铁道施工预警体系探究

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本文作者：苏和平郗仲平作者单位：天水师范学院

Xbeeproseries2模块简介

Zigbee是一种新兴的短距离、低速率的无线网络技术，最初应用于传感器之间的近距离无线连接，它基于IEEE802.15.4协议标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信，这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，所以它们的通信效率非常高。Zigbee是一个由可多到65000个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台，十分类似现有的移动通信的CDMA网或GSM网，每一个Zigbee网络数传模块类似的一个基站，在整个网络范围内，它们之间可以进行相互通信；每个网络节点间的距离可以从标准的75米，到扩展后的几百米，甚至几公里；另外整个Zigbee网络还可以与现有的其它的各种网络连接。通常，符合如下条件之一的应用，就可以考虑采用Zigbee技术做无线传输：需要数据采集或监控的网点多；要求传输的数据量不大，而要求设备成本低；要求数据传输可性高，安全性高；设备体积很小，不便放置较大的充电电池或者电源模块；电池供电；地形复杂，监测点多，需要较大的网络覆盖；现有移动网络的覆盖盲区；使用现存移动网络进行低数据量传输的遥测遥控系统。Xbeeproseries2模块是美国DIGI公司基于Zigbee技术，专为超远程，低数据传输率，高可靠性，低功耗应用而设计的无线数据传输模块，在工业自动化控制及电力配电系统中获得了广泛的应用，该模块主要性能如下：工作频率2.4G,通讯距离1.6公里（明视距离），发射功率100mW(20dBm)，发射状态电流295mA(@3.3V)，接收状态电流45mA(@3.3V)，接收灵敏度-102dBm，RF数据传输率250,000bps，兼容TTL电平的异步通讯接口，模块可工作于基于AT命令的透明传输模式和基于帧结构的API传输模式。在由一定数目的模块构成的Zigbee网络中，必须指定一个模块为协调器才能启动该网络，其余模块可根据其在网络中的作用分别设定成路由器或设备终端，被称为路由器的模块具有中继功能。可通过DIGI公司X-CTU软件将模块方便地设置成协调器、路由器或设备终端。每一模块具有一个64位（8字节）唯一地址和16位（2字节）网络地址，模块之间的所有数据的传输都依赖于唯一地址或网络地址。被定义为协调器的模块，其网络地址为0x0000。API方式可高效率传输数据，其数据帧格式如图1。起始标志表示一帧的开始，数据长度占两字节，以字节为单位标识帧数据的长度（不包含数据长度及校验和字节），校验和=0xFF－帧数据逐字节相加后取低8位值。API标识代码标识API帧数据特性，其具体意义表示如表1。由API标识代码决定了API帧数据的组成，最常用的API标识为0x10和0x90。其帧数据的组成如图2、图3。将16进制数据“0x010x020x030x04”发送到地址为“0013A20040552B10”的模块的API数据包为：“0x7E，0x00，0x12，0x10，0x00，0x00，0x13，0xA2，0x00，0x40，0x55，0x2B，0x10，0xFF，0xFE，0x00，0x00，0x01，0x02，0x03，0x04，0x63”。一个典型的API数据接收包为：“0x7E，0x00，0x10，0x90，0x00，0x13，0xA2，0x00，0x40，0x3A，0x5B，0x97，0x03，0xD3，0x00，0x74(T)，0x65(E)，0x73(S)，0x74(T)，0xB8”，它表示的意义是：该数据为一个API接收包，包的数据长度为16字节，该包由地址为“0013A200403A5B97”的模块发出，数据内容为“test”。该模块被封装成20脚双列直插结构。

系统构成及功能

系统由传感器终端，具有中继功能的路由器和报警主机三部分构成。通过基于Zigbee技术的Xbeeprose-ries2模块组成的个域网（PAN）将其联系起来。传感器终端负责检测列车到来信号并以报警主机的64位模块地址为目标地址发送信息到报警主机，主机接收到列车到来信号后，用声光方式告知工作人员，并对报警开始时间和确认时间进行记录存储。考虑到本系统在单线的应用，主机可同时工作于上行和下行两个通道。在现场使用中遇到山包、隧道、强干扰导致通讯距离不够时，可在适当的地方增加路由器保证通讯的畅通，为了现场的使用方便，传感器终端、路由器及报警主机都进行了低功耗设计，对体积和重量采用最优化处理，传感器终端和路由器可工作在实验和运行两种状态，实验状态主要是拉距离时可从讯响器的声音知道通信是否正常，这点对于决定路由器及传感器的放置点非常方便。系统结构如图4。

系统的硬件电路设计

1报警主机

报警主机作为报警网络的服务器协调与其它模块的通讯，主要功能如下：⑴在开始布区时，接收路由器或传感器终端发来的tset信号，并发送应答信号；接收到路由器或传感器终端的运行信号后，若该报警器主机是第一次应用或是在网络复位情况下应用，则路由器或传感器终端在由test状态切换到运行状态时将该节点的64位模块地址依照其实验顺序进行记录，以供以后定位通讯故障做依据。当检测到上述状态的切换是传感器终端发出的，该路由布区状态进入监控报警状态。⑵在监控报警状态，当检测到传感器终端发来的列车到来信号后，启动高分贝讯响器及高亮度发光管报警，并记录列车到来的日期时间，报警时间持续到确认键按下结束。在没有列车到来信号时，报警主机每5秒给传感器终端发送一次心跳信号并等待返回信号，如果收到返回信号，表示通信链路正常，否则，查询是哪个路由器节点通讯不正常，最终在显示屏上显示出来并以声光信号报警。⑶存储5000点的报警数据，可在主机液晶屏上查询。⑷报警主机的硬件结构框图如5所示，考虑到系统运行在μC－OSⅡ，微控制器选用C8051F340，由于它内嵌64K程序存储器和4KRAM及丰富的外设功能，仅需少量的外部芯片即可满足设计要求，和无线模块的通讯用UART0，显示单元用PCF8576驱动字段式液晶屏，时钟电路芯片选用PCF8583，AT24C1024用来存储报警点数据，它们都通过C线和微控制器交换数据。图5报警主机框图电源管理单元主要完成系统中电源的调理，内容包括对单节锂电池的稳压和12V升压，系统主电路所需电压为3.3V，为了尽可能的提高电池的利用率，选用了压差为140mV的TC1262低压差稳压器为系统的主稳压器。升压用DC/DC变换器，给报警单元提供足够的功率保证有一定的响度。⑸报警单元受微控制器和主机监控电路的双重控制，主机监控电路由X25045芯片完成，当报警主机系统正常工作时，每隔一定时间会发出一个脉冲对芯片中的看门狗定时器复位，芯片输出低电平，当报警主机系统有问题时，将导致芯片相应管脚输出高电位驱动讯响器发声。

