基于ZigBee的漏斗車運行狀態監測系統設計

王繼鵬　林建輝　陳顯　燕春光

摘 要：針對部分鐵路漏斗車運行時，由于底門閉合故障而引發貨物泄露這一現象，基于ZigBee技術設計了漏斗車運行狀態監測系統。該系統通過霍爾開關傳感器監測漏斗車底門開閉狀態，在底門故障時用PTC08串口紅外攝像頭抓拍圖像，依靠ZigBee節點傳送數據至ZigBee協調器，并通過ARM網關的GPRS模塊將數據傳輸到遠程PC機及手機客戶端供用戶確認。經測試，該系統成本低、功耗低，可及時發現事故隱患，滿足預期的使用條件和技術要求。

關鍵詞：物聯網;ZigBee;漏斗車;監測系統;ARM網關;GPRS通信

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2020）04-000-03

0 引 言

漏斗車是一種鐵路貨車，其車體底部有漏斗，端壁向內傾斜，適用于運輸散裝大宗貨物，如煤、礦石等[1]。然而，漏斗車的卸貨口位于車身底部且底門開關機構故障率較高，在行車過程中一旦出現底門關閉不嚴等故障，將導致貨物泄漏，毀壞車體及沿線設施，污染環境，甚至威脅行車安全[2]。而針對該問題，目前除依靠監測人員人工檢查底門開閉情況外，還可利用安裝在鐵軌附近的漏斗車底門檢測裝置實現自動檢測[3]。但漏斗車編組數量多，又無車載電源，上述檢測裝置只能在站點的固定位置安裝，無法在行車過程中進行實時監測。因此研制一套低成本、低功耗、可靠性高的可實時監控漏斗車行車狀態的智能監測系統對保障漏斗車安全運行具有重要意義。漏斗車模型如圖1所示。

1 系統整體架構

該監測系統由采集節點、監控中心、云服務器、客戶終端構成。其中，采集節點安裝在漏斗車的底門外，由ZigBee通信模塊、串口攝像頭、霍爾傳感器、電源模塊組成;監控中心安裝在機車內部，由ZigBee協調器、ARM網關組成;云服務器使用阿里云服務器ECS;客戶端由臺式機和手機客戶端組成。系統結構如圖2所示。

該系統的優點及功能如下：

（1）系統成本低、功耗低，可實時監測漏斗車底門狀態與節點電量信息;

（2）系統可實現網關與服務器的GPRS通信;

（3）系統底門異常時可及時向客戶端報警并顯示當前底門處照片，機車監控中心蜂鳴器鳴響示警。

2 系統詳細設計

2.1 采集節點

每輛漏斗車均有4個底門，在每個底門處安裝一個采集節點，用于監控漏斗車底門狀態。

ZigBee通信模塊主要由CC2530F256最小系統、功率放大器電路組成。CC2530芯片采用增強型51 CPU，帶有無線收發功能，具有多種低功耗工作模式，使得它尤其適合作為采集節點的主芯片[4]。功率放大器電路采用RFX2401C芯片，可大大提高有效傳輸距離，以滿足漏斗車的使用要求[5]。

霍爾開關傳感器采用ES3144霍爾元件，該傳感器連接在CC2530的I/O口上，安裝在漏斗車底門外，并在底門處安裝磁鐵測點。當底門閉合時，霍爾元件磁感應強度將超出工作閾值，此時輸出導通，電平變低;當磁鐵測點遠離傳感器時，表示底門故障異常開啟，此時霍爾元件輸出關斷，電平變高[6]。

串口攝像頭采用PTC08串口紅外攝像頭，支持夜視功能。該模塊可以進行圖像采集、控制、數據壓縮、串口傳輸，輸出標準的JPEG圖像，設置拍照圖像大小及圖像壓縮比例，且支持3線制TTL電平[7]，可直接與CC2530進行串口通信。

電源模塊使用AS1117AR芯片，將電池盒的電壓轉化，為ZigBee通信模塊供電。同時通過CC2530芯片I/O口和三極管為霍爾傳感器模塊和串口攝像頭模塊提供5 V電壓。另通過電量測量電路連接CC2530的A/D管腳，測量當前電池盒的電池電量。

