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        基于ZigBee網(wǎng)絡的智能鐵鞋系統(tǒng)設計

        2012-08-13 08:13:12鄭云水
        電子技術應用 2012年12期
        關鍵詞:鐵鞋機軟件下位

        馬 飛,鄭云水

        (蘭州交通大學 自動化與電氣工程學院,甘肅 蘭州 730070)

        在鐵路車站,鐵鞋是停車防溜的必要設施,在停車后是否放置到位直接關系到車輛是否能夠安全防溜,而是否全部取出關系到列車發(fā)車的安全。一直以來,由于鐵鞋的領取、安放、取出、還回這4個主要操作過程都是通過人工操作來完成的,各級管理人員無法及時判明鐵鞋是否處于安全狀態(tài)[1]。近年來市場上出現(xiàn)一種帶有無線傳輸模塊的智能鐵鞋,將鐵鞋的基本狀態(tài)通過無線方式直接發(fā)送到控制室。但是傳統(tǒng)的無線模塊是點對點的直接傳輸,這種傳輸方式抗干擾能力差、安全性低、傳輸距離受其發(fā)射功率及頻率等影響不能完全滿足現(xiàn)場需求。

        為了解決上述問題,本文提出采用基于ZigBee的新型無線網(wǎng)絡代替?zhèn)鹘y(tǒng)的無線模塊的設計方案。該方案具有無線自組網(wǎng)(為了能夠實現(xiàn)傳輸接力)、抗干擾能力強、傳輸效率高、低功耗、通信內容加密等優(yōu)點[2]。

        1 系統(tǒng)的總體設計方案

        基于ZigBee網(wǎng)絡的智能鐵鞋系統(tǒng)是一種新型的鐵鞋定位與安全管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過在傳統(tǒng)鐵鞋上加裝基于ZigBee網(wǎng)絡的數(shù)傳模塊,實現(xiàn)對鐵鞋狀態(tài)的實時監(jiān)控。ZigBee數(shù)傳模塊分為兩種:一種是裝在鐵鞋上,具有采集鐵鞋實時狀態(tài)和傳輸采集數(shù)據(jù)的功能,稱為采集器;另一種是位于控制室的協(xié)調器,具有建立和維護系統(tǒng)網(wǎng)絡以及收發(fā)數(shù)據(jù)和連接上位機的功能[3]。系統(tǒng)框架如圖1所示。

        2 硬件設計

        2.1 采集器

        采集器的結構圖如圖2所示,由CC2530單片機、CC2591功率放大芯片組成采集器核心板;壓力傳感器、輕觸開關S1、S2及電源組成采集器擴展板。兩者通過接口插在一起,便于后期系統(tǒng)的升級及軟硬件調試,并可提高整個系統(tǒng)的通用性。對其略加改造就能適合其他項目的開發(fā),從而大幅度地降低了研發(fā)成本和縮短研發(fā)周期。

        2.2 協(xié)調器

        協(xié)調器端的硬件框圖如圖3所示。該部分用來建立和控制ZigBee無線網(wǎng)絡,并將從采集器反饋的數(shù)據(jù)通過USB接口直接輸入到PC機中供上位機軟件(智能鐵鞋管理系統(tǒng))分析與管理。

        本設計采用美國 TI公司生產(chǎn)的 CC2530、CC2531作為主控芯片,該芯片是傳統(tǒng)CC2430的升級版,它基于8051內核,擁有 8 KB的 RAM、256 KB(最多)的 Flash內存,其點對點傳輸速率最高可達250 Kb/s[4]。其整個系統(tǒng)抗干擾能力強,能符合現(xiàn)場復雜多變的要求。

        為了進一步提高ZigBee網(wǎng)絡的覆蓋范圍,采用CC2591作為信號放大器件,將傳統(tǒng)的75 m點對點傳輸通信距離擴展到1 km以上,再加上ZigBee網(wǎng)絡傳輸?shù)木W(wǎng)絡接力性,使其整個無線網(wǎng)絡的覆蓋范圍滿足現(xiàn)場需求。采集器核心板電路圖如圖4所示。

