铁路物资押运防盗报警探测系统的设计

孙长国，戴 楠，刘志宏

（92117部队，后勤信息化建设研究室，北京100072）

目前，铁路军用物资押运一般采用人员看管的模式实现全程安全保障，押运条件差，费用成本高，且存在安全隐患。研制一种实时性好、信号传输可靠性强的物资押运防盗报警探测装置，使押运人员实时获知运输车辆车门状态，以便对异常状况及时做出反应，克服以往只有在事后发现货物被盗而追查的被动性，从而保障运输物资安全，降低人员工作强度，是十分迫切和必要的。

1 系统设计需要解决的关键问题

物资押运防盗报警探测系统，实际是一个以无线传感器网络为核心的电子锁系统。设计以现有无线通信技术标准为依据，使用全球通用的免申请通信频段。系统设计需要解决以下关键技术问题：

（1）长距离传输，克服金属影响

铁路棚式货车均为铁制，满挂时达数百米，因此，要求无线通信能够长距离传输数据，并能有效克服金属（列车车体）的影响。金属对于无线通讯的影响非常大。能否有效克服金属影响是实现整套系统自动传输的关键，因为它直接关系到各个电子锁之间的组网性能。

（2）长期免维护使用

物资押运周期长，要求电子锁长期免维护使用，并能将自身的电池使用情况发送到手持终端，一旦电量过低，可以自动报警。

2 系统结构及工作原理

系统设计由3部分组成：电子锁、协调器及手持终端。其中协调器内置在手持终端内部，通过串口完成数据与信息交互。系统工作示意图如图1[1]：

图1 系统组成及工作原理

系统的工作流程为：在整套系统完成部署后，手持终端向协调器发布组网命令。按SimpliciTI协议完成组网，各个电子锁将自身状态信息发送至协调器，协调器将数据发送至手持终端完成显示。若某个电子锁被破坏，则系统报警，从而实现了列车车门状态的实时监控。

3 电子锁关键技术

电子锁是机电一体化技术的典型应用。在狭小的空间内集成了控制板、机械锁以及电池等模块。电子锁的研制采用物理锁与射频识别（RFID）组件的混合形式，使用协调器及手持终端接收电子锁的信号并进行分析，从而实现整个系统的自动监控与报警。

3.1 机械锁与无线智能模块一体化设计技术

电子锁节点是该网络的基本单元。电子锁的研制采用物理锁与无线智能模块相结合的形式，通过微控制器实现物理上锁、开锁与状态监测。电子锁组成框图如图2。

模块电路设计自始至终都要求体积小、功耗低，但传统的无线传送设计方案大多电路繁琐、调试困难、且所需的外围器件较多，从而限制了系统的应用。所设计电子锁硬件电路由主控芯片MSP430F2232单片机、射频芯片CC1100、串口通信模块、时钟单元、锁具驱动电路、锁状态检测器以及供电单元组成。

低功耗模块的设计首先是微控制器的选择，除了要考虑功能和开发环境外，特别要关注单片机本身的功耗和提供的节能措施。本设计采用MSP430F2232单片机，它是专门为低功耗系统而研制的新型16位单片机，具有LMP0~LMP4 5种低功耗模式，其供电电压可以在1.8 V～3.6 V范围内变化；主频可以由内部的DCO（最高达16 MHz）和外接的32.768 KHz晶振自由切换，中断唤醒时间更是降到了1us，即降低了系统功耗又可以对硬件请求和事件做出快速反应。另外，MSP430F2232单片机具有丰富的外围接口电路，如2组16位定时器、I2C/UART/SPI、片内Flash、看门狗电路等，大大简化了无线模块的外围电路设计[2]。

图2 电子锁电路原理框图

无线接收与发射芯片是本模块的主要部件，选用最新的无线射频芯片CC1100来实现无线信号的收发[3]。CC1100是一款真正的低成本、低功耗、单片的UHF无线收发器。工作电压为1.8 V~3.6 V，有64字节的RX和TX数据FIFO，支持FSK、MSK等不同的调制格式，频率稳定性极好，具有较强的抗干扰能力；其数据传输率可达500 Kbps；该芯片功耗极低，发送模式时，仅需30 mA以下，接收状态时仅需15 mA左右。在发射状态下，其发射功率可编程调节，其最大发射功率达到10 dBm[4]。

其它电路设计方面，驱动电路完成对步进电机的驱动，实现开锁、关锁自动化；锁状态检测主要包括锁开关信息、电池电量等。AP、RE或者ED在硬件上基本相同，只是运行的软件不同而已，AP因需要与手持终端通信，只要增加一个串口通信模块即可。

