基于ZigBee的接觸網線索張力監測系統手持終端設計

李中偉 ，卜萬錦 ，張鵬偉 ，關寶巖 ，劉慧眾

（1.哈爾濱工業大學 電氣工程系，哈爾濱150001；2.黑龍江瑞興科技股份有限公司，哈爾濱150030）

供電系統接觸網是電氣化鐵路和城市軌道交通的動力來源。當大氣溫度發生變化時，接觸網線索（接觸線和承力索）受熱脹冷縮的影響會伸長或縮短，從而使線索內張力發生變化，進而使其弛度也發生變化，最終導致其受流條件惡化，影響電氣化鐵路和城市軌道交通的安全穩定運行[1]。因此，需加裝接觸網線索張力補償裝置（又稱張力自動補償器或張力自動補償裝置）。該裝置能夠自動調整線索的張力并保持線索弛度使其滿足技術要求，從而使接觸懸掛的穩定性與彈性得到改善，提高接觸網運營質量。接觸網張力補償裝置是接觸線和承力索在氣溫變化時保持工作張力恒定的重要裝置，其性能好壞直接影響著接觸網的懸掛彈性、接觸網在幾何空間位置的標準狀態等，對減少弓網故障有著重要意義[2]。

在電氣化鐵路中應用比較廣泛的接觸網張力補償裝置主要有滑輪式、棘輪式和彈簧式補償裝置。彈簧補償裝置在我國是一種新型的接觸網張力補償裝置，其具有如下特點：（1）結構緊湊、占用空間小；（2）重量輕、安裝方便；（3）安全可靠、使用壽命長，且在使用壽命期內無需維護；（4）環保性好、無污染、同時不受電弓尺寸限制。它可對軟橫跨補償的張力進行有效的補償，提高軟橫跨系統的可靠性，是接觸網張力補償裝置的發展方向。但在其實際應用過程中，用戶對該裝置在多次動作后其彈簧能否保持足夠彈性或一旦發生故障如何判定，目前尚缺少一套讓用戶放心的監測系統[3]。

為解決目前彈簧補償裝置所面臨的問題，結合ZigBee技術的特點，本文設計了張力監測系統手持終端。該手持終端能夠定量顯示彈簧補償裝置線索張力實時變化，為用戶提供實時、量化、可靠的張力數據，進而準確判斷線索張力。

1 張力監測系統方案設計與功能確定

我國電氣化鐵路分布區域廣且線路較長，實現單個彈簧補償裝置對應的線索張力監測較為容易，但實現整個線路區段內所有彈簧補償裝置對應的線索張力監測更有必要且具有更為顯著的應用價值。無線網絡具有不用布線、組網容易等先天優勢。ZigBee技術采用IEEE802.15.4標準，利用全球共用的公共頻率2.4 GHz。其應用于監視、控制網絡時，具有低成本、低功耗和支持網絡節點多等優勢，目前被視為替代有線監視和控制網絡最有前景的技術之一[4-5]。因此，本文選用無線網絡傳輸信息的方式配置相應的張力監測節點實現線索張力監測這一功能，基于ZigBee構建線索張力監測系統，實時監測某個區段內所有彈簧補償裝置對應的線索張力，判斷彈簧補償裝置工作是否正常，是否需要維修或更換，并利用其張力歷史數據分析彈簧補償裝置工作性能變化。

所設計的基于ZigBee的線索張力監測系統主要包括基于ZigBee的張力監測節點、基于ZigBee的手持終端和PC機（上位機），系統連接示意圖如圖1所示。基于ZigBee的張力監測節點內的張力傳感器與彈簧補償裝置所連接觸網的接觸線或承力索串聯，實時測量接觸線或承力索的張力，將測得的張力經信號放大器轉化為合適的電壓信號，最終通過張力監測節點內的ZigBee射頻電路發送給手持終端。張力監測節點采用電池供電，最長電池更換時間為半年到一年，經過防塵、防水處理，能夠可靠工作于室外環境。張力測量范圍為0～49 kN，測量范圍較寬。手持終端承擔ZigBee網絡協調器功能，負責ZigBee網絡的組網與維護。手持終端還可以將收集到的張力信號存儲并顯示，最終將這些數據發送給PC機。安裝在PC機上的上位機軟件，即張力監測系統軟件，自動完成各個彈簧補償裝置工作是否正常、是否需要維修或更換的判斷，并可進一步統計分析各個彈簧補償裝置工作性能變化。

