基于混合网络的机场行李传送车计量系统设计

张积洪，胡江瑜，王 帅

（中国民航大学电子信息与自动化学院，天津 300300）

基于混合网络的机场行李传送车计量系统设计

张积洪，胡江瑜，王 帅

（中国民航大学电子信息与自动化学院，天津 300300）

针对机场行李传送车的服务时间与服务量的不准确计量，设计基于ZigBee-WLAN/Ethernet混合网络的行李传送车计量管理系统；主要通过安装在该车辆上的传感器节点对机场环境温度、油缸撑角压力、履带顶端橡胶管与航空器货舱门的距离、行李个数等信息进行采集，然后通过ZigBee-WLAN/Ethernet混合网络将信息传输至监控中心处理成时间节点并存储，从而实现对该车辆服务时间与服务量的计量管理；此系统能准确采集行李传送车上的传感器信息，并稳定传输至地面监控中心，为航空公司与机场提供自动化、便捷、精确的计量管理方式，具有一定的实用性与参考价值。

行李传送车；ZigBee协议；WLAN协议；Ethernet协议；混合网络；传感器

随着中国航空业的大力发展，机场的年吞吐量越来越大，而每个航班都需要行李传送车，从而导致该类车辆的数目越来越多[1]。随着行李传送车数目的增多，获取该车辆服务航班架次数、工作时间、行驶里程、行李传送件数等数据信息也越来越多，对每一辆行李传送车的监控、管理工作量也越来越大[2-3]。

国内现有的方案只是针对机场特种车辆的调度，而对机场车辆工作状态的监测还处于空白阶段。目前，中国国内机场对行李传送车的管理模式还是通过地勤人员的记录结果输入数据库，然后定期与航空公司结算费用。这样的管理模式具有很大的弊端，如人员记录的不准确与结算中心录入数据的不准确等。同样国外现有的方案只是监测机场车辆的位置，没有对机场车辆的工作状态进行监测，因此国外机场对特种车辆的服务时间以及服务量的监测还处于探索阶段[4-5]。

近年来，Zigbee在机场上的应用主要包括机场鸟情监控系统、机场机房环境采集数据系统以及网络围界报警系统等[6-8]。但考虑到Zigbee网关频带窄、传输距离短以及监测范围不足，且机场机坪有近机位与远机位，监控中心数据量大，导致ZigBee网络带宽无法满足要求。

为此，提出一种基于ZigBee-WLAN/Ethernet的机场行李传送车计量管理系统的方案，主要实现对该车辆进行精确定位以及服务时间与服务量的精确计量计费。通过实现这套设计方案，可节省人力物力，提高行李传送车的工作效率，加强机场对行李传送车的监控和管理力度，为机场与航空公司提供更加精确、便捷的计量管理方式。

1 系统总体设计

本系统主要由终端节点、协调器、网关节点、机场生产网络和地面监控中心组成。其总体设计框图如图1所示。

图1 系统总体设计框图Fig.1 Overall design of system block diagram

终端节点的功能是对行李传送车的位置、工作状态等信息进行监测并进行数据上传，同时接收监控中心下发的通知与调度信息[9]。由传感器模块、身份识别器、定位模块、无线通信模块组成。其中传感器模块包括计数传感器、压力传感器与距离传感器。计数传感器安装在履带顶端，实现对旅客行李个数的计数。压力传感器安装在4个液压油缸撑角上，用于监测油缸撑角压力，以确定该车辆是否开始传送行李。距离传感器安装在履带橡胶管末端，用于确定履带顶端缓冲橡胶管是否接触航空器货舱门。

协调器的功能是实现对ZigBee网络的建立、管理、数据指令的接收与转发。网关节点的作用是实现ZigBee协议与机场生产网协议的互相转换，其按照信号的传输距离分布在机坪、停机位等行李传送车活动范围[10]。考虑机场的特殊环境，设计Zigbee-WLAN/Ethernet混合网络网关，包括ZigBee转Ethernet模块，实现机场近机位、航站楼的网络覆盖；以及ZigBee转WLAN模块，实现机场远机位以及没有有线网络环境的网络覆盖。地面监控中心对机场行李传送车的运行数据进行管理并对该车辆进行调度，即监测该车辆的运行轨迹和管理收集到的数据信息，为保障航班正常率和统计工作量提供数据支撑。

