论文总字数：22727字

摘 要

铁鞋在铁路运输中运用广泛。尤其是国内铁路，铁鞋在动态防溜措施中扮演重要角色。但是传统铁鞋存在很多弊端，现在需要一种具备无线通信功能的智能铁鞋以取代传统铁鞋。

无线传感器网络因其成本低、功耗低、组网方便的特点，近年来被广泛采用。它是一个集成传感器技术，通信技术，网络技术和信息处理技术新技术的新兴技术，通过各种类型的传感器终端感知场景信息并进行实时监测，并将采集到的数据通过无线方式传输，并最终传递到主机的用户端，实现了人与环境之间的通信。本文设计的智能铁鞋的通信系统就是基于ZigeBee无线网络技术，主要内容如下：

介绍了项目背景和课题研究的意义，以及目前国内的研究现状，阐述了系统的核心技术ZigBee技术的特点、拓扑结构和协议架构。根据项目任务书的要求，提出了通信系统的设计思路和大致方案。根据通信系统的设计方案对系统的两个功能节点路由器和协调器进行硬件设计，简要介绍了核心芯片CC2530，根据路由器和协调器各个模块的电路原理图，对关键引脚的功能进行简要说明。然后还介绍了软件的开发环境，结合路由器和协调器的流程图分析了其功能实现过程，并对其中的关键子函数进行了详细说明。最后对系统进行功能测试，建立路由器、智能铁鞋和协调器通讯的无线网络，并用上位机收到了数据，验证系统实现了预期功能。

关键词：智能铁鞋、无线传感器网络、Zigbee技术、CC2530

THE RESERCH AND DEVELOPMENT OF INTELLIGENT ANTI-SLIP COMMUNICATION SYSTEM FOR RAILWAY

Abstract

Brake shoe is a kind of widely used conventional anti-slide equipment in railway transportation. Especially in the domestic railway, the dynamic anti-slip measures are the preferred equipment for brake shoe. But the traditional brake shoe has too much drawbacks. Now we need a kind of intelligent brake shoe with wireless communication function to replace the traditional brake shoe.

The wireless sensor network widely used in recent years because of its features including low cost, low power consumption and convenient networking.It is a new technology integrating sensor technology, communication technology, network technology and information processing technology. It is monitored by the sensor terminal sensing scene information of various types, and the collected data through wireless transmission, and eventually passed to the host user terminal. It realizes the communication between people and the environment. This paper designs the intelligent communication system of brake shoe.The main contents are as follows:

This paper introduces the significance of project background and subject research, and the present status of domestic research, and expounds the features, topology and protocol structure of the core technology ZigBee technology.According to the requirements of the project task book, the communication system design ideas and general scheme. According to the design scheme of the communication system design the hardware of two function node router and coordinator.Then introduced the core chip CC2530 briefly.According to the router and coordinator of each module of the circuit principle diagram, the function on the key pins were explained briefly. Then, the software development environment is introduced, and the function of router and coordinator is analyzed, and the key sub functions are described in detail. Finally, the function of the system is tested, the wireless network of router, smart iron shoe and coordinator is established, and the data is received by the upper computer, and the function of the system is realized.

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KEYWORDS:  intelligent brake shoe, wireless sensor network, Zigbee technology,CC2530.