2传感器终端

传感器终端主要完成对列车到来的信号的检测，并将该信号进行抗干扰处理，通过无线模块发送到报警主机。列车到来信号的拾取采用金属探测器原理，即利用路轨上安装金属探测模块，当列车车轮扫过探测器表面时输出一个低电平信号给微控制器。为了提高可靠性，采用两个金属探测模块并行工作的方式，防止单一传感器故障时漏报信号，当其中一个探测模块有问题时，除了给报警主机发送列车到信息外，同时还发送相关探测模块故障信号。探测器和传感器终端用缆线连接，为防止缆线拉断故障，专门在缆线中设置一根闭合导线（图6中缆线c、d），由M_CHECK信号标志缆线连接是否正常。探测模块与传感器终端的连接见图6，SIG1、SIG2信号送入传感器终端的微控制器进行处理。传感器终端的微控制器仍用C8051F340，内嵌DC/DC升压模块提供6V电压给金属探测模块供电，电原理框图如图7。

3中继路由器

模块硬件结构如图8，它主要由微控制器、Zigbee模块和电源管理模块构成。在系统中主要作为中继模块使用。和传感器终端一样，它同样工作在试验和运行两种状态，拉距离在试验状态，正常工作在运行状态。

软件设计

考虑到应用程序工作于实时操作系统μC－OSⅡ，软件编程要对基于C8051F340上运行μC－OSⅡ进行移植，根据系统组成，相应软件可分为报警主机软件，中继路由软件，传感器终端软件。

1报警主机软件

类似于服务器软件，除了对路由节点、传感器终端进行管理外，还要分别对报警主机显示、键盘输入、报警信号提示、报警数据管理等实时响应，考虑到应用的高可靠性，对通讯链路的工作状况实时监测，其方法是在系统进入正常报警状态后，每隔5秒钟由报警主机发送心跳信号给上下行传感器终端，传感器终端接到报警主机的心跳信号后返回相应的应答信号，主机收到应答信号表示通信链路正常，否则，主机会按照布区的路由器和传感器终端的顺序依次进行查询，最终找到不能通讯的节点，并在显示屏上提示和产生相关的报警声，对节点的查询也可手工查询，内容包括通讯链路是否正常，节点电池剩余电量等。主机可存储5000组报警数据，内容包括报警时的日期时间和报经确认的日期时间，这些数据可通过主机键盘操作查询，为了快速查询，除定义了普通上下翻页键外，还定义了一个×10键提高查询速度，主机报警数据不能由用户删除，5000条记录满后，新的报警数据将会覆盖早先的旧数据。报警主机的主要程序流程如图9。图9报警主机程序流程图

2中继路由软件

此部分软件功能单一，仅包含两个内容，⑴、完成对主机查询的响应；⑵、在自身电量不足时主动发信息到主机，主机返回一个应答信号完成此次信息的传送，当收不到主机的应答信号时，则重发信息到主机直至主机应答。程序流程如图5。

3传感器终端软件

由该终端所承担的任务，决定了软件所要实现的目的如下：⑴、检测金属探测模块是否有输出信号，若有信号输出，还要区分是干扰信号还是正常信号，其判断依据是如果在给定的时间间隔内连续接收到3个脉冲信号，表示为列车到信号，否则为干扰信号，列车到来信号发送给报警主机后，等待主机的确认信号，若收不到确认信号，则重发列车到来信号到主机直至主机返回确认信号。⑵、检查两个金属探测模块工作状况，一旦发现两个模块输出的脉冲不同或仅有一个模块输出，通过对该信息的处理，将发给报警主机，提醒工作人员更换故障金属探测模块。⑶、检测传感器终端与金属探测模块连接是否正常，若异常则发信息到报警主机。⑷、对来自主机心跳信号进行应答。主要程序流程见图10。

测试结果

测试环境：⑴温度-12℃，路由节点3个，传感器终端1个，节点与路轨距离3米，报警主机与传感器终端相距4000米，测试列车27趟，报警准确无误。⑵隧道长度400米，入口、出口各布放一个路由器节点，距入口700米放置传感器模块，距出口1000米处设报警主机，测试列车15趟，报警准确无误。⑶站台设报警主机，3000米处装传感器终端，中间通过2个路由节点，测量列车10次，报警准确无误。从现场测试情况看，模块与模块之间的摆放位置很重要，尽可能使模块之间处于明视状态，否则，会缩短通讯距离，在复杂环境中如隧道、拐弯、山包等情况下，只要适当增加路由节点数量即可保证使用要求。用内带的电池在充满电的条件下，最长连续工作时间可达40小时。在系统本身故障情况下，能给使用者提供相应设备故障报警信号。该系统已通过验收并小批量生产。