基于ZigBee的動車組裝配生產線監(jiān)測節(jié)點的設計

摘要：目前，動車組裝配生產線監(jiān)測大多采用有線和人工結合的半自動化的監(jiān)測方式，而這種方式存在布線困難、節(jié)點固定、成本過高、實時效果差等問題。針對上述問題，文中設計了全自動化的基于ZigBee的動車組裝配生產線監(jiān)測節(jié)點，定義了監(jiān)測節(jié)點的網絡程序及傳輸數據幀結構，設計采用 CC2591功率放大芯片提高了監(jiān)測結點的射頻功率。所設計的監(jiān)測節(jié)點不僅擴大了ZigBee網絡的覆蓋范圍，提高了抗干擾的能力而且更好的解決了在動車生產線特殊環(huán)境下的布線困難、實時差等問題，滿足了節(jié)點布置靈活、數據穩(wěn)定、可靠等要求，符合動車組裝配生產線監(jiān)測的需求。

關鍵詞：裝配生產線;全自動化;ZigBee技術;布置靈活;數據穩(wěn)定

未來幾年中國高鐵建設進入全面收獲期，屆時我國鐵路運營里程達12萬公里以上。隨之而來的是對動車組列車的需求量急劇增加。動車組客車生產廠的生產效率已成為衡量客車廠生產能力的重要指標，動車組裝配生產線監(jiān)測，為客車廠提高生產效率，優(yōu)化裝配順序，制定生產計劃提供了重要依據。所以對動車組裝配生產線的監(jiān)測顯得迫切需要。本文介紹的基于ZigBee的動車組裝配生產線無線監(jiān)測節(jié)點布置靈活、成本低、干擾小、傳輸穩(wěn)定可靠、安全性高、操作簡便，具有廣泛的應用前景。

1 監(jiān)測節(jié)點的硬件設計

1.1 監(jiān)測節(jié)點的硬件整體設計

監(jiān)測節(jié)點除了具有遠距離無線收發(fā)及數據處理功能外，還需要采集并顯示安裝在動車組裝配生產線上的RFID標簽信息以及便于節(jié)點的二次開發(fā)和通過PC機進行監(jiān)測的功能，為此設計的硬件系統(tǒng)主要包括：CC2530微控制器模塊、RFID標簽信息采集模塊、CC2591功率增強模塊、編程與調試模塊、OLED顯示模塊等。硬件設計基本框圖如圖1所示。

1.2 CC2530微控制器模塊設計

微控制器模塊是整個系統(tǒng)信息采集和傳遞的核心部分，本監(jiān)測系統(tǒng)中選用德州儀器(TI)公司生產的CC2530作為ZigBee的網絡的射頻芯片。該射頻芯片包括一個高性能的2.4 GHz直接序列擴頻的射頻收發(fā)器和一個高性能、低功耗的8051微控制器核，不僅僅能夠滿足無線傳感器網絡對低成本、低功耗的要求，而且能夠實現(xiàn)對數據的高效處理。

圖2是CC2530微處理器模塊的電路圖，首先通過串口電路接受RFID標簽信息采集器采集的數據信息，然后將采集上來的數據進行處理并通過無線射頻部分發(fā)送。微控制器的P0_0連接RFID標簽信息采集器，接受動車組裝配生產線上關鍵裝配部件標簽信息;CC2530微處理器模塊通過控制OLED顯示模塊，以顯示標簽信息數據;通過外接32M晶振，以滿足無線通信的高速率要求;為了增大無線發(fā)射功率以滿足長距離通信的要求，CC2530微控制器模塊連接了CC2591功率放大電路。

1.3 功率增強模塊設計

CC2591作為射頻前端芯片，主要負責無線通信電路中從天線到CC2530RF端口的鏈路功能，包括接收部分信號處理和發(fā)送部分的功率放大。作為發(fā)射端時，CC2591就像CC2530內無線收發(fā)器的發(fā)射鏈路的外部加了一級功率放大器，其發(fā)射功率可由CC2530結合軟件實現(xiàn)由0 dBm到22dBm調節(jié)。作為接收端時，CC2591內部的LNA使得CC2530內部收發(fā)器前端增加一級低噪聲放大器，通常CC2591內部LNA都工作在該增益，可有效抑制系統(tǒng)噪聲系數NF，大大改善系統(tǒng)的接收靈敏度。圖3為CC2591功率增強模塊電路圖。

2 監(jiān)測節(jié)點軟件的設計

2.1 生產線監(jiān)測節(jié)點網絡程序設計

生產線監(jiān)測節(jié)點網絡程序設計主要包括協(xié)調器、路由器和終端節(jié)點設計，協(xié)調器作為整個網絡的核心主要負責ZigBee網絡組建、維護控制終端節(jié)點的加入和數據的處理等。其工作過程是：上電待硬件軟件初始化后，MCU和RF收發(fā)器使能，當收到節(jié)點申請加入網絡信息后，協(xié)調器便會分配一個網絡地址給該節(jié)點，構成新的網絡協(xié)調器的程序流程如圖4。

