長大物流機(jī)車低功耗無線安全監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

譚剛林，肖遼亮

摘要：在現(xiàn)代物流中，經(jīng)常需要運(yùn)送異形超常規(guī)的“超限超重貨物”，無法采用標(biāo)準(zhǔn)的集裝箱進(jìn)行運(yùn)輸。這類異形大貨物對貨物的安裝及車輛有特殊要求，尤其對安全性要求性極高，需要對載重長大貨車運(yùn)輸過程中進(jìn)行均載檢測及全程技術(shù)監(jiān)測，現(xiàn)有技術(shù)基本上需要每趟運(yùn)輸要一次性安裝、使用、拆卸。本文是基于一種低成本、低功耗的長大物流車無線安全監(jiān)測系統(tǒng)，采用Zigbee組網(wǎng)采集單點(diǎn)數(shù)據(jù)信息，stm32f407單片機(jī)來進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，后臺可以實(shí)時(shí)查看車輛狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：物流車;低功耗;Zigbee;監(jiān)測系統(tǒng);STM32

中圖分類號：TP391? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）19-0020-03

隨著國際分工與協(xié)同合作發(fā)展越來越緊密，物流運(yùn)輸成為促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要環(huán)節(jié)，重載長大貨物運(yùn)輸已被國際公認(rèn)為鐵路機(jī)車物流貨運(yùn)發(fā)展的方向，成為世界鐵路物流發(fā)展的重要方向之一。我國眾多重點(diǎn)工程項(xiàng)目實(shí)施過程中，越來越多的特別笨重龐大的關(guān)鍵設(shè)備貨物需要通過使用專門的長大物流機(jī)車來運(yùn)輸，例如變壓器、發(fā)電機(jī)等。鐵路長大物流機(jī)車作為物流大型設(shè)備運(yùn)輸?shù)闹饕d體，承擔(dān)著繁重的國家重點(diǎn)建設(shè)運(yùn)輸任務(wù)，已在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中有著十分重要的地位和作用。

目前國際上，對長大物流機(jī)車運(yùn)輸過程中的檢測，主要有貨車故障軌邊圖像檢測系統(tǒng)（簡稱TFDS）、IMC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。TFDS運(yùn)用停留在人工看圖檢車識別故障方式，動(dòng)態(tài)檢車人員工作量大，作業(yè)質(zhì)量難以保障，制約了TFDS作用的發(fā)揮;IMC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是德國IMC集成測控公司德國集成測控有限公司（Integrated Measurement & Contr01）生產(chǎn)制造的智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)IMC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的特點(diǎn)是多方式、高速度的數(shù)據(jù)采集及傳輸;多臺儀器可同時(shí)在一個(gè)任務(wù)中使用，測試通道可不受限制;通過局域網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，每臺儀器的位置可不受限制;多臺儀器可進(jìn)行時(shí)鐘同步，保證數(shù)據(jù)采集同步。該方案對大長物流機(jī)車安全監(jiān)測需要一次性安裝、使用、拆卸等特殊要求的適應(yīng)不強(qiáng)。

本文提出一種基于Zigbee技術(shù)的低成本、低功耗的長大物流車無線安全監(jiān)測系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

當(dāng)前常用的無線傳輸技術(shù)主要有Wi-Fi、Zigbee和藍(lán)牙，從傳輸距離上來看，Wi-Fi>Zigbee>藍(lán)牙;從傳輸速度上來看，Wi-Fi>藍(lán)牙>Zigbee;從功耗上來看，Wi-Fi>藍(lán)牙>Zigbee。綜合考慮安全監(jiān)測信息采集Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，每個(gè)車廂布置10個(gè)信息采集節(jié)點(diǎn)，其中圖像信息采集節(jié)點(diǎn)2個(gè)，壓力信息采集節(jié)點(diǎn)4個(gè)，傾角信息采集4個(gè)。再布置一個(gè)路由器節(jié)點(diǎn)收集整個(gè)車廂的數(shù)據(jù)。每個(gè)車廂的路由器將數(shù)據(jù)上傳至Zigbee協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器統(tǒng)一將每個(gè)節(jié)點(diǎn)的信息送到主控器進(jìn)行處理，主控器將處理結(jié)果信息通過移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)上傳至主監(jiān)控器，也可以通過移動(dòng)通信設(shè)備實(shí)時(shí)進(jìn)行監(jiān)控。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 節(jié)點(diǎn)電路設(shè)計(jì)

