基于Z I G B E E技术的无线车轮传感器的探讨

2017-08-02北京康拓红外技术股份有限公司李柳竺

电子世界 2017年14期

北京康拓红外技术股份有限公司李柳竺曲歌

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针对目前有线列车车轮传感器安装距离远、施工困难、不易组网等问题，结合zigbee网络技术设计了一套新型的无线车轮传感器。本文通过对Zigbee网络技术的分析，利用车轮传感器、信号转换模块和CC2630无线收发模块共同组成了无线车轮传感器传输网络平台，并进行了测试。测试结果表明，该无线车轮传感器系统安装和施工简便，传输性能良好，有较好的应用前景。

车轮；车轮传感器；ZIGBEE；无线传输

1.引言

随着铁路的不断提速，铁路线路的安全生产成为了铁路部门重点管理的一项工作，铁路沿线的施工和设备安装都必须要在规定的天窗时间内完成。列车车轮传感器是安装在铁轨上的一种探测车轮的传感器，具有开机、计轴、测速等功能，是铁路5T监控系统必不可少的组成部件。目前，车轮传感器的传输采用电缆传输的方式。当用于设备开机的触发器时，需要挖一条近100米长的电缆沟，施工比较困难。为了提高施工和设备安装的效率，减少施工工作量，本文提供和讨论了一种基于Zigbee的无线列车车轮传感器。

此无线车轮传感器系统主要是采用无源车轮传感器、信号转换部分和Zigbee模块组成。由于Zigbee协议的开源性和免费性，不需要再增加其他的部件。相比于传统无线技术和有缆车轮传感器，基于Zigbee的无线车轮传感器有如下的优点：

1）低功耗。由于铁路探测站经常位于野外，需要具备无人值守的条件，低功耗对于使用的寿命来说尤其重要。Zigbee模块的功耗仅为1mW左右，一般情况下，能工作1年半左右，满足铁路对维护时间间隔的要求。

2）成本低。基于Zigbee的无线车轮传感器的整体造价比有缆车轮传感器低近30%。

3）时延低。相比于普通的无线技术，Zigbee模块的时延非常短，适合应用于5T系统。

4）传输安全性和可靠性高。相比于普通的无线技术，Zigbee模块采用AES加密，破解困难，传输质量高，可以通过重复发送直到确认传输完成和增加传输节点的方式来保证传输质量。

5）组网便捷。Zigbee模块的信号传输距离一般为70米左右，如果加上用于中继的Zigbee模块，理论上可以无限远。在组网的时候，Zigbee模块安装方便快捷，能迅速连入实现组网，满足铁路施工的要求。

2.系统总体结构

该系统主要包括三部分：传感器部分、信号转换部分和数据传输部分。传感器部分采用磁感应线圈作为信号采集硬件，并对信号进行处理后得到车轮信号。信号转换部分具有传感器信号处理、信号转换等功能。数据传输部分由Zigbee模块组成，将传感器的信号进行传输并发送给上位机。

如图1所示为系统的结构图。

图1 系统结构图

3.系统设计

根据系统的要求，信号流程如下：当列车的车轮轧过车轮传感器时，由于车轮切割传感器的磁场产生电流，生成了一个正弦波信号。该信号经过信号转换部分，将信号进行滤波和正弦波转换，得到满足采集要求的车轮信号。车轮信号经过软件的处理和转换后，直接通过Zigbee模块发送，经过组网传输之后，室内的模块收到了该车轮信号的数据，上传给控制主机，进行进一步的处理。

3.1 硬件设计

系统采用TI公司的模块CC2630作为无线传输解决方案，并配合车轮传感器、信号转换模块和外围电路，形成用于铁轨边的一套无线车轮传感器系统。CC2630由Zigbee收发模块、128k的f l ash、8k的SRAM、AD采集模块等组成，功能强大且功耗极低，适应工作温度为-40℃至85℃，能满足野外长时间工作的需求。另外，CC2630还有多个I/O控制、AES加密解密内核、多个定时器等附属模块，且具有多种工作模式，能够实现超低功耗运行，可以满足不同条件下的控制和应用需求。24MHz晶振用于给处理器提供时钟，达到48MHz的时钟速度。32.768KHz晶振用于睡眠模式时为系统和看门狗提供睡眠时钟，以降低功耗。

CC2630的AD模块达到 12位精度，速率为200MSPS，可以用于直接采集传感器的模拟信号。

室外通信节点的硬件设计由外围电路、CC2630模块和接口外壳组成，针对Zigbee的工作要求，设计了电源处理电路、高温报警电路和过流保护电路等，以满足长时间运行的需要。

机房内协调节点主要起着接收各传感器节点信号，转发给控制主机的作用。协调节点直接由主机进行供电，当各传感器节点数据接收到之后，进行简单的处理和确认，然后上传给控制主机。

信号转换模块主要由滤波模块、电源模块和限幅模块组成，起到对传感器信号滤波、降幅和限幅的作用，保证输入Zigbee信号的完好和易于采集，实现阻抗的匹配。放大芯片选用了TI的TLV8812芯片，该芯片属于超低功耗和低工作电压的芯片，最大工作电流为850nA。整体的工作电流为0.02mA，使用两节5号电池供电能用5年，满足系统功耗的要求。

3.2 可靠性设计

由于1号车轮传感器的信号关系到系统的开机探测，可靠性非常重要，在系统中我们采取了一些设计，保证车轮传感器的信号迅速、准确、有效的传递给控制主机。

1）冗余设计。通过增加Zigbee模块在1号车轮传感器的数量，保证能同时有两个以上的模块同时给主机发送车轮传感器的信号信息。另外，把这两个模块同时接入Zigbee网络内，增加系统的传输可靠性。

2）中继模块设计。在1号车轮传感器与2、3号之间，或者1号与机房之间，适当的增加Zigbee模块，保证信号传输的连续性，保证传输质量和效率。

3）保护盒设计。设计了Zigbee模块专用的防水保护盒，防水等级达到IP67，可以卡在钢轨下方，同时天线通过塑封方式外露，延伸到铁轨侧面，保证RF信号不会受到遮挡。