铁路车辆检修调车自动探测报警装置设计

钟璐远

摘 要：设置和实现一种基于ZigBee通信技术的调车自动探测报警系统[1]。采用集成射频微处理器芯片CC2530作为核心无线传输模组，基于Z-stack协议栈的ZigBee结合压力传感器部署在铁路中作为数据采集节点，将信息无线传输，最终实现铁路货车远程多点调车自动报警功能。

关键词：ZigBee；压力传感器；调车；CC2530

中图分类号：U279.3 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）30-0097-02

Abstract： This paper intends to set up and implement a shunting automatic detection and alarm system based on ZigBee communication technology. The integrated RF microprocessor chip CC2530 is used as the core wireless transmission module. The Zigbee based on the Z-stack protocol stack and the pressure sensor are deployed in the railway as the data acquisition node to transmit the information wirelessly. Finally， the automatic alarm function of remote multi-point shunting for railway freight cars is realized.

Keywords： Zigbee； pressure sensor； shunting； CC2530

引言

鐵路货车车辆检修过程中，调车作业信号报警采用的是人工控制模式，由作业人员人工判断作业状态，手动控制广播警报系统，实现广播语音警报和轨边警报灯闪烁，达到预警效果。然而，现行控制系统，常常出现信号延迟、传输故障等问题，这对高风险的调车作业造成了一定的安全隐患。目前，较为先进的轨道电路主要用于工务、车站、地铁等主要使用单位，其成本高、投入大、功能复杂，而在铁路货车车辆检修调车作业过程中，需要设置一种单一区域联网、廉价实用的调车自动探测报警装置。

本文借鉴轨道电路的工作原理结合货车检修实际作业环境，采用ZigBee无线组网技术取代人工控制的传统模式。压力传感器感知车轮通过压力信息，通过无线传输，实现调车自动探测报警。

1 整体架构设计

系统主要由采集、传输和控制节点组成，并采用Z-stack无线网络通信方式。

部署在轨道的压力传感器将现场工作状态的压力值转换成对应的电压或电流信息，通过CC2530通信模块传送到无线数据采集器。传输节点通过点播的方式连接采集节点和控制节点。当数据通过传输节点，传输节点将会解析数据，通过阈值判断是否需要传输警报信息到控制节点。控制节点主要通过继电器实现小电压控制大电压，达到启动报警装置，如图1结构图所示。

2 硬件平台设计

2.1 无线传输模组设计

硬件系统使用TI公司的CC2530作为无线传输器件，CC2530中集成8051 CPU，8-KB RAM，可编程闪存，硬件小而轻，标准2.54引脚接口。硬件可工作于2.4GH频段，无限传输速率最高可以达到250kbps，自主添加2.4G天线，传输有效距离250米，并支持重连距离达110米，采用低电压供电，待机电流仅消耗0.2A，电池供电可达6个月，CC2530具备良好的灵敏性和抗干扰能力，适合于铁路检修等环境复杂的现场中。

ZigBee技术是一种应用于短距离数据传输速率低的电子设备的无线通信技术[2]。采用IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议其特点是低数据速率、低复杂度、近距离、低功耗、低成本、自组织。在自动化控制领域和远程无线控制领域，ZigBee技术都拥有很好的契合度，并且还可以嵌入到各种设备上使用。

本系统采用集成化单片机+ZigBee模组，作为采集节点。

2.2 压力传感器

由两个聚酯薄膜组成的标准RFP压力传感器，其中有导体和半导体。如果有外力作用于传感点，压力传感器的电阻值会随外力的变化而变化。当压力变为零时，阻力值达到最大值。压力越大，阻力值越小。在铁路轨道上部署差异性密度传感器节点，取得不同的空间分辨率。不同的传感器面积能够得到的压力值不同从而满足铁路检修出车报警功能所需的压力信息。

2.3 继电器模组设计

在铁路货车车辆维修中，电压普遍较高，需要通过ZigBee+继电器无线传输实现小电压控制高电压这里使用继电器。本系统采用的继电器是一种模拟的电器控制器件，继电器中存在一个电磁铁，当输入的激励量达到了预定的阈值后，这将激励电磁铁发生跳变，使触点从常闭变为常开状态，继电器相当于一个自动开关，实现小电流控制大电流[3]。

3 系统软件设计

3.1 程序总体设计

在铁路货车车辆检修过程中，环境复杂，本系统采用点播组网的形式进行传递数据，即使一条线路损坏不会影响到其他线路。

ZigBee+压力传感器部署在检修货车轨道出口，作为数据采集节点。ZigBee+协调器通过点播的形式进行数据传输。ZigBee+报警器作为控制节点，当接受到协调器传递的数据后，将通过启动继电器打开高电压报警器从而实现报警功能。

3.2 采集和控制程序设计

打开采集、传输、控制节点电源后，系统将会初始化，首先采集终端和控制终端会通过信道扫描寻找协调器，一旦存在协调器与终端节点处于同一PID下，则加入网络成功，形成无线传感器网络。如果终端节点没有处于休眠状态即存在事件处理信息，采集节点将通过无线网络发送给协调器，协调器会通过阈值压力判断是否传输信息到控制节点，如果处于休眠状态则需要等待休眠时间结束收到信号后才去处理事件，如图2所示。

3.3 协调器程序设计

由于本系统只会收集压力传感器且一条线路存在一个传感器，因此选择点播的方式。协调器节点创建网络的流程，在系统上电后，协调器会对硬件和烧写的协议栈程序进行初始化工作，准备好信道然后实时扫描是否有子节点加入网络。只要协调器收到了终端节点的入网请求，就会对终端节点进行数据的验证，如果节点合法则允许加入网络并分配地址，协调器这时能够接受终端节点上传的各类数据。

4 结束语

本系统依据铁路货车车辆检修中调车存在的风险提出基于ZigBee的无线网络传输技术，通过压力传感器的数据提示报警撤离，规避检修施工的风险。同时自组网模式适合货车检修等复杂的现场环境，且具有低功耗、布线简单等特点。相信未来几年，ZigBee无线网络技术能够广泛地应用于视频监控、工业控制、定位监测等领域。

参考文献：

[1]杨晓明.基于ZigBee技术的智能家用燃气报警系统[D].哈尔滨理工大学，2012.

[2]王东恩.基于ZigBee的无线网络技术及其应用[J].硅谷，2012.

[3]何龙.基于PIC单片机的自动化测试系统设计[D].华中师范大学，2013.

[4]槐党社.铁路调车作业安全问题分析[J].科技创新与应用，2016（22）：286.