卿珊　李建才

【摘要】 論文提出一種基于ZigBee技術(shù)的列車(chē)限速信息采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，且對(duì)信息采集系統(tǒng)的硬件和軟件分別進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)思路能夠?qū)崿F(xiàn)閱讀器與電子標(biāo)簽之間的無(wú)線(xiàn)通信及閱讀器對(duì)信息的處理功能。系統(tǒng)主要以射頻芯片CC2530為核心，構(gòu)建了一款低功耗的ZigBee短距離無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)。閱讀器單元通過(guò)ZigBee技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確地采集到標(biāo)簽里面的信息。該設(shè)計(jì)思想具有廣泛的實(shí)際應(yīng)用前景。

【關(guān)鍵詞】 ZigBee CC2530 閱讀器 標(biāo)簽

近年來(lái)，我國(guó)鐵路部門(mén)加快了科學(xué)技術(shù)的步伐，大力發(fā)展電力牽引技術(shù)，積極引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)，列車(chē)行車(chē)速度越來(lái)越快。速度快，給國(guó)民帶來(lái)了方便，但是鐵路行車(chē)安全卻成為另一個(gè)亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

鐵路路面狀況信息作為列車(chē)行車(chē)的重要環(huán)節(jié)，其準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)問(wèn)題也是重點(diǎn)，更是難點(diǎn)。目前，列車(chē)接近臨時(shí)速度控制區(qū)段、接近封鎖施工地點(diǎn)或者施工地點(diǎn)鄰線(xiàn)行車(chē)時(shí)，地車(chē)間實(shí)時(shí)信息僅靠地面設(shè)置的移動(dòng)減速信號(hào)牌、作業(yè)標(biāo)、移動(dòng)停車(chē)信號(hào)牌以及響墩等信號(hào)標(biāo)牌。這種方式缺少了路面狀況信息的自動(dòng)傳送和控制，行車(chē)安全完全依賴(lài)機(jī)車(chē)司機(jī)的注意力和技術(shù)水平，稍有疏忽將直接危及行車(chē)安全[1]。基于此，亟需建立實(shí)時(shí)、可靠、準(zhǔn)確的鐵路安全巡檢機(jī)制，以確保列車(chē)運(yùn)行的安全。

ZigBee是一種基于IEEE802.15.4的低功耗、低傳輸速率、架構(gòu)簡(jiǎn)單的短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，它在自動(dòng)控制領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。由于其傳輸距離為數(shù)十米，使用頻段為免費(fèi)的2.4GHz與900MHz頻段，傳輸速率為20kbps至250kbps，且具有成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、耗電量小等特點(diǎn)，使得利用ZigBee技術(shù)組成的網(wǎng)絡(luò)具備省電、可靠、成本低、容量大、安全、自愈性強(qiáng)等諸多優(yōu)勢(shì)。因此，本限速信息采集系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)將具有良好的實(shí)際經(jīng)濟(jì)效益。

一、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件框架主要包括閱讀器和電子標(biāo)簽。閱讀器和標(biāo)簽的硬件結(jié)構(gòu)是一樣的，他們之間通過(guò)ZigBee無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議進(jìn)行短距離通信，通過(guò)ZigBee技術(shù)，閱讀器可以在一定范圍內(nèi)讀取到標(biāo)簽里面的信息。主要模塊有：射頻模塊、天線(xiàn)模塊、串口轉(zhuǎn)換模塊、外設(shè)接口和電源模塊。

1.1 射頻模塊

射頻模塊的設(shè)計(jì)是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，該電路主要由CC2530射頻電路、濾波匹配電路和天線(xiàn)匹配電路組成。

