基于ZigBee技术编组站机车定位系统的设计

［摘 要］ 对于编组站的机车定位技术在国内还是处于空白，甚至还在用肉眼识别和定位。文章针对编组站集中处理大量货物列车到达、解体、编组出发、直通和其他作业的特点，引入ZigBee技术对其进行定位工作，致力于建设比较完善的调车作业体系。通过该系统以ZigBee硬件为基础并对硬件、软件进行的设计及改进，设计出了一套完整的适用于编组站机车的定位系统，为以后大规模地实现ZigBee技术进入编组站奠定理论基础。

［关键词］ ZigBee；编组站；定位

［基金项目］ 上海市教育委员会重点学科建设项目（J51401） 、上海市实验教学示范中心（B-8907-09-01）、上海高校选拔培养优秀青年教师科研专项基金（Gjd10030）

［作者简介］ 户国，上海工程技术大学城市轨道交通学院助教，硕士,研究方向：轨道交通通信信号，上海，201620

［中图分类号］ TN929.5［文献标识码］ A［文章编号］ 1007-7723（2011）08-0023-0004

一、引 言

在当今生产生活中，ZigBee技术的使用逐渐地渗透到了各个领域，给人们的生活带来方便[1]。如今在列车编组站中对进列车的定位还做得不够完善。目前，编组站机车的定位技术在国内仍然属于空白领域，主要是靠人眼判断。这种方式劳动强度大，易出错。与此同时，ZigBee技术的操作简单、成本低廉、定位准确等优点正好符合编组站中生产生活的需要。所以，本文致力于设计一套方案将ZigBee技术引进于编组站中的列车编组工作中。

二、编组站场及ZigBee技术简介

编组站是铁路网上集中办理大量货物列车到达、解体、编组出发、直通和其他列车作业，并为此设有比较完善的调车作业的车站。编组站通常建在铁路交会处。编组站一般设有专用的到达、发车和调车场，以及驼峰调车设备、机车整备和车辆检修设备。

ZigBee是IEEE 802.15.4协议的代名词。根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术，其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本。主要适用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。

三、定位系统硬件设计

编组站机车定位系统硬件组成主要由ZigBee参考节点（RFD）、ZigBee定位节点（FFD）、ZigBee嵌入网关（基站）、以太网、主机、数据服务器和大屏幕显示仪组成，如图1所示。ZigBee参考节点（RFD）作用是发送定位信息（RSSI值）共定位节点计算使用。ZigBee定位节点（FFD）为被定为机车携带装置，与网关实时通信。ZigBee嵌入网关（基站）接受定位节点信息，通过以太网与主机进行通信。主机是后台服务的核心，计算定位节点的左边，将计算结果显示在大屏幕上，并将计算结果储存在数据库服务器中。

固定节点采用无线龙公司出品CC2430单片机，CC2430单片机中的主控模块是增强型8051芯片，射频模块主要由CC2430芯片和OQPS调制解调器组成，还包括ICD2下载口、稳压模块、指示灯、按钮和电源插槽等，如图2所示[2]。

机车采用CC2431单片机作为移动节点，整个单片机仅有手指头般大小，移动节点和固定节点相比具有小巧的射频模块及定位跟踪系统，小巧的CC2431单片机组主要是为待定位机车设计，具有易于携带等特点，并且删除了CC2430中的部分功能，施工人员通过CC2431模块将自己收集到的未处理的定位信息通过无线网传输给编组站中的基站，再由以太网传输至主机，如图3所示[3]。

四、定位系统软件设计

参考节点（Reference node）是一种已知的静态节点，其坐标（X，Y）值是固定的，并不参与定位计算，仅提供RSSI值，供定位节点定位计算使用，由CC2430芯片和单片机组成。一个定位区域通常由8位参考节点组成，最少3～4个参考节点，参考节点工作流程如图4。在编组站中经过测量，得出每一个定位节点的坐标值，然后通过SPI总线将相关信息写入Flash中，并且把相关信息写入后台程序中，以便通过RSSI值计算定位节点的位置[4]。

定位节点（Blind node）是一类可移动的节点，可以在参考节点包围的区域内任意移动。定位节点通过接收定位区域内所有参考节点的RSSI值后，通过定位算法来计算其坐标位置。定位节点必须由CC2431芯片实现。采用该核心，可以实现0.25m的定位分辨率和3m左右的定位精度。这个精度已经大大高于卫星定位的精度，定位时间小于40?滋s。定位节点流程如图5所示。

五、基于ZigBee 技术编组站机车定位系统程序开发

（一）机车定位系统的总体结构

机车定位系统的网络结构主要由终端监控中心、数据接口、有限网络、无线人员定位各个独立的ZigBee 子网等部分组成。通过ZigBee无线自组织网络和RS232 有线网络将井下上传的全部信息传至地面控制中心计算机，然后中心计算机对信息进行集中综合处理，并同时在显示屏幕上动态显示出机车的位置。