圖1 系統連接示意Fig.1 Schematic diagram of system connection

2 手持終端硬件設計

2.1 硬件設計

張力監測系統手持終端主要由供電單元、Zig-Bee數據接收單元、串口數據通信單元、單片機數據處理單元、人機交互（液晶和鍵盤）單元、數據存儲單元、數據上傳單元等部分構成。實現了無線數據的接收、存儲、顯示等，當手持終端與上位機相連時，還能夠實現數據上傳功能。

基于ZigBee的手持終端裝置框圖如圖2所示。手持終端采用雙CPU結構，主要包括單片機及其外圍電路和ZigBee及其外圍電路。單片機選用了C8051F020，該單片機具有豐富的I/O口資源，通過交叉開關可以設置串口、I2C總線等外設。ZigBee部分選用了CC2530芯片，射頻部分選用了CC2591擴頻電路。

圖2 基于ZigBee的手持終端裝置框圖Fig.2 Design diagram of handheld terminal based on ZigBee

2.2 C8051F020單片機及其外圍電路

單片機選用了C8051F020。該單片機具有高速、流水線結構的8051兼容內核，豐富的數字IO資源，支持在線調試，滿足了手持終端功能要求。C8051F020外圍電路包括時鐘電路、復位電路、存儲電路、鍵盤及液晶電路、串口電路、串口轉USB電路等等。鍵盤及液晶電路主要選用比較常用的矩陣鍵盤和12864液晶實現人機交互。存儲電路中，選用Flash存儲芯片W25X80，與E2PROM相比具有存儲空間大、可擦寫次數多和壽命長等優點。可用來存儲ZigBee協調器節點收到的張力數據。時鐘電路由PCF8563及其外圍電路組成。單片機的2個串口，一個用于與CC2530進行通信，另一個用于與PC機相連。考慮到如今大部分PC機幾乎沒有串口，而USB口使用廣泛，所以通過串口轉USB芯片與PC機相連。

2.3 ZigBee主要芯片及其外圍電路

ZigBee的新一代核心芯片CC2530與CC2430相比，該芯片的管腳數更少，具有更卓越的RF性能，更大的存儲空間，更小的封裝尺寸和脈沖反應IR（impulse response）產生電路，支持多種協議如ZigBee PRO、ZigBee RF4CE等[6]。擴頻芯片CC2591是TI公司推出的一款高性能、低成本的RF前端，集成了開關、電感器、平衡/不平衡網絡、交換機、匹配網絡和功率放大器PA（power amplifier）等功能。可將輸出功率提高+22 dBm，接收靈敏度提高+6 dB。CC2591可與TI公司的所有2.4 GHz RF收發器、發送器和SoC連接，大大改善了RF性能，用極少的外圍電路可實現較高輸出功率[7]。

本文ZigBee部分采用CC2530F64芯片，該芯片具有64 KB可編程閃存。ZigBee外圍電路包括復位電路、串口電路、LED指示燈、仿真器接口和CC2591模塊等。仿真器接口用于將程序下載到CC2530單片機中；串口電路用于將ZigBee協調器節點（由CC2530及其外圍電路組成）收到的數據傳給另一個CPU（C8051F020）進行處理；LED指示燈用于指示供電狀態與信息傳輸狀態；CC2591模塊的應用，使張力監測節點數據采集的范圍達到500 m以上。

3 手持終端軟件設計

3.1 手持終端主程序流程

手持終端的主要功能包括接收張力監測節點發送的數據、數據的處理與存儲、菜單的選擇與液晶的顯示、數據的上傳等等。其主程序流程如圖3所示。首先運行初始化程序，包括交叉開關的設置、初始時間的設置等。隨后進行時間的確定（初次使用需要確定時間，后續使用就不需要確定了）。然后等待數據接收，收到數據之后再進行液晶的顯示。另外，當手持終端與上位機相連時，還可以使用相應的按鍵選擇是否上傳數據。

圖3 手持終端主程序流程Fig.3 Flow chart of main program on handheld terminal

3.2 人機交互程序流程

人機交互單元的主要功能是將ZigBee收到的數據處理后顯示在液晶上，直觀地顯示系統測量數據的時間、大小以及是否在正常范圍之內。該程序主要包括按鍵部分和液晶部分，用戶可以通過按鍵輸入選擇需調用的菜單選項，也可以調用液晶程序顯示手持終端處理過的數據。人機交互的具體過程如圖4所示，首先進行初始化，然后進行按鍵掃描，判斷是否有按鍵按下。如果沒有按鍵按下，則繼續進行進行按鍵掃描。如果有按鍵按下，則設置按鍵標志并判斷是哪個按鍵按下并更改相應變量的數值，同時根據按鍵標志調用相應的換行、翻頁子程序，最后調用液晶顯示程序顯示所接收到的數據信息。