        為了檢測車輪是否良好地壓在鐵鞋表面(防止鐵鞋被擠飛),采集器的壓力傳感器采用LAE-D型壓力傳感器,將壓力變化引起的惠斯通電橋不平衡電壓通過高精度儀用放大器AD620AR放大輸出到CC2530的P0_0口;把電源的供電電壓通過放大器件AD705JR輸出到P0_1口,與P0_0口的輸入形成差分放大從而減小共模影響。其中,AD620AR的放大倍數(shù)由RG變阻器控制,其放大倍數(shù)G=49.4 kΩ/RG+1。為了不使其輸出電壓超過CC2530的 AD端口(P0_0),輸入電壓的最高值取 3.3 V。當壓力傳感器滿量程時,惠斯通電橋的差分輸出電壓公式為V0=V+-V-=2 mV/V×5 V=0.01 V,因而放大倍數(shù)不得高于 330倍,RG最小可為 150 Ω。在現(xiàn)場復雜多變的情況下,車輪對鐵鞋的壓力有可能遠遠超過壓力傳感器的測量范圍。為了解決這一問題,可以在鐵鞋機械設計時考慮采用杠桿原理。通過調節(jié)杠桿臂長來調節(jié)車輪對壓力傳感器的沖擊力,使其在額定范圍內工作。壓力傳感器電路圖如圖5所示。

        圖4 采集器核心板電路圖

        3 軟件設計

        系統(tǒng)的軟件設計分為智能鐵鞋管理系統(tǒng)上位機軟件、協(xié)調器下位機軟件、采集器下位機軟件。

        3.1 智能鐵鞋管理系統(tǒng)上位機軟件

        該系統(tǒng)上位機軟件采用VC++6.0開發(fā),其功能如圖6所示。

        圖6 智能鐵鞋管理系統(tǒng)功能框圖

        上位機軟件將協(xié)調器直接傳入的數(shù)據(jù)輸入SQL Sever2005數(shù)據(jù)庫進行存儲,方便以后查閱和多點監(jiān)控[5]。

        3.2 協(xié)調器下位機軟件

        協(xié)調器下位機軟件流程圖如圖7所示。

        圖7 協(xié)調器下位機軟件流程圖

        圖8 采集器下位機軟件流程圖

        當設備上電后自動初始化設備并建立網(wǎng)絡,為整個網(wǎng)絡添加合法的采集器節(jié)點并接收和發(fā)送來自采集器

        的數(shù)據(jù)[6]。

        3.3 采集器下位機軟件

        采集器在上電開始后初始化硬件并加入?yún)f(xié)調器建立的ZigBee無線網(wǎng)絡,同時不斷地向協(xié)調器發(fā)送采集結果。采集器下位機軟件流程圖如圖8所示。

        該系統(tǒng)目前已應用于劉元子煤礦的專營線上,系統(tǒng)運行良好,能很好地滿足現(xiàn)場需求。目前正對現(xiàn)場反映的一些要求做進一步改進,使其更適合現(xiàn)場的實際需求,更加簡單化、人性化。

        [1]宋立志,張丹婷.基于無線通信的智能防鐵鞋系統(tǒng)設計[J].硅谷,2010,14:74-75.

        [2]李文仲,段朝玉.ZigBee2006無線網(wǎng)絡與線定位實戰(zhàn)[M].北京:北京航空航天大學出版社,2008.

        [3]李文仲,段朝玉.ZigBee2007/PRO協(xié)議棧實驗與實踐[M].北京:北京航空航天大學出版社,2009.

        [4]瞿雷,劉盛德,胡咸斌,等.ZigBee技術及應用[M].北京:北京航空航天大學出版社,2007.

        [5]Texas Instruments.CC2531 USB hardware user′s guide[Z].2009.

        [6]張毅,李淑芳.基于 ZigBee網(wǎng)絡的 TPMS測試管理系統(tǒng)設計[J].計算機測量與控制,2012,20(4):942-944.

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