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測，為客車廠提高生產效率，優化裝配順序，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測節點布置靈活、成本低、干擾小、傳輸穩定可靠、安全性高、操作簡便，具有廣泛的應用前景。
1、監測節點的硬件設計
1.1、監測節點的硬件整體設計
監測節點除了具有遠距離無線收發及數據處理功能外，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點的二次開發和通過PC機進行監測的功能，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。
圖1 硬件設計基本框圖
1.2、CC2530微控制器模塊設計
微控制器模塊是整個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2.4GHz直接序列擴頻的射頻收發器和一個高性能、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。
圖2 CC2530微控制器模塊
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送部分的功率放大。作為發射端時，CC2591就像CC2530內無線收發器的發射鏈路的外部加了一級功率放大器，其發射功率可由CC2530結合軟件實現由0dBm到22dBm調節。作為接收端時，CC2591內部的LNA使得CC2530內部收發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。
圖3 CC2591功率增加模塊電路圖
2、監測節點軟件的設計
2.1、生產線監測節點網絡程序設計
生產線監測節點網絡程序設計主要包括協調器、路由器和終端節點設計，協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收發器使能，當收到節點申請加入網絡信息后，協調器便會分配一個網絡地址給該節點，構成新的網絡協調器的程序流程如圖4。
圖4 協調器流程圖
在ZigBee網絡中，路由器和終端節點都作為協調器的子節點，路由器和終端節點上電按照協調器的初始化過程后，子節點發送入網申請，路由器的入網過程和終端節點的相同。路由器入網成功后，一直等待終端節點傳輸數據信息，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調器。終端節點入網成功后，若有標簽進入RFID標簽信息采集模塊天線采集范圍內，則終端節點進行數據采集、處理和發送，數據發送完成后，進入休眠模式。路由器和終端節點的程序流程如圖5。
圖5 路由器和終端節點流程圖
2.2、監測節點傳輸數據幀結構構建
為了在動車組裝配生產監測系統中，降低無線傳輸中誤碼率，保證ZigBee通信網絡的穩定性、可靠性和有效性。本文在設計幀結構時，將監測節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個字節數據長度的幀結構。其幀格式如表1所示：
表1 數據幀格式
1)、幀頭：占用兩個字節，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生誤碼，采用兩個字節的幀頭，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，主要是對檢測節點功能進行控制，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，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。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，提高了檢錯能力，保證在動車組生產線特殊環境下狀態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測測試
使用自主研制的3個生產線監測節點分別為協調器(匯聚節點)，路由器和終端節點，模擬動車組裝配生產線監測系統進行實驗室測試，為了更直觀判監測節點組建網絡的可靠性，將協調器節點采用USB串口與上位機PC相連，使用串口助手軟件捕捉協調器監測節點接收到的數據信息。其串口捕捉到的數據如圖6所示。
圖6 串口數據捕捉圖
在生產線監測節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、生產線監測節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測節點分別作為監測終端和協調器進行測試，然后測量得出最遠通信距離。協調器監測節點固定不動，監測終端節點逐漸遠離，直到協調器監測節點接收不到數據為止，在沒有明顯障礙物遮擋的情況下，兩個生產線監測節點對點的最大可視距離可達800m，符合生產線監控的應用要求。
可靠性的測試方法是采用3個監測節點分別作為監測終端、路由器和協調器進行傳輸，3個節點放置的距離約為300m，100個帶有不同信息的RFID標簽每隔2s經過終端監測節點，通過察看協調器節點接收數據包的數量與RFID標簽個數判斷是否發送丟包現象。測試結果如圖7所示。
圖7 測試結果分析圖
4、結束語
本文描述了基于ZigBee技術的動車組裝配生產線監測節點的設計與具體實現方式。測試結果顯示，本文設計的監測節點結構簡單、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議可靠性高，數據信息傳輸過程中的誤碼率低。
通過監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、準確的生產線監測信息，而且通過分析監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，為動車組客車廠優化生產線作業流程，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展，有著更深遠的實際意義。
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