基于ZigBee的動(dòng)車(chē)組裝配生產(chǎn)線(xiàn)監測節點(diǎn)的設計

摘要：目前，動(dòng)車(chē)組裝配生產(chǎn)線(xiàn)監測大多采用有線(xiàn)和人工結合的半自動(dòng)化的監測方式，而這種方式存在布線(xiàn)困難、節點(diǎn)固定、成本過(guò)高、實(shí)時(shí)效果差等問(wèn)題。針對上述問(wèn)題，文中設計了全自動(dòng)化的基于ZigBee的動(dòng)車(chē)組裝配生產(chǎn)線(xiàn)監測節點(diǎn)，定義了監測節點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò )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測結點(diǎn)的射頻功率。所設計的監測節點(diǎn)不僅擴大了ZigBee網(wǎng)絡(luò )的覆蓋范圍，提高了抗干擾的能力而且更好的解決了在動(dòng)車(chē)生產(chǎn)線(xiàn)特殊環(huán)境下的布線(xiàn)困難、實(shí)時(shí)差等問(wèn)題，滿(mǎn)足了節點(diǎn)布置靈活、數據穩定、可靠等要求，符合動(dòng)車(chē)組裝配生產(chǎn)線(xiàn)監測的需求。

關(guān)鍵詞：裝配生產(chǎn)線(xiàn);全自動(dòng)化;ZigBee技術(shù);布置靈活;數據穩定

未來(lái)幾年中國高鐵建設進(jìn)入全面收獲期，屆時(shí)我國鐵路運營(yíng)里程達12萬(wàn)公里以上。隨之而來(lái)的是對動(dòng)車(chē)組列車(chē)的需求量急劇增加。動(dòng)車(chē)組客車(chē)生產(chǎn)廠(chǎng)的生產(chǎn)效率已成為衡量客車(chē)廠(chǎng)生產(chǎn)能力的重要指標，動(dòng)車(chē)組裝配生產(chǎn)線(xiàn)監測，為客車(chē)廠(chǎng)提高生產(chǎn)效率，優(yōu)化裝配順序，制定生產(chǎn)計劃提供了重要依據。所以對動(dòng)車(chē)組裝配生產(chǎn)線(xiàn)的監測顯得迫切需要。本文介紹的基于ZigBee的動(dòng)車(chē)組裝配生產(chǎn)線(xiàn)無(wú)線(xiàn)監測節點(diǎn)布置靈活、成本低、干擾小、傳輸穩定可靠、安全性高、操作簡(jiǎn)便，具有廣泛的應用前景。

1 監測節點(diǎn)的硬件設計

1.1 監測節點(diǎn)的硬件整體設計

監測節點(diǎn)除了具有遠距離無(wú)線(xiàn)收發(fā)及數據處理功能外，還需要采集并顯示安裝在動(dòng)車(chē)組裝配生產(chǎn)線(xiàn)上的RFID標簽信息以及便于節點(diǎn)的二次開(kāi)發(fā)和通過(guò)PC機進(jìn)行監測的功能，為此設計的硬件系統主要包括：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(gè)系統信息采集和傳遞的核心部分，本監測系統中選用德州儀器(TI)公司生產(chǎn)的CC2530作為ZigBee的網(wǎng)絡(luò )的射頻芯片。該射頻芯片包括一個(gè)高性能的2.4 GHz直接序列擴頻的射頻收發(fā)器和一個(gè)高性能、低功耗的8051微控制器核，不僅僅能夠滿(mǎn)足無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )對低成本、低功耗的要求，而且能夠實(shí)現對數據的高效處理。

圖2是CC2530微處理器模塊的電路圖，首先通過(guò)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(lái)的數據進(jìn)行處理并通過(guò)無(wú)線(xiàn)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(dòng)車(chē)組裝配生產(chǎn)線(xiàn)上關(guān)鍵裝配部件標簽信息;CC2530微處理器模塊通過(guò)控制OLED顯示模塊，以顯示標簽信息數據;通過(guò)外接32M晶振，以滿(mǎn)足無(wú)線(xiàn)通信的高速率要求;為了增大無(wú)線(xiàn)發(fā)射功率以滿(mǎn)足長(cháng)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(wú)線(xiàn)通信電路中從天線(xiàn)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(shí)，CC2591就像CC2530內無(wú)線(xiàn)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(shí)現由0 dBm到22dBm調節。作為接收端時(shí)，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，可有效抑制系統噪聲系數NF，大大改善系統的接收靈敏度。圖3為CC2591功率增強模塊電路圖。

2 監測節點(diǎn)軟件的設計

2.1 生產(chǎn)線(xiàn)監測節點(diǎn)網(wǎng)絡(luò )程序設計

生產(chǎn)線(xiàn)監測節點(diǎn)網(wǎng)絡(luò )程序設計主要包括協(xié)調器、路由器和終端節點(diǎn)設計，協(xié)調器作為整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的核心主要負責ZigBee網(wǎng)絡(luò )組建、維護控制終端節點(diǎn)的加入和數據的處理等。其工作過(guò)程是：上電待硬件軟件初始化后，MCU和RF收發(fā)器使能，當收到節點(diǎn)申請加入網(wǎng)絡(luò )信息后，協(xié)調器便會(huì )分配一個(gè)網(wǎng)絡(luò )地址給該節點(diǎn)，構成新的網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器的程序流程如圖4。