为实现对行李传送车的计量，需对其作业开始时间、结束时间及行李传送个数进行监测。本系统定义开始工作的判断方法为：当压力传感器监测到压力值大于9 800 N且距离传感器数值大于3 cm小于5 cm时，判定行李传送车已接触航空器货舱门并开始工作，并把同时满足这2个条件的时间作为开始时间。当压力传感器监测到压力值为0且距离传感器数值大于5 cm时，认定行李传送车结束工作，并把同时满足这2个条件的时间作为结束时间。中间过程中计数器的个数即为旅客行李个数。对行李传送车的服务位置判断主要利用GPS定位技术，通过GPS定位信息进行比对，判断该车辆为哪一架次航班服务，并结合位置信息判断服务航班的航班号，从而实现对其作业时间与作业量的计量。

2 终端节点设计

2.1 终端节点硬件设计

终端节点硬件设计主要由传感器模块、ZigBee收发器、身份识别模块、定位模块以及电源模块构成。其结构框图如图2所示。

图2 终端节点硬件框图Fig.2 Hardware block diagram of terminal node

结合行李传送车的实际情况，可知距离传感器模块与压力传感器模块的安装位置与安装在驾驶室的CC2531处理器间的距离较远，使用型号为MAX3082的485驱动器将距离信息转换为串行数据并通过485双绞线进行远距离传输。压力传感器模块内部自带一个AD转换器，可将模拟量转换为数字量并通过485驱动远距离传输至串口分配器。串口分配器将两路串行数据合成一路串行数据并通过UART0传输至CC2531。身份识别模块通过USB与CC2531相连，主要负责对行李传送车工作人员的身份确认。定位模块通过RS232与CC2531相连，以确定行李传送车的行车轨迹，保证该车辆到达服务机坪。

为了确定履带顶端橡胶管离航空器货舱门之间的距离，在履带顶端安装DLS-A15激光测距传感器。当飞机使用“二次对靠”法对靠航空器货舱门时，可以通过测量激光往返目标所需时间来确定目标距离，然后将距离信息转换为串行数据并远距离传输至CC2531处理器。为了确定行李传送车当前工作环境，使用PT100温度传感器采集温度，并通过P0_1口将模拟信号转换为数字信号传输至CC2531。

为了对行李传送个数进行计数，在履带中间安装对射式红外传感器。当旅客行李经过红外线时，接收机接收不到发射信号，则传感器产生一个脉冲信号，通过P0_0口传输至CC2531中，同时计数器计数得到传送个数。为了确定该行李传送车是否开始传送行李，需使用NS-B型压力传感器测量该车辆油缸撑角压力信息。此压力传感器的4个应变片组成1个电桥，当油缸撑角产生压力时，电桥形成电势差E，并经过放大器放大后，通过传感器模块内部的AD转换器将模拟信号转换为数字信号，并通过485驱动将压力信息发送至CC2531处理器。

2.2 终端节点数据采集软件设计

终端节点数据采集软件设计使用ZigBee网络对终端节点进行组网，其程序流程图如图3所示。

图3 终端节点数据采集程序流程图Fig.3 Flowchart of terminal node data acquisition program

设备上电后，终端节点发出入网请求，申请加入ZigBee网络。入网成功后，使用定时器T2定时1 s采集位置与传感器信息。通过行李传送车上定位模块中的传感器实时采集坐标信息，并通过定位算法处理成位置信息，通过位置信息比对可以确定行李传送车是否到达服务机坪。

到达机坪后，终端节点依次采集压力信息、距离信息、温度信息与旅客行李个数信息。当微处理器接收到判定油缸撑角压力值大于9 800 N、履带顶端缓冲橡胶管与航空器舱门之间的距离大于3 cm小于5 cm以及计数器数值开始增加这3个条件满足时，终端节点采集数据并发送至服务器。若没有接收到压力变化信息、距离变化信息以及计数器个数变化信息时，安装在驾驶室的指示灯亮，工作人员通过终端上的按钮手动确认是否继续采集传感器信息。

