基于Zigbee的鐵路機車信號燈自動檢測系統(tǒng)研究

(洛陽·大學科技園，河南 洛陽 471000)

為保障行車安全，鐵路機車需要進行定期檢修。信號燈檢測為其中一個重要的檢測環(huán)節(jié)，檢測內(nèi)容包括亮燈顏色的正確性、時延等。在傳統(tǒng)的檢測模式中，發(fā)碼箱循環(huán)發(fā)送檢測信號。鐵路機車到達檢測場地后，檢測人員登車檢測，當發(fā)碼箱發(fā)送開始檢測信號后，信號燈依次點亮，由檢測人員判斷信號燈工作是否正常[1]。為了減輕檢測人員的工作強度，提高檢測效率，本文設(shè)計了一種基于Zigbee技術(shù)的機車信號燈自動檢測系統(tǒng)，將Zigbee技術(shù)與信號采集技術(shù)結(jié)合起來，構(gòu)成組網(wǎng)靈活的機車信號燈自動檢測系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

Zigbee技術(shù)是在IEEE802.54.4無線通信協(xié)議的基礎(chǔ)上形成的，具有成本低、功耗低、可靠性高、組網(wǎng)靈活方便等特點。Zigbee網(wǎng)絡(luò)傳輸速率為20～250 kb/s，滿足低速率傳輸?shù)囊?，傳輸距離為10～100 m[2-3]?；赯igbee技術(shù)的鐵路機車信號燈自動檢測系統(tǒng)由檢測模塊、無線路由模塊、無線網(wǎng)關(guān)模塊和終端監(jiān)控PC組成。在每臺機車上安裝檢測模塊，檢測模塊硬件編號與機車號一一對應，檢測模塊硬件編號對每臺機車來說是唯一的。根據(jù)現(xiàn)場情況，在檢測場地外圍安裝無線路由模塊，如果場地建筑物密集，可增加路由模塊布設(shè)密度 ，如果場地較為空曠，可適當減小模塊布設(shè)密度。將無線網(wǎng)關(guān)模塊靠近監(jiān)控終端安裝，通過串口電纜與監(jiān)控終端PC連接。檢測模塊、路由模塊、網(wǎng)關(guān)模塊硬件選用TI公司的CC2530芯片，協(xié)議棧選擇TI公司的ZStack協(xié)議棧[4]。系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)圖

在圖1中，A為檢測模塊，由兩部分組成，第一部分是信號燈狀態(tài)檢測模塊，負責檢測信號燈狀態(tài)，第二部分是Zigbee終端模塊，將檢測結(jié)果發(fā)送到Zigbee網(wǎng)絡(luò)；B為無線路由模塊，負責對數(shù)據(jù)進行中繼和轉(zhuǎn)發(fā)，多個無線路由模塊組成了Zigbee網(wǎng)絡(luò)，負責網(wǎng)關(guān)模塊和檢測模塊間的雙向數(shù)據(jù)傳輸；C為無線網(wǎng)關(guān)模塊，是整個檢測網(wǎng)絡(luò)的中心，負責建立、維持和管理、檢測網(wǎng)絡(luò)、分配網(wǎng)絡(luò)地址、接收Zigbee網(wǎng)絡(luò)傳送過來的信號燈狀態(tài)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過串口轉(zhuǎn)發(fā)到終端監(jiān)控PC；D為終端監(jiān)控PC，通過串口接收無線網(wǎng)關(guān)傳送來的數(shù)據(jù)，控制整個檢測系統(tǒng)的運行，并進行相應的數(shù)據(jù)分析、處理。

2 硬件實現(xiàn)

2.1 檢測模塊

檢測模塊由無線收發(fā)模塊和檢測底板組成。無線收發(fā)模塊負責接收和發(fā)送網(wǎng)關(guān)的無線數(shù)據(jù)，檢測底板有兩個功能：①向無線收發(fā)模塊提供3.3 V的電源；② 檢測信號燈有無燈亮，并通過光電隔離將亮燈信號傳給無線收發(fā)模塊。

檢測模塊接線順序：檢測模塊共需8根信號線和1根信號地線，8 根信號線分別對應8個信號燈：綠、綠黃、黃、黃2、紅黃、雙黃、紅、白。

2.2 路由模塊

路由模塊由無線收發(fā)模塊和路由底板組成。無線收發(fā)模塊負責轉(zhuǎn)發(fā)檢測模塊和網(wǎng)關(guān)的無線數(shù)據(jù)，路由底板的功能是向無線收發(fā)模塊提供3.3 V的電源。

