基于ZigBee无线物联网技术的客车防盗系统

石三黑 闫卫东 石中明＊

高铁时代的到来，越来越多的人选择火车作为旅行的主要交通工具。由于列车运行时间长、人多、人杂，出行携带的文件资料、照相机、电脑、仪器设备等贵重物品，给旅客休息、用餐、盥洗等活动造成不便。目前，旅行安全防盗工作仍以乘警、乘务员人工监视为主，被窃事件时常发生。基于以上考虑，设计开发了列车安全防盗系统，以无线通信技术实现信息的实时交互和传递，通过物联网技术将旅客的贵重物品组成一个网络，每个在线的贵重物品受到旅客自己和列车乘务人员的实时监控，有效解除了旅客的后顾之忧，确保了贵重物品的安全。这样可使旅客放心，旅行更加舒适、愉快。在此基础上，系统还构架了客车铺位信息系统，列车工作人员可及时出售铺位，不仅给旅客的需求提供实时的信息服务，而且提高了资源的利用率。

1 ZigBee技术

当前使用的几种无线技术的特点如表1所示。ZigBee技术采用直接序列扩频 (DSSS)，工作在无需注册的2.4 GHz频段。其主要特点:低功耗、成本低、时延小、网络容量大、安全可靠;尤其是传输速率低、发射功率小 (1 mW)，日常采用休眠模式功耗低。测算数据显示，ZigBee设备使用2节5号电池可维持6个月到2年 (电池容量不同)。

ZigBee协议的整体框架包括物理层、MAC层、数据链接层、网络层和应用层。物理层和MAC层由IEEE制定，网络层及应用层由ZigBee联盟制定，用户只需编写自己需求的最高层应用协议。ZigBee的网络拓扑结构有星形、树形和混合3种。其中，星形网络是一个辐射状系统，数据和网络命令都通过中心节点传输。在ZigBee的网络中，支持全功能设备 (FFD)和精简功能设备 (RFD)。ZigBee网络按照节点类型来分，支持主节点、路由节点及终端节点3种。主节点是协调器，必须由一个FFD构成，是网络的核心，负责建立一个网络并下发地址。路由节点也是一个FFD，搜索网络并加入，给加入路由的终端节点分配地址。路由节点仅是网络中的一个无线收发器，负责转发通信和维护网内路径。终端节点是网络中最简单的节点，可以是FFD，也可以是RFD。

表1 几种常用的无线技术的主要特点

2 方案设计

2.1 列车防盗系统功能及原理

列车防盗系统由防盗袋、旅客遥控器、集中控制器和值班乘务员报警器4部分组成。旅客将贵重物品放置到防盗袋中，如果有人打开防盗袋或者恶意割断防盗袋窃取内部物品，防盗袋内部报警装置启动报警，通过2.4 GHz无线方式将报警信息发给旅客遥控器和集中控制器;旅客遥控器和集中控制器收到报警信号后发出声光报警，同时将报警信息通过433 MHz载频发给值班乘务员报警器，以提示旅客和值班乘务员，即使值班乘务员有事不在值班室也能及时收到报警信息。如果旅客本人需要打开防盗袋可屏蔽报警功能，放置好物品后再启用报警功能。

列车防盗系统中每节车厢有40个防盗袋，40个旅客遥控器，1个集中控制器和1个值班乘务员报警器。集中控制器通过2.4 GHz无线方式和40个防盗袋组成无线传感器网络，旅客遥控器和防盗袋组成2.4 GHz无线网络，集中控制器和值班乘务员报警器通过433 MHz组成点对点无线通信，可以实现密封空间的远距离无线传输，433 MHz可以在多层屏蔽环境下有效通信距离500 m，这样即使多节列车门紧闭也可以将报警信息发送到值班乘务员报警器。系统框图如图1所示。

图1 列车防盗系统框图

旅客遥控器和防盗袋一一对应，旅客遥控器只能屏蔽其对应防盗袋的报警功能，无法控制其他防盗袋。集中控制器定时 (1～60 s)发送巡检命令检测防盗袋是否完好，如果有人将防盗袋带出距离集中控制器30 m远或者通过某种手段屏蔽该防盗袋时，集中控制器就会收到节点丢失信号，于是发出声光报警信号，并将此信息通过433 MHz无线方式发送给值班乘务员控制器，确保值班乘务员远离集中控制室时也能及时收到报警信息，确保旅客贵重物品安全。

