基于ZigBee网络的智能铁鞋系统设计

2012-08-13郑云水

电子技术应用 2012年12期

马飞，郑云水

（兰州交通大学自动化与电气工程学院，甘肃兰州 730070）

在铁路车站，铁鞋是停车防溜的必要设施，在停车后是否放置到位直接关系到车辆是否能够安全防溜，而是否全部取出关系到列车发车的安全。一直以来，由于铁鞋的领取、安放、取出、还回这4个主要操作过程都是通过人工操作来完成的，各级管理人员无法及时判明铁鞋是否处于安全状态[1]。近年来市场上出现一种带有无线传输模块的智能铁鞋，将铁鞋的基本状态通过无线方式直接发送到控制室。但是传统的无线模块是点对点的直接传输，这种传输方式抗干扰能力差、安全性低、传输距离受其发射功率及频率等影响不能完全满足现场需求。

为了解决上述问题，本文提出采用基于ZigBee的新型无线网络代替传统的无线模块的设计方案。该方案具有无线自组网(为了能够实现传输接力)、抗干扰能力强、传输效率高、低功耗、通信内容加密等优点[2]。

1 系统的总体设计方案

基于ZigBee网络的智能铁鞋系统是一种新型的铁鞋定位与安全管理系统。该系统通过在传统铁鞋上加装基于ZigBee网络的数传模块，实现对铁鞋状态的实时监控。ZigBee数传模块分为两种：一种是装在铁鞋上，具有采集铁鞋实时状态和传输采集数据的功能，称为采集器；另一种是位于控制室的协调器，具有建立和维护系统网络以及收发数据和连接上位机的功能[3]。系统框架如图1所示。

2 硬件设计

2.1 采集器

采集器的结构图如图2所示，由CC2530单片机、CC2591功率放大芯片组成采集器核心板；压力传感器、轻触开关S1、S2及电源组成采集器扩展板。两者通过接口插在一起，便于后期系统的升级及软硬件调试，并可提高整个系统的通用性。对其略加改造就能适合其他项目的开发，从而大幅度地降低了研发成本和缩短研发周期。

2.2 协调器

协调器端的硬件框图如图3所示。该部分用来建立和控制ZigBee无线网络，并将从采集器反馈的数据通过USB接口直接输入到PC机中供上位机软件(智能铁鞋管理系统)分析与管理。

本设计采用美国 TI公司生产的 CC2530、CC2531作为主控芯片，该芯片是传统CC2430的升级版，它基于8051内核，拥有 8 KB的 RAM、256 KB（最多）的 Flash内存，其点对点传输速率最高可达250 Kb/s[4]。其整个系统抗干扰能力强，能符合现场复杂多变的要求。

为了进一步提高ZigBee网络的覆盖范围，采用CC2591作为信号放大器件，将传统的75 m点对点传输通信距离扩展到1 km以上，再加上ZigBee网络传输的网络接力性，使其整个无线网络的覆盖范围满足现场需求。采集器核心板电路图如图4所示。

为了检测车轮是否良好地压在铁鞋表面（防止铁鞋被挤飞），采集器的压力传感器采用LAE-D型压力传感器，将压力变化引起的惠斯通电桥不平衡电压通过高精度仪用放大器AD620AR放大输出到CC2530的P0_0口；把电源的供电电压通过放大器件AD705JR输出到P0_1口，与P0_0口的输入形成差分放大从而减小共模影响。其中，AD620AR的放大倍数由RG变阻器控制，其放大倍数G=49.4 kΩ/RG+1。为了不使其输出电压超过CC2530的 AD端口(P0_0)，输入电压的最高值取 3.3 V。当压力传感器满量程时，惠斯通电桥的差分输出电压公式为V0=V+-V-=2 mV/V×5 V=0.01 V，因而放大倍数不得高于 330倍，RG最小可为 150 Ω。在现场复杂多变的情况下，车轮对铁鞋的压力有可能远远超过压力传感器的测量范围。为了解决这一问题，可以在铁鞋机械设计时考虑采用杠杆原理。通过调节杠杆臂长来调节车轮对压力传感器的冲击力，使其在额定范围内工作。压力传感器电路图如图5所示。