（二）机车定位算法

在编组站中RSSI中的计算方法的核心是3点定位算法。3点定位法是利用3个固定的点的坐标与未知点之间的距离，求出未知点的坐标。在编组站中，将轨道的两旁设置尽量多的基站，在列车上装上移动标签。在列车驶入轨道上前，定好标签发射信号的强度和接受端理论上的接受强度。当列车驶入轨道后，移动标签发出信号。接收端根据实际中接收到的信号的强度计算出信号在传播过程中的实际损耗，根据环境对信号传播的衰落影响，将损耗转化为距离。在保证基站密度达到同时至少有3个以上的基站可以收到信号的情况下，利用每一个伪距离，并以基站为原点画出一个圈。如果是两个基站画出的圈那么将存在1到2个交点。但在实际情况下，出现一个交点只能是两圆相切，这样的情况很小，不足以作为日常收集数据的常用手法。那么2个交点也不足以确定哪个才是正确的移动标签的坐标。则此时需要至少第三个几点来继续利用伪距离来画圆求交点。第三个圆完成之后，必将有一个点位为三圆的共同交点，这个点的坐标就是我们要求的移动标签点的坐标[5]。

如图6所示。图中的AB代表编组站场中的一条轨道，列车L是在轨道AB上的一个列车。AB附近分布着o1,o2,o3三个基点。并且在列车L的前方设置点a移动标签。在移动标签a释放出来信号的同时，o1,o2,o3三点同时接受到信号并算出伪距离，并以当前伪距离为半径做圆，并最终3圆交点在点a处相交，并且成功得到a点坐标。

（三）编组站布局规划

网络规划的主要原则是通过布置信标参考传感器节点，将编组站内的绝大部分区域被ZigBee网络信号覆盖，同时设置好信标节点的坐标，并且两相邻信标参考节点之间的距离设置相同值，建议设为[10，40]米，这样更能依据RSSI精确求得节点之间距离。图7是铁路车站网络环境的一个缩略模型，在两至四个轨道之间布置一个Router信标参考节点，相邻的4个信标节点构成等边矩形，完成对安装在集装箱上的待测未知节点进行定位，P1(5，2)，P2(5，3)，P3(6，2)将对未知节点进行一定次数的信号，RSSI信息采集，最终将三点坐标信息一同通过车站ZigBee无线网络传至协调器节点(4，0)，再通过串口传至控制台完成RSSI信息采集[6]。

（四）适用于编组站的语句改进

基于RSSI的测量距离的进度不是很高，有可能产生最大超过30%的测距误差。这是由于在实际环境中无线信号多次叠加，接收端无法判断出未经反射信号的强度。所以，在制作程序的时候，需要每个点取5次测量得到的5个伪距离，程序将直接就算出5个数据的平均值来进行计算。这样可以很有效地缓解误差[7]。

一般情况下，通过软件定位的点并不在我们默认的那些代表铁路的直线上，通过语句将该处于平行直线之间的交点在最近的轨道中线这条直线上的投影点作为最终的所求交点。

改进后语句的实现见图8所示：

在图8中，体现了之前那句语句。我们得到了一个计算出的交点o，就可以确定o点在坐标轴的位置（x,y）。在点o的两边分别有两条平行的轨道，其轨道中心线分别为L1（y=6.7785）,L2(y=2.4375)。在图8中，我们得到的交点o的纵坐标更接近于轨道L1的中线。则，程序将自动地重新选择o点的y坐标的数值。将y改成y"，即所求点o的坐标为（x,6.7785）[8]。

六、结 论

ZigBee 具有低功耗、低成本、抗干扰强、协议紧凑简单、通信可靠等特点，非常适合编组站的工作环境。通过串状拓扑组网，每个机车上的ZigBee 终端设备(RFD)通过路由节点的中转与基站的协调器(FFD)建立无线连接，数据传输可靠、漏检率低。ZigBee 协调器与地面的数据通过RS232 有线传输到地面的主机中，在地面主机端实时再现机车行踪，为提高编组站作业效率提供了有利的保证。

在实际应用时，我们应在以下两个方面更进一步：

第一，随着ZigBee联盟的建立和ZigBee技术的不断发展，它将会在社会各行各业得到广泛的应用，对于系统抗干扰能力，以及如何回避各种误差，进一步提高系统的定位精度，还需要进一步研究。

第二，还需要更好地将网络模拟和实际的应用开发结合起来，及时将仿真的思想和参数等信息应用到实际的开发中来。

［参考文献］

［1］刘庆华,周小燕.应用ZigBee技术构建井下人员跟踪定位系统［J］.中国煤炭,2008,(8).

［2］张亚琼,杜永贵.基于2430的ZigBee智能传感器网络的研究及应用［J］.仪表技术,2008,(4).

［3］吕治安.ZigBee 网络原理与应用开发［M］.北京航空航天出版社,2008．

［4］LiMo.Underground structure monitoring with wireless senstor Massachusetts［J］.CamBridge University,2007.

［5］陈维克,李文锋.基于RSSI的无线传感器网络加权质心定位算法［J］.武汉理工大学学报,2006,30(2).

［6］EIDEMANN J,ESTRI D．Medium Access Control with Coordinated Adaptive Sleeping for Wireless Sensor Networks［J］.IEEE/ACM Transactions on Networking,2004,12(3).

［7］田丰,郭巍,王传云.基于ZigBee技术的煤矿井下GIS辅助定位算法［J］.煤炭学报, 2008,12(6).

［8］KINNEY P. ZigBee technology: wireless control that simply works［M］.ZigBeeAlliance.2004.