3.2 电子锁组网协议

无线传感器网络WSN由部署在检测区域内的大量、廉价、微型、节能传感器节点组成，通过无线通信方式自我形成网络系统，其主要目的是协同地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，接收命令并与控制中心交换有关的信息[5]。目前，ZigBee协议是一种新兴的短距离、低速率的无线网络技术。主要用于近距离无线连接。它有自己的协议标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。主要工作在868 MHz、915 MHz和2.4 GHz频段，在国内，只能工作在2.4 GHz频段，这就带来了2个问题：（1）频率高，绕射性能差，对于大规模仓库应用容易形成遮挡，导致通信中断；（2）频段拥挤，WIFI、蓝牙等均工作在此频段，容易受到干扰。因此，各个电子锁节点首先面临的问题是采用何种组网模式。

SimpliciTI 网络协议专为简单的 RF 网络而设计，对适合网状路由与标准化配置的大型网络的 ZigBee 而言是一种很好的补充。SimpliciTI协议可以工作在433 MHz频段。因波长较长，绕射能力增加，能够克服金属影响，满足铁路列车无线通信的需要。该协议可以提供3种设备，既数据中心AP、终端节点设备ED和范围扩展器RE，构成如图3：

图3 SimpliciTI协议设备示意图

数据中心AP：也称为汇聚节点。是无线传感器网络的中心节点，负责网络的发起，拓扑的形成与维护，网络数据的汇集与处理，与手持终端的通信与信息交互。

电子锁终端节点ED或RE：主要负责电子锁状态数据的采集，并将数据传输到汇聚节点；中继其它节点的信息，实现路由功能。

在SimpliciTI 网络协议栈的基础上进行软件设计，能够简化编程工作，并尽可能降低微控制器的资源占用。该协议能“开盒即用”地在CC1110/CC2510等片上系统上运行。最新SimpliciTI 网络协议将支持客户开发超低功耗系统，因此软件设计相对容易。

3.3 程序设计

系统软件设计易移植、可复用、能够适应不同硬件平台的软件系统，才能更好地满足无线监控报警系统的升级、改造等需求。MSP430的内核CPU结构是按照精简指令集和高透明指令的宗旨来设计的，使用的指令有硬件执行的内核指令和基于现有硬件结构的高效率的仿真指令。本系统软件开发采用专门用于MSP430系列单片机而设计集成开发环境IAR Embedded Workbench，编程采用C语言，使得系统设计十分方便[6]。程序设计采用中断方式为主的设计模式。主程序完成相应的设置和初始化后，其它任务都有中断服务程序去完成。程序共分为主控程序、初始化模块、串口通信模块、射频模块、定时器模块、看门狗等辅助模块几个部分组成，这里给出了AP（协调器）设备程序设计流程图，如图4：

图4 软件总体流程图

4 试验

电子锁采用锂电池供电，电池容量为2Ah。待组网状态时，工作电流为27.5mA，组网状态下，电子锁平均工作电流为2.2 mA，开关锁，需要驱动步进电机，电流为250 mA。经功耗测试，电子锁系统可自动运行20余天，完全满足铁路运输宝报警监控的要求。试验条件为室外开阔地，每隔20m布置一把电子锁，顺次排列，电子锁编号为1，2，3，4。图5给出了监控设备显示电子锁的状态图。绿色表示该电子锁处于正常状态，白色表示电子锁被破坏。经测试，系统报警时间为3s，为押运人员提供了及时快速的报警信息。

图5 电子锁监控状态图

5 结束语

基于MSP430F2232单片机和CC1100无线射频芯片构成的铁路物资押运防盗报警探测系统，解决了传统门锁防盗能力差的问题。电子锁采用紧凑型结构设计，将控制电路、机械锁以及供电单元都集成到锁体，结构简单，操作方便，实时性很高，并采用SimpliciTI协议组建了智能监控网络。具有通信距离远、成本低、通用性强、可靠性好、操作灵活简单的特点。适于铁路运输防盗报警的应用，具有很好的发展前景。

[1] 刁雪慧，徐德民，张福斌. 无线传感器网络节点的设计[J] .机械与电子，2008（5）：65-67.

[2] MSP430X2XX User Guide[R] . Texas Instruments. Feb. 2004.

[3] 鲁照权，刘 芳，黄梅初. 基于射频收发芯片CC1100的TPMS[J] . 电子工程师，2008，34（3）：65-69.

[4] 孙维明，石江宏，陈岳林. 可编程RF收发器CC1100的原理及开发[J] . 国外电子元器件， 2007（9）：40-42.

[5] 李鸿剑. 无线传输技术在列车安全监控方面的应用[J] . 铁路计算机应用，2005，14（9）：60-63.

[6] 胡大可. MSP430系列单片机C语言程序设计与开发[M] .北京：航空航天大学出版社，2003.