1.2 天線(xiàn)模塊

天線(xiàn)是射頻通信中的重要器件，其選擇非常重要，它的性能直接影響射頻通信的效果。微波段天線(xiàn)必須滿(mǎn)足以下幾個(gè)要求：大小合適能夠裝置到相應(yīng)的模具上；有全向或半球覆蓋的方向性；提供最大可能的信號(hào)給標(biāo)簽的芯片；天線(xiàn)的極化都能與讀卡機(jī)的詢(xún)問(wèn)信號(hào)相匹配。因此，該模塊采用的是2.4G 14dBi PCB平板定向天線(xiàn)，主要由帶精品抗氧化層的鋁反射板和0.5米的鍍銀高品質(zhì)饋線(xiàn)組成。

1.3 電源模塊

電源部分是整個(gè)系統(tǒng)正常工作的保證，如果電源部分出現(xiàn)故障，則有可能燒毀整個(gè)電路，每個(gè)模塊對(duì)電壓的要求有所不同，要保證通信的前端電量充足，需要對(duì)電壓進(jìn)行分類(lèi)管理，保證電源能夠達(dá)到整個(gè)電路工作正常的要求。串口轉(zhuǎn)換模塊

本模塊主要由芯片MAX485E（用于RS-485與RS-422通信的低功耗收發(fā)器，每個(gè)器件中都具有一個(gè)驅(qū)動(dòng)器和一個(gè)接收器）和芯片6N137（高速光電耦合器）組成的電路來(lái)完成串口轉(zhuǎn)換功能的，以便于后續(xù)調(diào)試的進(jìn)行。信號(hào)采集通常是模擬電路和數(shù)字電路的混合體，其中模數(shù)變換是不可缺少的，模擬電路和AD變換電路決定了系統(tǒng)的信噪比，在鐵路系統(tǒng)這種惡劣的環(huán)境下干擾比較多，為了保證通信的穩(wěn)定性，采用6N137將模擬電路及AD變換器和數(shù)字電路徹底隔離。

二、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在該系統(tǒng)下，閱讀器屬于可移動(dòng)ZigBee模塊，考慮低功耗、數(shù)據(jù)傳輸安全性等因素，閱讀器的工作模式設(shè)計(jì)為：每隔30ms定時(shí)發(fā)送查詢(xún)命令，并且自動(dòng)切換到接收狀態(tài)等待標(biāo)簽的回復(fù)；標(biāo)簽收到請(qǐng)求信息后會(huì)將標(biāo)簽信息發(fā)送給閱讀器。閱讀器在等待標(biāo)簽回復(fù)的時(shí)候會(huì)開(kāi)啟定時(shí)器計(jì)時(shí)。如果閱讀器附近存在標(biāo)簽?zāi)K，收到標(biāo)簽信息時(shí)，則會(huì)將該標(biāo)簽信息對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝成處理器需要的格式發(fā)送給處理器，同時(shí)向該標(biāo)簽發(fā)送滅活命令。然后再等待接收其他的標(biāo)簽信息，以確保所有的標(biāo)簽都被讀到。

三、結(jié)論

本文提出了基于ZigBee技術(shù)鐵道臨時(shí)限速系統(tǒng)的限速信息采集模塊的一種新的設(shè)計(jì)思路，硬件射頻部分采用具有成本低卻能建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的CC2530芯片，及覆蓋面非常廣的2.4G 14dBi PCB平板定向天線(xiàn)等；軟件部分也對(duì)閱讀器和標(biāo)簽的工作模式進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)限速信息采集系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)，使得整個(gè)系統(tǒng)中ZigBee模塊之間的通信及信息處理更加精準(zhǔn)、安全。本文提出的這一設(shè)計(jì)思路將為整套鐵道臨時(shí)限速系統(tǒng)提供了可靠的技術(shù)保障。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 金輝. 基于RFID技術(shù)的臨時(shí)限速便攜終端的研究與設(shè)計(jì)[D]. 廣州：華南理工大學(xué)，2011

[2] 李文仲，段朝玉. ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)入門(mén)與實(shí)踐[M] .北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007，4

[3] 高守瑋. ZigBee技術(shù)實(shí)踐教程[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009.6

[4] 李新. 基于CC2530的ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)[J]. PLC & FA，2011：97-99