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 项目背景 1

1.2 论文研究的意义 1

1.3 研究现状 1

1.3.1 智能铁鞋的研究现状 1

1.3.2 Zigbee的研究现状 2

1.3.3 Zigbee的发展前景 2

1.3.4 论文主要内容 2

第2章 ZigBee通信协议 4

2.1 ZigBee技术简介 4

2.2 ZigBee节点类型及网络拓扑结构 4

2.2.1 ZigBee的节点类型 4

2.2.2 ZigBee网络的拓扑结构 5

2.3 ZigBee协议架构 6

2.3.1物理层（PHY层） 7

2.3.2 MAC层 7

2.3.3 网络层 8

2.3.4 应用层 8

第3章 系统整体方案设计 9

3.1 系统功能需求 9

3.1.1 路由器功能需求 9

3.1.2 协调器功能需求 9

3.2 系统总体架构设计 9

3.2.1 设计思路 9

3.2.2 整体方案 10

第4章 系统硬件设计方案与实现 11

4.1 芯片介绍 11

4.2 硬件设计方案 12

4.2.1 路由器的设计方案 12

4.2.2 协调器的设计方案 12

4.3 系统硬件设计的实现 13

4.3.1 协调器的设计实现 13

4.3.2 路由器的设计实现 17

第5章 系统软件设计与实现 18

5.1 开发环境简介 18

5.2 系统软件设计 19

5.2.1 路由器软件设计 19

5.2.2 协调器软件设计 21

第6章 系统功能测试与分析 27

6.1 测试环境 27

6.2 功能测试 27

6.2.2 数据传输协议 28

6.2.3 数据传输测试 30

6.3 结论 30

第7章 总结与展望 31

7.1 总结 31

7.2 展望 31

参考文献 32

致谢 33

绪论

项目背景

铁鞋是广泛应用于铁道车辆防溜作业中防止车辆溜逸的固定装置。为了保证铁路运行的安全，铁道部门出台了相关规定要求对铁路线上不运行的停留车辆，必须使用铁鞋或其他防溜装置固定[1]。近年来铁路建设发展迅速，铁路线遍及全国各地，广而分散的火车站作业面给铁鞋提出了更高要求。但是目前许多站场的铁鞋的管理混乱，许多铁鞋乱扔在铁路沿线，这种需要时拿起来用，不需要时随意扔下的管理方法随意性太大，不能保证铁鞋的工作状态，存在很大的安全隐患，而且铁鞋容易失窃。铁鞋的位置和状态信息是铁路现场的重要数据，目前获取这些信息的方法主要靠值班人员的反复巡查，但是值班人员离开后无法及时判断铁鞋是否处于规范状态，极易发生事故。如2008年贵昆铁路云南宣威段货运车列溜逸事故，造成4人死亡，2人受伤。如何有效地管理和使用好铁鞋是一个安全问题[2,3]。因此现在急需一种改进的新型铁鞋代替传统铁鞋，还需要一套可靠的管理方案来管理铁鞋。为了实现对现场铁鞋状态的实时监控，本论文基于Zigbee技术，设计了一套高效、稳定的智能防遛铁鞋通信系统。

论文研究的意义

最近几年，无线通信技术和微控制器发展迅猛，以前的无线传感器网络节点只具备简单的感知功能，现在的节点具备了无线通信和计算机功能，这些增强的功能使无线传感器网络设备有了更广阔的运用空间，在定点的环境监测以及工业控制等领域都能发挥它的作用^[9]。在这样的背景下出现了一种具备无线通讯和智能化测量功能的智能铁鞋。本文就是研发智能防溜系统的通信系统部分，意在解决目前铁道车辆防溜工作中的难题，提高防溜工作的效率和安全性，对实现轨道交通防溜作业的自动化，促进铁道运输安全管理工作具有重要意义[4]。

研究现状

智能铁鞋的研究现状

最近几年，为了改进铁鞋使用状态的监管体系，铁路方面的科研人员进行了大量的研究，其技术发展的历史可分为以下三个阶段^[5]。

（1）根据机械锁扣原理研发的具有防盗定位管理功能的防盗铁鞋。这一阶段的铁鞋由铁鞋主体和机械锁闭装置部分组成，在防溜的功能上增加了防盗的功能。其原理和操作都很简单，且适用范围广，应用广泛，但是无法实现铁鞋的定位和状态的监测，不具备远程监测和管理的功能[5]。

（2）传感技术和RTU远程终端通讯相结合的铁鞋现场监控系统。该系统应用于铁路中间站，具备监测铁鞋的状态，监控铁鞋位置，实时显示站场调车动态的功能，使用了压力传感器来采集信息，使用微波通讯来传递信息，提升了管理手段^[6]。但是RTU缺乏统一标准，在通讯方面的兼容性不强，因此在实际应用中很难大范围推广。

（3）将智能化测量、嵌入式和无线通讯相结合。采用光纤光栅传感器进行安全监测，与RTU相比在无线通讯上有了改进，通过无线传输的方式将采集到的信息发送到上位机，上位机的监测软件处理信息后会通过界面显示铁鞋的状态。其缺点是光纤容易受温度影响，且在不均匀受力时容易出现多光栅^[7]。

从上面三个技术发展阶段可以看出，铁鞋设计逐步从机械设计为主转变为与无线通讯、传感技术相结合，但是上述三种改进方法受技术和设备的约束较大，没有做到经济性和可用性兼得，需要进一步改进^[8]。

Zigbee的研究现状

ZigBee技术是本论文的核心技术，它是一种新型的无线传感网络技术，适合近距离的数据通信，在工业控制、医疗卫生和智能家居领域得到了广泛应用[9]。

近年来，ZigBee应用得越来越广泛，美国的公司已经在车辆管理系统及自动抄表等系统中加入了ZigBee技术[10]。在国内，通信行业的龙头企业华为公司正在积极研究将Zigbee植入SIM卡中的技术，从而为用户提供如手机遥控灯等多样化的增值业务^[11]。

Zigbee的发展前景

在工业控制领域，结合ZigBee无线网络和传感器设备的系统可以使数据的采集和传输更加简便，有助于提高对数据的处理能力。如今对仓库温度的检测系统和森林火警预防系统中都有ZigBee技术的应用空间[12]。

在农业领域，传统农业主要通过人为的观察来判断农作物的长势，要提高农业的产量就要提高对农作物长势的监测水平。ZigBee无线传感器网络可以对土壤的湿度、PH值和温度等重要数据进行监测，使得农民对农作物的长势的判断更方便准确，有利于提高农作物的产量[13]。

ZigBee技术同样可以用于楼宇自动化领域，把Zigbee芯片植入窗帘系统、厨房设备等家用电器中可以实现远程控制功能^[14]。

论文主要内容

本文以基于ZigBee技术的铁道智能防溜系统通讯组网设计与开发为主题，研究了ZigBee无线传感器网络的节点类型、网络拓扑结构和协议架构，在此基础上，根据系统的功能需求，对协调器和路由器这两种设备进行了硬件设计和软件开发，最终实现了无线传感器网络的组建，路由器的自动充电、长时间续航，数据转发与汇总并通过协调器以多种接口与上位机相连实现数据通信。论文分为6章，各章内容如下：

第一章，绪论。介绍项目背景和课题研究的意义，以及目前国内的研究现状。

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