2.3 定位算法设计

本设计从定位技术的成本、精确度、搜索速度以及工作范围等因素考虑，选取伪距差分GPS定位技术。差分GPS定位系统主要由基站与移动站构成。基站的位置需要固定，且具有良好的视野，可准确接收卫星信号，考虑机场的环境，可选取机场相对较高的塔台或航站楼作为基站，并将基站与机场的服务器相连接[11-13]。移动站即为安装在行李传送车上的终端节点，多个车辆可同时工作。

在运动过程中，基站与移动站同步观测GPS卫星，则可以得到在t时刻时基站r与移动站k到卫星j的伪距值分别为

由于星历误差、电离层误差与对流层误差，GPS接收机直接测量的伪距存在着误差，两者之间的误差即为伪距校正值行李传送车在测伪距的同时，接收来自基站的伪距校正值，用来改善其伪距值，又因在机场环境下，差分GPS站间距离小于100 km，可基本消除卫星星历误差、卫星钟误差、电离层误差与对流层误差。则可得到改正的伪距值为

此时，基站与移动站同时观测4颗GPS卫星，用字母l、m、n表示另外3颗卫星，则可以列出一个方程组为

其中：Xj、Yj、Zj为卫星j在t时刻的在轨位置。由式（4）可知，未知量为Xk、Yk、Zk、d，则可通过4个方程解出移动站用户接收机在t时刻的三维位置（Xk，Yk，Zk）。

因此，基站接收卫星发送的位置信息，将此信息与已知的基站精确位置作比较，得到基站的差分校准信息。因为基站与服务器相连接，所以服务器将差分校准信息打包成数据帧形式，通过系统的下行链路（监控中心至终端节点）发送GPS校准信息至车辆终端。当行李传送车接收到GPS校准信息后，通过与自身获得的卫星发送信号比对，得到该车辆的准确位置信息，并传输至监控中心。

3 网关节点设计

3.1 网关节点硬件设计

网关节点硬件主要包括工控机、Ethernet模块、ZigBee收发器与WLAN模块等[14-16]，如图4所示。

图4 ZigBee转Ethernet/WLAN网关硬件结构框图Fig.4 Hardware block diagram of ZigBee switch to Ethernet/WLAN gateway

Ethernet模块主要采用Ethernet芯片W5300来进行驱动，WLAN模块主要采用AR9344芯片进行驱动。工控机主要用于完成对外围设备接口的信号采集与工作处理，并实现Ethernet模块与WLAN模块的转换。即通过查询的方式接收数据帧，并判断由Ethernet模块转发还是由WLAN模块转发。设计时采用工控机连接扩展各个外围接口电路，并通过UART接口与ZigBee收发器相连，采用FSMC总线方式与Ethernet模块连接，采用SPI总线方式与WLAN模块相连。

Ethernet驱动部分主要负责将网关采集的数据转换为Ethernet协议数据，通过网络接口传输至机场生产网络。反之，接收Ethernet的数据，存储到接收缓冲区以供控制部分读取并进行处理。WLAN模块主要是将工控机处理后的串行数据帧转换为WLAN数据帧，并通过内部的RF模块将数据发送至机场生产网络。

3.2 网关软件设计

在网关软件设计中，首先进行相关设备的初始化，再进行ZigBee数据帧的传输。其网关软件程序流程图如图5所示。

图5 网关软件程序流程图Fig.5 Flowchart of gateway software program

首先通过数据传输方式判断ZigBee数据帧是否传输至WLAN网络，当数据帧传输至WLAN网络时，网关节点判断是否接收到ZigBee数据帧。若接收到的是ZigBee数据帧，则进行WLAN的TCP/IP封装，并通过WLAN将数据帧发送至服务器。若接收到的是WLAN帧，则进行TCP/IP解封装，再通过ZigBee转发至服务器。

当ZigBee数据帧传输至Ethernet网络时，网关节点判断是否收到ZigBee数据帧。若收到的是ZigBee数据帧，则进行Ethernet的TCP/IP封装，并通过Ethernet将数据帧发送至服务器。若接收到的是WLAN帧，则进行TCP/IP解封装，再通过ZigBee转发至服务器。