圖4 人機交互程序流程Fig.4 Flow chart of human-interactive program

3.3 手持終端組網

3.3.1 網絡拓補結構

ZigBee按其網絡拓補結構可以分為星型網絡、樹狀型網絡和網狀型網絡3種。星狀網絡由1個個人局域網PAN（personal area network）協調器節點和多個終端節點組成，只存在PAN協調器與終端的通信，終端設備間的通信都需通過PAN協調器的轉發，星型網絡中最多可以有255個節點。樹狀網絡由1個協調器節點和1個或多個星狀結構連接而成，設備除了能與自己的父節點或子節點進行點對點直接通信外，其他只能通過樹狀路由完成消息傳輸。網狀網絡是在樹狀網絡基礎上實現的，與樹狀網絡不同的是，它允許網絡中所有具有路由功能的節點直接互連，由路由器中的路由表實現消息的網狀路由。該拓撲的優點是減少了消息延時，增強了可靠性，缺點是需要更多的存儲空間開銷。樹形網絡和網狀型網絡最多可以有65535個節點。

3.3.2 ZigBee組網

在ZigBee網絡拓撲結構中，星形網絡布線方便、容易擴展，成為本系統使用的網絡拓撲結構。在一個星型的局域網絡內有且僅有1個協調器節點，多個終端節點和路由器節點。2.4 GHz的射頻頻段被分為16個獨立的信道，協調器節點上電之后，掃描自己的默認信道集并選擇噪聲最小的信道作為自己所建網絡的信道；另外，還要選一個不同的網絡號（PAN ID，有效范圍為 0～0x3FFF），這兩者用來區分其他的ZigBee網絡。協調器節點主要是在建立網絡與網絡配置方面起作用。一旦網絡建立，協調器節點就與路由器節點的功能一致，即允許其他設備加入網絡，多跳路由和協助它自己的由電池供電的終端節點的通信。終端節點沒有特定的維持網絡結構的功能，只需要加入已經建立好的網絡即可。終端節點和路由器節點也要掃描默認信道，并向默認信道上已經存在的網絡發出進網申請，如果這個網絡中還有剩余地址，協調器節點就會同意申請，路由節點和終端節點就可以加入這個網絡。協調器節點給它們分配好地址，這樣一個局域網就組建完成了。

3.3.3 網絡地址

ZigBee網絡中的地址分為2種：一種是IEEE物理地址，一種是網絡地址。每個ZigBee設備都有一個64位的IEEE長地址，即MAC地址。物理地址是在出廠的時候初始化的，它是全球唯一的。當一個ZigBee節點加入網絡時，它的IEEE地址不能與網絡中現有節點的IEEE地址沖突，且不能為0xFFFFFFFFFFFFFFFF。網絡地址也稱短地址，通常用16位的短地址來標識自身和識別對方，對于協調器節點來說，短地址始終為0x0000，對于路由器和節點來說，短地址由其所在網絡中的協調器分配。

3.3.4 手持終端組網程序流程

手持終端中的ZigBee部分，作為ZigBee網絡中的協調器節點，有組建網絡與維護網絡的作用，具體流程如圖5所示。首先，協調器節點搜索可用的信道，選擇噪聲最小的信道組建自己的網絡；然后，協調器節點等待終端節點（張力監測節點）加入網絡，并為其分配地址；這樣，協調器節點就可以與終端節點進行數據通信了。另外，手持終端作為雙CPU設備，還可以將收集到的信息進行處理并顯示。

圖5 ZigBee協調器節點組網程序流程Fig.5 Flow chart of net program on the ZigBee coordinator node

4 結語

本文分析了鐵路接觸網線索張力監測系統的主要功能，以C8051F020單片機為核心，結合Zig-Bee芯片CC2530設計了張力監測系統手持終端，完成了硬件電路的設計，通過軟件編程進行了相應功能的實現。該手持終端能夠接收張力監測節點通過ZigBee發送的張力數據，并進行數據的存儲、上傳和顯示。已經通過多次鐵軌線索張力測試實驗驗證了該手持終端的主要功能及其技術參數。該手持終端及張力監測系統的應用將促進彈簧補償裝置在我國鐵路系統的推廣與應用。

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[6]章偉聰，俞新武，李忠成.基于CC2530及ZigBee協議棧設計無線網絡傳感器節點[J].計算機系統應用，2011，20（7）：186-189，122.

[7]李俊斌，胡永忠.基于CC2530的ZigBee通信網絡的應用設計[J].電子設計工程，2011，19（16）：108-111.