基于ZigBee的動(dòng)車組裝配生產(chǎn)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

摘要：目前，動(dòng)車組裝配生產(chǎn)線監(jiān)測(cè)大多采用有線和人工結(jié)合的半自動(dòng)化的監(jiān)測(cè)方式，而這種方式存在布線困難、節(jié)點(diǎn)固定、成本過高、實(shí)時(shí)效果差等問題。針對(duì)上述問題，文中設(shè)計(jì)了全自動(dòng)化的基于ZigBee的動(dòng)車組裝配生產(chǎn)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，定義了監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)程序及傳輸數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)采用 CC2591功率放大芯片提高了監(jiān)測(cè)結(jié)點(diǎn)的射頻功率。所設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)不僅擴(kuò)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)車生產(chǎn)線特殊環(huán)境下的布線困難、實(shí)時(shí)差等問題，滿足了節(jié)點(diǎn)布置靈活、數(shù)據(jù)穩(wěn)定、可靠等要求，符合動(dòng)車組裝配生產(chǎn)線監(jiān)測(cè)的需求。

關(guān)鍵詞：裝配生產(chǎn)線;全自動(dòng)化;ZigBee技術(shù);布置靈活;數(shù)據(jù)穩(wěn)定

未來幾年中國(guó)高鐵建設(shè)進(jìn)入全面收獲期，屆時(shí)我國(guó)鐵路運(yùn)營(yíng)里程達(dá)12萬公里以上。隨之而來的是對(duì)動(dòng)車組列車的需求量急劇增加。動(dòng)車組客車生產(chǎn)廠的生產(chǎn)效率已成為衡量客車廠生產(chǎn)能力的重要指標(biāo)，動(dòng)車組裝配生產(chǎn)線監(jiān)測(cè)，為客車廠提高生產(chǎn)效率，優(yōu)化裝配順序，制定生產(chǎn)計(jì)劃提供了重要依據(jù)。所以對(duì)動(dòng)車組裝配生產(chǎn)線的監(jiān)測(cè)顯得迫切需要。本文介紹的基于ZigBee的動(dòng)車組裝配生產(chǎn)線無線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)布置靈活、成本低、干擾小、傳輸穩(wěn)定可靠、安全性高、操作簡(jiǎn)便，具有廣泛的應(yīng)用前景。

1 監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

1.1 監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的硬件整體設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)除了具有遠(yuǎn)距離無線收發(fā)及數(shù)據(jù)處理功能外，還需要采集并顯示安裝在動(dòng)車組裝配生產(chǎn)線上的RFID標(biāo)簽信息以及便于節(jié)點(diǎn)的二次開發(fā)和通過PC機(jī)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的功能，為此設(shè)計(jì)的硬件系統(tǒng)主要包括：CC2530微控制器模塊、RFID標(biāo)簽信息采集模塊、CC2591功率增強(qiáng)模塊、編程與調(diào)試模塊、OLED顯示模塊等。硬件設(shè)計(jì)基本框圖如圖1所示。

1.2 CC2530微控制器模塊設(shè)計(jì)

微控制器模塊是整個(gè)系統(tǒng)信息采集和傳遞的核心部分，本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)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(kuò)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，不僅僅能夠滿足無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)低成本、低功耗的要求，而且能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)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(biāo)簽信息采集器采集的數(shù)據(jù)信息，然后將采集上來的數(shù)據(jù)進(jìn)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(biāo)簽信息采集器，接受動(dòng)車組裝配生產(chǎn)線上關(guān)鍵裝配部件標(biāo)簽信息;CC2530微處理器模塊通過控制OLED顯示模塊，以顯示標(biāo)簽信息數(shù)據(jù);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(zhǎng)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(qiáng)模塊設(shè)計(jì)

CC2591作為射頻前端芯片，主要負(fù)責(zé)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(hào)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(nèi)無線收發(fā)器的發(fā)射鏈路的外部加了一級(jí)功率放大器，其發(fā)射功率可由CC2530結(jié)合軟件實(shí)現(xiàn)由0 dBm到22dBm調(diào)節(jié)。作為接收端時(shí)，CC2591內(nèi)部的LNA使得CC2530內(nèi)部收發(fā)器前端增加一級(jí)低噪聲放大器，通常CC2591內(nèi)部LNA都工作在該增益，可有效抑制系統(tǒng)噪聲系數(shù)NF，大大改善系統(tǒng)的接收靈敏度。圖3為CC2591功率增強(qiáng)模塊電路圖。

2 監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)軟件的設(shè)計(jì)

2.1 生產(chǎn)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)程序設(shè)計(jì)

生產(chǎn)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)程序設(shè)計(jì)主要包括協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，協(xié)調(diào)器作為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的核心主要負(fù)責(zé)ZigBee網(wǎng)絡(luò)組建、維護(hù)控制終端節(jié)點(diǎn)的加入和數(shù)據(jù)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(dāng)收到節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò)信息后，協(xié)調(diào)器便會(huì)分配一個(gè)網(wǎng)絡(luò)地址給該節(jié)點(diǎn)，構(gòu)成新的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的程序流程如圖4。

在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，路由器和終端節(jié)點(diǎn)都作為協(xié)調(diào)器的子節(jié)點(diǎn)，路由器和終端節(jié)點(diǎn)上電按照協(xié)調(diào)器的初始化過程后，子節(jié)點(diǎn)發(fā)送入網(wǎng)申請(qǐng)，路由器的入網(wǎng)過程和終端節(jié)點(diǎn)的相同。路由器入網(wǎng)成功后，一直等待終端節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)信息，接收到數(shù)據(jù)信息后，路由器則將動(dòng)車組裝配生產(chǎn)上的設(shè)備標(biāo)簽信息無線傳輸給協(xié)調(diào)器。終端節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)成功后，若有標(biāo)簽進(jìn)入RFID標(biāo)簽信息采集模塊天線采集范圍內(nèi)，則終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理和發(fā)送，數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，進(jìn)入休眠模式。路由器和終端節(jié)點(diǎn)的程序流程如圖5。

