發送到報警主機。車輛到來信號的拾取采用金屬探測器原理，見圖3。利用鋼軌上安裝的金屬探測模塊，當車輛車輪掃過探測器表面時，輸出一個低電平信號給微控制器。為了提高可靠性，采用兩個金屬探測模塊并行工作的方式，防止單一傳感器故障時漏報信號，當其中一個探測模塊有問題時，除了給報警主機發送車輛到達的信息外，同時還發送相關探測模塊的故障信號。

圖3 傳感器終端

4.3 中繼路由器

它主要由微控制器、Zigbee模塊和電源管理模塊構成。在系統中主要作為中繼模塊使用。和傳感器終端一樣，它同樣工作在試驗和運行兩種狀態，拉距離在試驗狀態，正常工作在運行狀態。

5 測試結果

測試條件：溫度12℃，傳感器終端2個，報警主機與傳感器終端相距800m，測試車輛15鉤，報警準確無誤。從現場測試情況看，模塊與模塊之間的擺放位置很重要，要盡可能使模塊之間處于明視狀態，否則，會縮短通訊距離。在復雜環境中，如股道內車輛比較多等情況下，只要適當增加路由節點數量即可保證使用要求。用內帶的電池在充滿電的條件下，最長連續工作時間可達40小時。在系統本身發生故障的情況下，能給使用者提供相應設備的故障報警信號。