在ZigBee網(wǎng)絡(luò )中，路由器和終端節點(diǎn)都作為協(xié)調器的子節點(diǎn)，路由器和終端節點(diǎn)上電按照協(xié)調器的初始化過(guò)程后，子節點(diǎn)發(fā)送入網(wǎng)申請，路由器的入網(wǎng)過(guò)程和終端節點(diǎn)的相同。路由器入網(wǎng)成功后，一直等待終端節點(diǎn)傳輸數據信息，接收到數據信息后，路由器則將動(dòng)車(chē)組裝配生產(chǎn)上的設備標簽信息無(wú)線(xiàn)傳輸給協(xié)調器。終端節點(diǎn)入網(wǎng)成功后，若有標簽進(jìn)入RFID標簽信息采集模塊天線(xiàn)采集范圍內，則終端節點(diǎn)進(jìn)行數據采集、處理和發(fā)送，數據發(fā)送完成后，進(jìn)入休眠模式。路由器和終端節點(diǎn)的程序流程如圖5。

2.2 監測節點(diǎn)傳輸數據幀結構構建

為了在動(dòng)車(chē)組裝配生產(chǎn)監測系統中，降低無(wú)線(xiàn)傳輸中誤碼率，保證ZigBee通信網(wǎng)絡(luò )的穩定性、可靠性和有效性。本文在設計幀結構時(shí)，將監測節點(diǎn)的命令信息和數據信息合為一幀數據，采用常用的16進(jìn)制、8個(gè)字節數據長(cháng)度的幀結構。其幀格式如表1所示：

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

幀頭占用兩字節是由于動(dòng)車(chē)組裝配生產(chǎn)線(xiàn)占地面積較大，數據信息在無(wú)線(xiàn)傳輸過(guò)程中易發(fā)生誤碼，采用兩個(gè)字節的幀頭，可以保證在無(wú)線(xiàn)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(gè)字節，主要是對檢測節點(diǎn)功能進(jìn)行控制，比如信道的選擇，數據的顯示等等。

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

RFID關(guān)鍵部件信息位占兩個(gè)字節。每個(gè)編號代表動(dòng)車(chē)組裝配生產(chǎn)線(xiàn)上的關(guān)鍵部件，如：0001H表示裝配生產(chǎn)線(xiàn)一號關(guān)鍵部件編號，0002H表示裝配生產(chǎn)線(xiàn)二號關(guān)鍵部件編號，以此類(lèi)推等。

4)CRC校驗位：占用兩個(gè)字節，提高了檢錯能力，保證在動(dòng)車(chē)組生產(chǎn)線(xiàn)特殊環(huán)境下?tīng)顟B(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(dòng)車(chē)組生產(chǎn)線(xiàn)監測測試

使用自主研制的3個(gè)生產(chǎn)線(xiàn)監測節點(diǎn)分別為協(xié)調器(匯聚節點(diǎn))，路由器和終端節點(diǎn)，模擬動(dòng)車(chē)組裝配生產(chǎn)線(xiàn)監測系統進(jìn)行實(shí)驗室測試，為了更直觀(guān)判監測節點(diǎn)組建網(wǎng)絡(luò )的可靠性，將協(xié)調器節點(diǎn)采用USB串口與上位機PC相連，使用串口助手軟件捕捉協(xié)調器監測節點(diǎn)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(chǎn)線(xiàn)監測節點(diǎn)上采集到的標簽信息與實(shí)際標簽信息相比幾乎不存在采集錯誤，系統采集標簽信息準確率高，滿(mǎn)足使用要求，且網(wǎng)絡(luò )傳輸過(guò)程中幾乎不會(huì )引入誤差。

3.2 生產(chǎn)線(xiàn)監測節點(diǎn)傳輸距離及可靠性測試

傳輸距離的測試方法是采用兩個(gè)監測節點(diǎn)分別作為監測終端和協(xié)調器進(jìn)行測試，然后測量得出最遠通信距離。協(xié)調器監測節點(diǎn)固定不動(dòng)，監測終端節點(diǎn)逐漸遠離，直到協(xié)調器監測節點(diǎn)接收不到數據為止，在沒(méi)有明顯障礙物遮擋的情況下，兩個(gè)生產(chǎn)線(xiàn)監測節點(diǎn)對點(diǎn)的最大可視距離可達800 m，符合生產(chǎn)線(xiàn)監控的應用要求。

可靠性的測試方法是采用3個(gè)監測節點(diǎn)分別作為監測終端、路由器和協(xié)調器進(jìn)行傳輸，3個(gè)節點(diǎn)放置的距離約為300 m，100個(gè)帶有不同信息的RFID標簽每隔2 s經(jīng)過(guò)終端監測節點(diǎn)，通過(guò)察看協(xié)調器節點(diǎn)接收數據包的數量與RFID標簽個(gè)數判斷是否發(fā)送丟包現象。測試結果如圖7所示。

4 結束語(yǔ)

本文描述了基于ZigBee技術(shù)的動(dòng)車(chē)組裝配生產(chǎn)線(xiàn)監測節點(diǎn)的設計與具體實(shí)現方式。測試結果顯示，本文設計的監測節點(diǎn)結構簡(jiǎn)單、便于操作;設計的CC2591功率增強電路大大提高了ZigBee網(wǎng)絡(luò )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(guò)程中的誤碼率低。

通過(guò)監測動(dòng)車(chē)組裝配生產(chǎn)線(xiàn)不但為動(dòng)車(chē)組客車(chē)廠(chǎng)提供全面的、實(shí)時(shí)的、準確的生產(chǎn)線(xiàn)監測信息，而且通過(guò)分析監測信息知動(dòng)車(chē)組每個(gè)關(guān)鍵部件安裝所需的時(shí)間及存在的問(wèn)題，為動(dòng)車(chē)組客車(chē)廠(chǎng)優(yōu)化生產(chǎn)線(xiàn)作業(yè)流程，提高生產(chǎn)效率提供了可靠的數據依據，為我國高速動(dòng)車(chē)組的裝配生產(chǎn)發(fā)展，有著(zhù)更深遠的實(shí)際意義。