2.2 客车铺位信息系统

客车铺位信息系统由集中控制器的编辑器和列车长接收器组成。值班乘务员通过铺位查验及时掌握卧铺使用情况，如果有空铺可以通过集中控制器将空铺信息通过无线方式发送给列车长接收器，列车长接收器收到铺位占用情况信息进行合理处置。该系统是在防盗系统基础上开发，在集中控制器上设计一个数字键盘和一个液晶显示屏。值班乘务员通过巡视发现卧铺客车有空铺时，通过键盘编辑和显示将信息通过433 MHz无线信号发送给列车长接收器，列车长接收器收到空铺信息后通过列车广播将空铺信息播报给硬座旅客，让需要卧铺的旅客及时补票。考虑到卧铺客车每节车厢都有集中控制器，所以通过433 MHz无线接力的方式将空铺信息发送出去，这样既节省了远距离通信的不稳定性，还可以降低成本。系统框图如图2所示。

图2 客车铺位信息系统框图

3 硬件设计

1．防盗袋。防盗袋尺寸为 60cm×30cm×70cm，袋口为纽扣形式方便旅客使用，内部由耐磨损、耐高温线编制而成，高温线整体为一根，接头部分连接到内部无线控制模块。内部无线模块检测高温线连接状态，当袋口纽扣打开或者高温线被割断时无线模块都能检测到;如果屏蔽功能未开启，无线模块将报警信息发送出去。

防盗袋内2.4 GHz无线模块通过电池供电，无线通信采用低功耗器件，保证内部可充电电池正常使用15天以上。外形设计为圆筒式折叠方式，不使用时占用客车最小空间。

2．旅客遥控器。旅客遥控器设计有4个按键，尺寸大小根据实际使用情况而定，使用内部电池供电。设有屏蔽和启动按键，实现遥控器屏蔽和开启防盗袋报警功能。当防盗袋发出报警信号后，旅客遥控器发出声光报警，旅客可以通过消音键消除报警声音，也可通过复位键恢复正常。如果旅客忘记开启报警功能，防盗袋也可在设定时间内(30 min)自动开启报警功能。

3．集中控制器。集中控制器由2.4 GHz无线网络协调控制器、433 MHz无线收发器、液晶显示屏和编辑键盘4部分组成。集中控制器通过2.4 GHz无线网络协调控制器管理一节车厢内部的40个网络节点 (防盗袋)，通过433 MHz无线收发器和值班乘务员控制以及列车长接收进行数据通信。当防盗袋在没有屏蔽报警状态下打开时，集中控制器发出声光报警，该节点的报警信号指示灯点亮，当节点远离集中控制器或节点被屏蔽时，该节点丢失信号指示灯点亮。集中控制器采用48V直流电供电，可以解决发光二极管、液晶和无线发射功率消耗大的问题。值班乘务员查验铺位信息，通过键盘编辑和液晶显示将空铺信息发送给列车长接收器。

4．值班乘务员报警器。值班乘务员控制器设计为433 MHz接收模块，处于接收状态，当有报警信息时发出震动和声音报警，通过消音按键进行消音处理，通过复位按键进行状态复位。值班乘务员报警器为电池供电。

5．列车长接收器。列车长接收器为433 MHz接收模块，通过各个集中控制器组成链式网络，无论列车长接收器在哪节车厢内都能有效接收到所有集中控制器发来的信息。列车长接收器有液晶显示、按键和存储功能，可以记录最近的100条 (可设置更多)客车空铺信息。列车长接收器为电池供电。

4 结论

ZigBee技术正处于迅速发展时期，基于ZigBee无线物联网技术的客车防盗和铺位信息系统，保护了旅客财产和提高了客车铺位的利用率。客车防盗和铺位信息系统的开发和应用为客车其他功能的有效开发奠定了基础，为客车综合信息的采集积累了经验。

［1］ 李文仲，段朝玉．ZigBee2007/PRO协议栈实验与实践［M］．北京:北京航空航天大学出版社，2009，03.

［2］ 蒋挺，赵成林．IEEE 802无线通信新技术丛书［M］．北京:北京邮电大学出版社，2006，6.

［3］ 瞿雷，胡咸斌．ZigBee技术及应用［M］．北京:北京航空航天大学出版社．2007，09.

［4］ 李文仲，段朝玉．ZigBee2006无线网络与无线定位实战［M］．北京:北京航空航天大学出版社，2008，01.

［5］ 叶安君.客服信息系统与TDCS系统信息共享关键关键技术实现［J］．铁道通信信号，2009(1):46.

［6］ 罗晓.浅谈乘客信息服务系统(PISS)［J］．铁道通信信号，2009(6):58.

(责任编辑:诸 红)