2.3 網(wǎng)關(guān)模塊

網(wǎng)關(guān)模塊由無線收發(fā)模塊和網(wǎng)關(guān)底板組成[5]。無線收發(fā)模塊負責與檢測模塊進行通訊，網(wǎng)關(guān)底板有三個功能：①向無線收發(fā)模塊提供3.3 V的電源；② 通過串口與PC機進行通訊；③ 負責Zigbee網(wǎng)絡(luò)管理。

3 軟件實現(xiàn)

3.1 數(shù)據(jù)幀格式

系統(tǒng)中，檢測模塊、路由模塊、網(wǎng)關(guān)模塊和終端監(jiān)控模塊相互之間需要傳輸數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)幀格式如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)幀格式表

幀類型域定義：“1”表示檢測結(jié)束、“2”表示機車到達、“3”表示檢測模塊檢測結(jié)果、“4”表示發(fā)碼箱點燈數(shù)據(jù)、“5”表示數(shù)據(jù)確認、“6”表示重新檢測、“9”表示路由響應。

3.2 嵌入式軟件

在Zigbee網(wǎng)絡(luò)中存在三種邏輯設(shè)備類型：協(xié)調(diào)器、路由器、終端設(shè)備。在TI公司的ZStack協(xié)議棧中，實現(xiàn)了每種邏輯設(shè)備的功能代碼。本系統(tǒng)中三種邏輯設(shè)備分別對應網(wǎng)關(guān)模塊、路由模塊、檢測模塊。在ZStack協(xié)議棧的基礎(chǔ)上完成嵌入式代碼編寫后，修改對應的編譯選項，然后在Keil編譯器中將其編譯為二進制代碼，最后通過TI芯片燒寫軟件，將二進制代碼燒寫到對應的模塊。

3.3 監(jiān)控終端軟件

監(jiān)控終端接受來自發(fā)碼箱和網(wǎng)關(guān)模塊的點燈信號，通過用戶界面將分析結(jié)果展示給檢修人員。當發(fā)現(xiàn)點燈信號不一致時，通過聲音、文字等多種方式通知檢修人員，并將故障數(shù)據(jù)存入后臺數(shù)據(jù)庫，以備事后查找原因。通過兩個串口將監(jiān)控端PC分別與發(fā)碼箱、網(wǎng)關(guān)模塊連接，發(fā)碼箱在工作時，循環(huán)發(fā)送點燈信號，監(jiān)控端PC通過串口接收發(fā)碼箱點燈信號，網(wǎng)關(guān)模塊在收到路由模塊(或檢測模塊)發(fā)來的點燈信號后，通過串口發(fā)送給監(jiān)控終端。

監(jiān)控終端軟件運行在Windows平臺下，采用MS SQL Server數(shù)據(jù)庫。在軟件實現(xiàn)上，采用VS Studio 2005作為開發(fā)平臺，編程語言采用C++，采用多線程編程技術(shù)[6]，每個串口對應一個獨立的線程，并具有完整的防死鎖機制，確保系統(tǒng)的響應時間。

4 檢測流程

4.1 系統(tǒng)初始參數(shù)設(shè)定

在系統(tǒng)開始檢測前，必須先對系統(tǒng)參數(shù)進行設(shè)置，主要參數(shù)如下：

(1)串口設(shè)置。設(shè)置監(jiān)控終端PC網(wǎng)關(guān)模塊、發(fā)碼箱所對應的串口號；

(2)機車碼設(shè)置。建立機車號、檢測模塊編碼的對應關(guān)系，每臺機車都有唯一的機車號和檢測模塊編碼；

(3)燈型設(shè)置。設(shè)置每種燈型的信號發(fā)碼方式、低頻頻率等[7-8]；

(4)合格應變時間。指定從發(fā)碼箱發(fā)碼到信號燈點燈的合格時間；

(5)是否廣播發(fā)碼箱數(shù)據(jù)。若廣播發(fā)碼箱數(shù)據(jù)，則Zigbee向檢測模塊發(fā)送點燈數(shù)據(jù)；否則，Zigbee不發(fā)送點燈數(shù)據(jù)；

(6)重新檢測次數(shù)。指定點燈信號異常時重新檢測的次數(shù)；

(7)路由心跳周期。路由模塊向網(wǎng)關(guān)模塊發(fā)送在線數(shù)據(jù)包的間隔時間；

(8)路由丟失告警閾值。監(jiān)控軟件間隔多長時間收不到路由心跳數(shù)據(jù)包就會上報路由丟失告警。

4.2 檢測系統(tǒng)