2.1 圖像采集節(jié)點(diǎn)

在每個(gè)車廂的左前方和右后方分別安裝一個(gè)圖像采集節(jié)點(diǎn)。圖像采集節(jié)點(diǎn)采用TI公司的CC2530驅(qū)動(dòng)OV7670圖像傳感器來采集圖像，由于CC2530的內(nèi)存較小，速度較慢，為了提高效率，將OV7670的圖像數(shù)據(jù)先存儲在幀緩存芯片AL422B中，然后CC2530通過SCCB總線再來讀取AL422B中的緩存數(shù)據(jù)，總體的設(shè)計(jì)原理圖如圖2所求。

CC2530芯片是德州儀器公司（Texas Instruments）研發(fā)生產(chǎn)的內(nèi)帶8051CPU和ZigBee通信模塊的芯片。基于2.4GHz頻段，符合IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)和 RF4CE協(xié)議。該芯片最大的特點(diǎn)是用很少的硬件構(gòu)建出高可靠的Zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，簡單方便地構(gòu)建出Zigbee網(wǎng)絡(luò)。CC2530 芯片內(nèi)部集成射頻收發(fā)器、增強(qiáng)型8051CPU 、可編程閃存、8KB 隨機(jī)存取存儲器和其他功能強(qiáng)大的模塊。CC2530芯片主要有 4 個(gè)閃存版本：CC2530F32/ CC2530F64/ CC2530F128/CC2530F256，內(nèi)部閃存分別為32/64/128/256KB。CC2530 有多種工作模式，可以在很短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行模式切換，可以做到超低功耗。

OV7670是美國OmniVision公司研發(fā)生產(chǎn)的一款1/6英寸CMOS VGA圖像傳感器，體積小，攜帶方便，市場上得到廣泛應(yīng)用。支持串行攝像機(jī)控制總線，可以自主進(jìn)行圖像處理，內(nèi)置 FIFO 和視頻圖形列陣可以由單片機(jī)（MCU）直接操作控制，輸出多種分辨率的8位圖像數(shù)據(jù)，形式有全幀、子采樣和窗口采樣[4]。OV7670模塊提供有控制引腳和數(shù)據(jù)引腳，方便操作和使用。

AL422B是AverLogic公司研發(fā)生產(chǎn)的一種8位的FIFO存儲芯片（存儲容量為393216字節(jié)），芯片所有控制操作（尋址、刷新等）由芯片內(nèi)部集成控制系統(tǒng)完成，操作簡單方便。

2.2 壓力采集節(jié)點(diǎn)

在每個(gè)車廂的四個(gè)角上分別安裝一個(gè)壓力采集節(jié)點(diǎn)，通過PSD-X5采集壓力信息，經(jīng)HX711進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，CC2530讀取AD值后傳入Zigbee網(wǎng)絡(luò)，如圖4所求。

PSD-X5是鄭州普司頓電子設(shè)備有限公司生產(chǎn)的懸臂梁式穩(wěn)重傳感器，采用鋁合金材質(zhì)，具有IP65級別防水防塵能力，最大量程可達(dá)750KG。

HX711是一款海芯科技專為高精度電子秤而設(shè)計(jì)的24位A/D轉(zhuǎn)換芯片，芯片內(nèi)部集成有穩(wěn)壓電源、片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器等，具有響應(yīng)速度快、抗干擾能力強(qiáng)、集成度高等特點(diǎn)。具有兩路可選擇差分輸入，片內(nèi)低噪聲可編程放大器的增益為64或128可選。

2.3 角度采集節(jié)點(diǎn)

在每個(gè)車廂的前、后、左、右分別安裝一個(gè)角度采集節(jié)點(diǎn)，通過ACT926T采集傾角信息，經(jīng)RS232串口送到CC2530單片機(jī)處理后傳入Zigbee網(wǎng)絡(luò)，如圖5所求。