4 上位机实现与测试

4.1 数据传输测试

为了确定系统的稳定可靠性，建立一个基于混合网络的机场行李传送车计量系统。实现由监控中心在不同时间、不同地点、不同天气下对信号的丢包率进行测试。根据行李传送车的工作时间，在一天范围内抽取5个时间节点：7：00、10：00、12：00、16：00、20：00。根据行李传送车的行走路线，选取2个不同地点：机场廊桥下与机坪。根据天气的不同，选取3种不同的天气：晴天、雨天、阴天。在此，终端节点发送11 219个信号，其实验数据如表1所示。

表1 不同天气、地点、时间下的接收信号个数测试结果Tab.1 Test results of number of received signals with different weathers，locations and times

从表1可得，在不同天气、不同地点、不同时间下的接收信号个数不同，根据丢包率=接收信号个数/终端节点发送信号个数，可得丢包率均在1%下，其误差范围较小。测试结果证明：系统数据传输正常、工作稳定、性能可靠。

4.2 功能测试

监控系统软件的数据库设计基于 SQL Server 2008，开发语言采用 Visual Studio2010平台下的Visual C++。针对行李传送车服务计量，截取对该车辆的计量监测与管理系统监控画面，如图6所示。

图6 计量监测与管理系统监控界面Fig.6 Monitoring interface of measurement monitoring and management system

监控界面主要包括服务架次航班信息、工作人员信息、旅客行李个数信息、温度信息以及服务时间信息。如图6所示，当行李传送车对飞机进行过站服务时，通过机场运行数据库得到当前需服务飞机的预计航班时间、航班号、机号、机型以及停机位信息，并在监控界面准确显示。车载终端实时运行获取GPS信息进程，并通过混合网络发送至地面监控中心，由监控中心处理成位置信息并进行信息比对以判断机场行李传送车的实时位置。

通过身份识别器可确定工作人员的身份信息，温度传感器确定当前工作环境温度，行李个数传感器确定旅客行李的准确个数，并将相应信息准确显示在监控界面上。同时，对行李传送车工作状态的监测也能准确通过服务起始时间、服务结束时间以及服务时间体现出来。行李传送车作业完成后，通过服务时间进行计费，时间不满1 h，按1 h收费，并将费用显示在监控界面上。工作人员可通过系统查询界面查询行李传送车的工作状态信息。其系统运行的数据统计结果如图7所示。

图7 系统运行数据统计结果Fig.7 Statistical results of system operation data

测试结果表明，该计量管理系统人机交互界面友好，工作状态信息查询以及计量计费准确，具有一定的可行性与运行可靠性。

5 结语

本文提出了一种基于ZigBee-WLAN/Ethernet的机场行李传送车计量管理系统。采用了传感器节点与CC2531相结合的终端节点采集模块进行数据采集。通过ZigBee-WLAN/Ethernet混合网络将终端节点采集到的数据传输至机场地面监控中心，实现了对行李传送车的智能化管理。该系统的测试与运行结果表明，机场行李传送车计量管理系统稳定可靠、人机交互界面友好，本系统具有一定的可行性与运行可靠性。

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（责任编辑：黄 月）

Design of airport baggage cart measurement system based on Hybrid network

ZHANG Jihong,HU Jiangyu,WANG Shuai
（College of Electronic Information and Automation,CAUC,Tianjin 300300,China）

Aiming at inaccurate measurement of airport baggage car service hours and the volume of services,a baggage transfer vehicles measurement and management system is designed based on ZigBee-WLAN/Ethernet hybrid network.Primarily using the sensor nodes mounted on vehicles to collect the airport environment temperature, fuel tanks,support angle pressure,the distance of top rubber tube and aircraft cargo door,the number of baggage and other information is transferred to monitoring center for working out time nodes and storing through ZigBee-WLAN/Ethernet hybrid network.So the measurement of vehicle service hours and the amount of service will be achieved.This system can accurately collect baggage car sensor information,and stably transfer to the ground control center,providing automated,convenient and accurate measurement for airlines and airports.This system has certain practicability and referencial value.

airport baggage transfer vehicles metering management;ZigBee protocol;WALN protocol;Ethernet protocol; hybrid network;sensor

V35；TP393.1

A

1674－5590（2017）02－0041－05

2016-09-01；

2016-10-09

中央高校基本科研业务费专项（3211016D015）

张积洪（1956—），男，辽宁大连人，教授，硕士，研究方向为机场特种设备及机电一体化技术.