(1) 檢測系統(tǒng)啟動。首先啟動PC端監(jiān)控軟件、網(wǎng)關(guān)模塊和發(fā)碼箱設(shè)備。網(wǎng)關(guān)模塊啟動后，發(fā)起并建立Zigbee檢測網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)關(guān)模塊首先進行信道(其他網(wǎng)絡(luò)沒有使用的一個空閑信道)掃描，同時規(guī)定網(wǎng)絡(luò)的拓撲參數(shù)，如最大的子節(jié)點數(shù)、最大層數(shù)、路由算法、路由表生存期等。PC端監(jiān)控軟件在完成串口等硬件的初始化后，開始監(jiān)聽串口數(shù)據(jù)。檢測網(wǎng)絡(luò)建立后，進入等待狀態(tài)，當機車到達后，開始進行檢測。

(2) 機車到達。當機車到達檢測區(qū)域后，車載檢測模塊探測到檢測網(wǎng)絡(luò)并申請加入，檢測模塊將自己的信道設(shè)置為與網(wǎng)關(guān)模塊使用的信道相同，并提供正確的認證信息，即可加入檢測網(wǎng)絡(luò)。當機車加入檢測網(wǎng)絡(luò)后，可以從網(wǎng)關(guān)節(jié)點得到自己的短MAC地址、網(wǎng)絡(luò)地址以及網(wǎng)關(guān)模塊規(guī)定的拓撲參數(shù)。同時網(wǎng)關(guān)模塊可以實時掌握檢測網(wǎng)絡(luò)中的所有機車信息，維護機車信息庫。網(wǎng)關(guān)模塊通過串口向監(jiān)控PC發(fā)送類型為“2”(機車到達)的數(shù)據(jù)包，監(jiān)控PC收到數(shù)據(jù)包后，向檢測人員發(fā)出機車到達的提示，在提示信息中包含機車號等信息。

(3)等待檢測。當機車到達并成功加入檢測網(wǎng)絡(luò)后，系統(tǒng)等待檢測開始信號。當發(fā)碼箱向監(jiān)控PC發(fā)送“88”信號(檢測開始信號)后，監(jiān)控PC通過網(wǎng)關(guān)模塊向檢測模塊發(fā)送開始檢測信號，檢測模塊收到后，開始檢測。

(4)檢測。檢測模塊采集亮燈信號，然后通過路由模塊向網(wǎng)關(guān)模塊發(fā)送類型為“3”的數(shù)據(jù)包，在數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)域中包含檢測結(jié)果，檢測結(jié)果中包含亮燈顏色、亮燈時間等信息。亮燈顏色定義為：1-綠、2-綠黃、3-黃、4-黃2、5-紅黃、6-雙黃、7-紅、8-白。

監(jiān)控PC接收到來自發(fā)碼箱的燈型信號后，記錄燈型、發(fā)碼時間等信息，然后等待檢測模塊發(fā)送的亮燈數(shù)據(jù)。當收到檢測模塊的亮燈數(shù)據(jù)后，將亮燈數(shù)據(jù)中的亮燈顏色、點燈時間與發(fā)碼箱的燈型信號進行比對，測算出應變時間，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)置的時間閾值，判斷是否正常，如圖2所示。

圖2 點燈信號檢測圖

(5)結(jié)束檢測。由于發(fā)碼箱采用循環(huán)發(fā)碼的工作方式，在檢測狀態(tài)下，如果再次收到“88”信號，即表示本次檢測結(jié)束，系統(tǒng)將測試結(jié)果存至數(shù)據(jù)庫備查。根據(jù)燈型的亮燈顏色和應變時間，判斷檢測中是否有信號燈出現(xiàn)異常，如果有異常，則自動進入重新檢測流程，或向檢測人員提示，由人工判斷是否進行重新檢測。

(6) 重新檢測。監(jiān)控終端向網(wǎng)關(guān)模塊發(fā)送類型為“6”的數(shù)據(jù)包，通知系統(tǒng)進入重新檢測流程。由網(wǎng)關(guān)模塊向檢測模塊發(fā)送重新檢測信號，系統(tǒng)進入等待檢測狀態(tài)。當發(fā)碼箱發(fā)送“88”信號時，即可開始檢測。重新檢測次數(shù)由系統(tǒng)設(shè)定，若達到系統(tǒng)設(shè)定次數(shù)后，即可斷定信號燈出現(xiàn)異常，應立即通知維修人員檢修。

5 結(jié) 語

鐵路機車信號燈自動檢測系統(tǒng)集高精度信號采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理于一身，提高了信號檢測效率，避免了人為誤差,節(jié)約了人力資源，實現(xiàn)了檢測流程的自動化。各模塊設(shè)備運行平穩(wěn)、可靠，監(jiān)控端軟件界面簡潔、操作簡單、功能完善，為檢測人員帶來了操作上的便利性。不足之處在于檢測區(qū)域電磁環(huán)境較為復雜，在無線信號傳輸過程中偶然發(fā)生丟包現(xiàn)象，這也是下一步工作要解決的問題。

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