2.2 監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)構(gòu)建

為了在動(dòng)車組裝配生產(chǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，降低無線傳輸中誤碼率，保證ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性、可靠性和有效性。本文在設(shè)計(jì)幀結(jié)構(gòu)時(shí)，將監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的命令信息和數(shù)據(jù)信息合為一幀數(shù)據(jù)，采用常用的16進(jìn)制、8個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度的幀結(jié)構(gòu)。其幀格式如表1所示：

1)幀頭：占用兩個(gè)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(dòng)車組裝配生產(chǎn)線占地面積較大，數(shù)據(jù)信息在無線傳輸過程中易發(fā)生誤碼，采用兩個(gè)字節(jié)的幀頭，可以保證在無線通信中每一幀的數(shù)據(jù)同步，提高了接收每一幀數(shù)據(jù)的可靠性。

2)命令信息：占用一個(gè)字節(jié)，主要是對(duì)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)功能進(jìn)行控制，比如信道的選擇，數(shù)據(jù)的顯示等等。

3)RFID關(guān)鍵部件信息位：占用兩個(gè)字節(jié)，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(jié)。每個(gè)編號(hào)代表動(dòng)車組裝配生產(chǎn)線上的關(guān)鍵部件，如：0001H表示裝配生產(chǎn)線一號(hào)關(guān)鍵部件編號(hào)，0002H表示裝配生產(chǎn)線二號(hào)關(guān)鍵部件編號(hào)，以此類推等。

4)CRC校驗(yàn)位：占用兩個(gè)字節(jié)，提高了檢錯(cuò)能力，保證在動(dòng)車組生產(chǎn)線特殊環(huán)境下狀態(tài)信息數(shù)據(jù)有效性和準(zhǔn)確性。

3 通信測(cè)試及結(jié)果分析

3.1 模擬動(dòng)車組生產(chǎn)線監(jiān)測(cè)測(cè)試

使用自主研制的3個(gè)生產(chǎn)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)分別為協(xié)調(diào)器(匯聚節(jié)點(diǎn))，路由器和終端節(jié)點(diǎn)，模擬動(dòng)車組裝配生產(chǎn)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，為了更直觀判監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)組建網(wǎng)絡(luò)的可靠性，將協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)采用USB串口與上位機(jī)PC相連，使用串口助手軟件捕捉協(xié)調(diào)器監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)接收到的數(shù)據(jù)信息。其串口捕捉到的數(shù)據(jù)如圖6所示。

在生產(chǎn)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)上采集到的標(biāo)簽信息與實(shí)際標(biāo)簽信息相比幾乎不存在采集錯(cuò)誤，系統(tǒng)采集標(biāo)簽信息準(zhǔn)確率高，滿足使用要求，且網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中幾乎不會(huì)引入誤差。

3.2 生產(chǎn)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)傳輸距離及可靠性測(cè)試

傳輸距離的測(cè)試方法是采用兩個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)分別作為監(jiān)測(cè)終端和協(xié)調(diào)器進(jìn)行測(cè)試，然后測(cè)量得出最遠(yuǎn)通信距離。協(xié)調(diào)器監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)固定不動(dòng)，監(jiān)測(cè)終端節(jié)點(diǎn)逐漸遠(yuǎn)離，直到協(xié)調(diào)器監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)接收不到數(shù)據(jù)為止，在沒有明顯障礙物遮擋的情況下，兩個(gè)生產(chǎn)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的最大可視距離可達(dá)800 m，符合生產(chǎn)線監(jiān)控的應(yīng)用要求。

可靠性的測(cè)試方法是采用3個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)分別作為監(jiān)測(cè)終端、路由器和協(xié)調(diào)器進(jìn)行傳輸，3個(gè)節(jié)點(diǎn)放置的距離約為300 m，100個(gè)帶有不同信息的RFID標(biāo)簽每隔2 s經(jīng)過終端監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，通過察看協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)包的數(shù)量與RFID標(biāo)簽個(gè)數(shù)判斷是否發(fā)送丟包現(xiàn)象。測(cè)試結(jié)果如圖7所示。

4 結(jié)束語

本文描述了基于ZigBee技術(shù)的動(dòng)車組裝配生產(chǎn)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)與具體實(shí)現(xiàn)方式。測(cè)試結(jié)果顯示，本文設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于操作;設(shè)計(jì)的CC2591功率增強(qiáng)電路大大提高了ZigBee網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，增強(qiáng)了抗電磁干擾能力，減少了數(shù)據(jù)傳送中的丟包率;驗(yàn)證了本文所提出的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議可靠性高，數(shù)據(jù)信息傳輸過程中的誤碼率低。

通過監(jiān)測(cè)動(dòng)車組裝配生產(chǎn)線不但為動(dòng)車組客車廠提供全面的、實(shí)時(shí)的、準(zhǔn)確的生產(chǎn)線監(jiān)測(cè)信息，而且通過分析監(jiān)測(cè)信息知?jiǎng)榆嚱M每個(gè)關(guān)鍵部件安裝所需的時(shí)間及存在的問題，為動(dòng)車組客車廠優(yōu)化生產(chǎn)線作業(yè)流程，提高生產(chǎn)效率提供了可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)，為我國(guó)高速動(dòng)車組的裝配生產(chǎn)發(fā)展，有著更深遠(yuǎn)的實(shí)際意義。