在ZigBee網絡中，路由器和終端節(jié)點都作為協(xié)調器的子節(jié)點，路由器和終端節(jié)點上電按照協(xié)調器的初始化過程后，子節(jié)點發(fā)送入網申請，路由器的入網過程和終端節(jié)點的相同。路由器入網成功后，一直等待終端節(jié)點傳輸數據信息，接收到數據信息后，路由器則將動車組裝配生產上的設備標簽信息無線傳輸給協(xié)調器。終端節(jié)點入網成功后，若有標簽進入RFID標簽信息采集模塊天線采集范圍內，則終端節(jié)點進行數據采集、處理和發(fā)送，數據發(fā)送完成后，進入休眠模式。路由器和終端節(jié)點的程序流程如圖5。

2.2 監(jiān)測節(jié)點傳輸數據幀結構構建

為了在動車組裝配生產監(jiān)測系統(tǒng)中，降低無線傳輸中誤碼率，保證ZigBee通信網絡的穩(wěn)定性、可靠性和有效性。本文在設計幀結構時，將監(jiān)測節(jié)點的命令信息和數據信息合為一幀數據，采用常用的16進制、8個字節(jié)數據長度的幀結構。其幀格式如表1所示：

1)幀頭：占用兩個字節(jié)，分別為幀頭高8位和低8位。高8位為AAH，低8位為55H。

幀頭占用兩字節(jié)是由于動車組裝配生產線占地面積較大，數據信息在無線傳輸過程中易發(fā)生誤碼，采用兩個字節(jié)的幀頭，可以保證在無線通信中每一幀的數據同步，提高了接收每一幀數據的可靠性。

2)命令信息：占用一個字節(jié)，主要是對檢測節(jié)點功能進行控制，比如信道的選擇，數據的顯示等等。

3)RFID關鍵部件信息位：占用兩個字節(jié)，分別為地址的高8位和低8位。地址范圍0000H—FFFFH。

RFID關鍵部件信息位占兩個字節(jié)。每個編號代表動車組裝配生產線上的關鍵部件，如：0001H表示裝配生產線一號關鍵部件編號，0002H表示裝配生產線二號關鍵部件編號，以此類推等。

4)CRC校驗位：占用兩個字節(jié)，提高了檢錯能力，保證在動車組生產線特殊環(huán)境下狀態(tài)信息數據有效性和準確性。

3 通信測試及結果分析

3.1 模擬動車組生產線監(jiān)測測試

使用自主研制的3個生產線監(jiān)測節(jié)點分別為協(xié)調器(匯聚節(jié)點)，路由器和終端節(jié)點，模擬動車組裝配生產線監(jiān)測系統(tǒng)進行實驗室測試，為了更直觀判監(jiān)測節(jié)點組建網絡的可靠性，將協(xié)調器節(jié)點采用USB串口與上位機PC相連，使用串口助手軟件捕捉協(xié)調器監(jiān)測節(jié)點接收到的數據信息。其串口捕捉到的數據如圖6所示。

在生產線監(jiān)測節(jié)點上采集到的標簽信息與實際標簽信息相比幾乎不存在采集錯誤，系統(tǒng)采集標簽信息準確率高，滿足使用要求，且網絡傳輸過程中幾乎不會引入誤差。

3.2 生產線監(jiān)測節(jié)點傳輸距離及可靠性測試

傳輸距離的測試方法是采用兩個監(jiān)測節(jié)點分別作為監(jiān)測終端和協(xié)調器進行測試，然后測量得出最遠通信距離。協(xié)調器監(jiān)測節(jié)點固定不動，監(jiān)測終端節(jié)點逐漸遠離，直到協(xié)調器監(jiān)測節(jié)點接收不到數據為止，在沒有明顯障礙物遮擋的情況下，兩個生產線監(jiān)測節(jié)點對點的最大可視距離可達800 m，符合生產線監(jiān)控的應用要求。

可靠性的測試方法是采用3個監(jiān)測節(jié)點分別作為監(jiān)測終端、路由器和協(xié)調器進行傳輸，3個節(jié)點放置的距離約為300 m，100個帶有不同信息的RFID標簽每隔2 s經過終端監(jiān)測節(jié)點，通過察看協(xié)調器節(jié)點接收數據包的數量與RFID標簽個數判斷是否發(fā)送丟包現(xiàn)象。測試結果如圖7所示。

4 結束語

本文描述了基于ZigBee技術的動車組裝配生產線監(jiān)測節(jié)點的設計與具體實現(xiàn)方式。測試結果顯示，本文設計的監(jiān)測節(jié)點結構簡單、便于操作;設計的CC2591功率增強電路大大提高了ZigBee網絡的覆蓋范圍，增強了抗電磁干擾能力，減少了數據傳送中的丟包率;驗證了本文所提出的數據傳輸協(xié)議可靠性高，數據信息傳輸過程中的誤碼率低。

通過監(jiān)測動車組裝配生產線不但為動車組客車廠提供全面的、實時的、準確的生產線監(jiān)測信息，而且通過分析監(jiān)測信息知動車組每個關鍵部件安裝所需的時間及存在的問題，為動車組客車廠優(yōu)化生產線作業(yè)流程，提高生產效率提供了可靠的數據依據，為我國高速動車組的裝配生產發(fā)展，有著更深遠的實際意義。