采集節點的程序采用軟件IAR編寫，其設計流程如圖3所示。初始化系統操作后，采集節點自動參加協調器網絡。先讀取非易失存儲區NV中的車輛信息，包括車號、底門編號、定時喚醒時間等，并采集當前電量、霍爾傳感器信息發送給協調器。再打開I/O口為攝像頭供電，延遲2.5 s后配置串口相機并拍照，之后讀取照片數據并發送。發送完成后等候協調器回復。若采集節點接收到配置信息指令，則將新數據寫入非易失存儲區NV中。當采集節點接收到確認接收指令后，關斷攝像機電源，設置定時喚醒和外部中斷喚醒，并進入低功耗PM2模式。設置睡眠定時時間，當達到定時時間后，系統自動喚醒。霍爾傳感器的模擬輸出連接在CC2530的I/O處，作為外部中斷源。當底門異常開啟時，系統會被喚醒，待系統喚醒后，程序循環運行。

2.2 監控中心

監控中心用于上傳采集節點發來的數據信息、處理服務器發送的指令信息，其硬件架構如圖4所示。

監控中心主控芯片為Exynos4412芯片，該芯片采用ARM Cortex-A9四核處理器架構，穩定性強、可靠性高，適用于對性能和處理能力有更高要求的嵌入式系統應用場合[8]。

GPRS模塊采用SIM800A，該模塊支持RS 232串口和TTL串口，具有語音通話、短信、GPRS數據傳輸、文本播報（TTS）和基站定位等功能[9]。

ZigBee協調器程序流程如圖5所示。系統上電初始化后，協調器創建網絡，等待采集節點加入。當接收到節點采集的數據信息時，協調器通過串口發送給ARM網關。若收到ARM網關給某節點的配置信息指令，則將該指令發送給采集節點，并繼續等待接收指令。若為確認接收指令，則轉發指令后結束該次數據傳輸，進行下一次數據傳輸。

ARM網關的流程如圖6所示。系統同時接收來自節點的數據和服務器的指令。若接收到服務器的配置信息指令，則暫存至FLASH中;若接收到來自采集節點的數據信息，則將該數據通過GPRS模塊轉發至服務器，并查找是否有緩存在FLASH中的該節點的配置信息指令。若有，則先發送配置信息指令，更新采集節點非易失存儲器數據后再發送確認接收指令;若未找到，則直接發送確認接收指令，結束該次數據傳輸。

2.3 服務器與客戶終端

服務器采用阿里云服務器ECS。ECS是一種可支持彈性擴展的IaaS級別云計算服務器，它運行在云端，大大降低了用戶建設維護成本，更加穩定可靠[10]。使用阿里云服務器，需要在阿里云官網完成基本信息注冊，按照項目需求配置CPU參數、運行內存和云存儲盤的大小，選擇合適的操作系統，并購買相應服務。

該監測系統選擇在Ubuntu 14.04 32位操作系統上搭建Java環境和MySQL數據庫。在監測過程中，監控中心的ARM網關經GPRS模塊通過TCP協議將信息數據發送至阿里云服務器對應的域名，服務器對數據進行處理。當服務器解析到異常數據時，會向訪問它的客戶終端發送報警信息。用戶可以通過網站和安卓客戶終端訪問公網IP，查看服務器上的數據或對監測節點進行參數配置。

3 系統功能測試

搭建實驗環境，使用迅為iTOP-4412開發板加GPRS模塊作為ARM網關，連接ZigBee協調器作為監控中心，如圖7（a）所示。用ZigBee通信模塊連接霍爾傳感器、串口攝像頭、供電電池盒，作為采集節點;在金屬支架上貼磁性測點，模擬漏斗車底門，如圖7（b）所示。

在實驗過程中，當磁性測點緊靠霍爾傳感器時，表示底門緊閉，采集節點定時時間到后，系統喚醒，自動采集數據并發送給協調器，攝像頭抓拍照片傳送給協調器。圖8（a）為此時相機所拍圖片。人為移動磁性測點遠離霍爾傳感器，表示底門故障，異常打開，此時傳感器輸出電平突變，觸發外部中斷喚醒系統進行數據采集并發送，攝像頭抓拍圖片如圖8（b）所示。

4 結 語

本文設計了一種可以實時監測漏斗車底門狀態的監測系統，該系統可以在行車過程中及時發現漏斗車底門故障，并通過蜂鳴器報警提醒機車駕駛人員，還可通過GPRS遠程傳輸信息至客戶端。用戶可通過臺式機或手機客戶端遠程登錄查看底門狀態數據和圖片，操作簡單，顯示直觀，具有一定的推廣價值。

參考文獻

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