基于ZigBee和WinCE的火車貨運(yùn)防盜系統(tǒng)研究

引 言

隨著物流服務(wù)業(yè)的快速發(fā)展和火車提速，鐵路貨運(yùn)也進(jìn)入了高速發(fā)展階段，但與此同時(shí)，也帶來(lái)了越來(lái)越多的不安全因素，火車貨運(yùn)物資被盜是鐵路貨運(yùn)事故的主要原因之一。大多數(shù)貨運(yùn)物資被盜是犯罪分子在貨運(yùn)火車慢行上坡路段或者在火車站沿線進(jìn)行團(tuán)伙作案。采用傳統(tǒng)方法打擊貨運(yùn)物資盜竊事倍功半，火車貨運(yùn)盜竊仍然是目前困擾鐵路貨運(yùn)安全的突出問題 [1-3]。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和越來(lái)越多的商用案例為火車貨運(yùn)盜竊問題提供了技術(shù)上的可行性 [4,5]，基于此，研究和開發(fā)了基于ZigBee和 WinCE的火車貨運(yùn)防盜預(yù)警系統(tǒng)， 實(shí)現(xiàn)站停、待編、待卸和運(yùn)行途中的施封車（棚車）運(yùn)輸物資防被盜的功能， 在各火車貨運(yùn)車廂門上方安裝ZigBee無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是否有非法人員進(jìn)入，并在火車貨運(yùn)管理工作人員手中的PDA上實(shí)時(shí)顯示各車廂門的狀態(tài)信息。也可以擴(kuò)展經(jīng) GPRS 網(wǎng)絡(luò)連接地面路局的監(jiān)控PC進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理。相比于傳統(tǒng)打擊貨車盜竊的手段，該方法能及時(shí)發(fā)現(xiàn)是否存在非法人員侵入貨車車廂，并報(bào)警提醒鐵路工作人員采取措施處理，不僅大大節(jié)省了人力和物力，更提高了打擊盜竊犯罪的效率，維護(hù)了廣大貨主的財(cái)產(chǎn)安全和鐵路部門的良好形象。在防范火車貨運(yùn)被盜方面，有著較廣泛的實(shí)用價(jià)值。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，使用 RFID 卡將火車貨運(yùn)車廂號(hào)和安裝在對(duì)應(yīng)車廂的ZigBee 路由設(shè)備MAC 地址（全球唯一）進(jìn)行靜態(tài)綁定，然后在貨運(yùn)火車各車廂門上安裝傳感器來(lái)實(shí)時(shí)檢測(cè)是否存在非法人員入侵現(xiàn)象，若檢測(cè)到有非法人員進(jìn)入車廂，則 ZigBee 路由設(shè)備采集并處理信息，再通過(guò) ZigBee 網(wǎng)絡(luò)將報(bào)警信息（ZigBee 路由設(shè)備的 MAC 地址） 轉(zhuǎn)發(fā)到ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器通過(guò)串口將各報(bào)警信息傳送到手持終端 PDA，在手持終端 PDA 處根據(jù)先前靜態(tài)綁定的車廂號(hào)和ZigBee 路由設(shè)備MAC 地址映射關(guān)系表在界面上顯示被盜的車廂號(hào)，提醒火車貨運(yùn)管理工作人員采取相應(yīng)的安全處理措施。本系統(tǒng)基于ZigBee 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，自建短距離無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，非常適合鐵路貨車等移動(dòng)性場(chǎng)合。系統(tǒng)總體架構(gòu)效果如圖 1 所示。

2 ZigBee節(jié)點(diǎn)嵌入式軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中，ZigBee 無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)硬件平臺(tái)基本一致， 可根據(jù)不同的嵌入式軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的角色與功能[6]。系統(tǒng)采用了Jennic 公司自主研發(fā)的基于IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)的ZigBee 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 JenNet 協(xié)議，在JenNet 協(xié)議棧之上的APP層設(shè)計(jì)了 2 種嵌入式軟件，即協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)嵌入式軟件和路由器節(jié)點(diǎn)嵌入式軟件。

2.1 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)嵌入式軟件

根據(jù)ZigBee 短距離無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中只有一個(gè)協(xié)調(diào)器的協(xié)議要求，協(xié)調(diào)器作為ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中的匯聚節(jié)點(diǎn)，具有網(wǎng)關(guān)的作用，主要用于建立ZigBee 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)[7]，等待其他路由器或終端節(jié)點(diǎn)加入，組成星型、樹型或網(wǎng)狀型無(wú)線網(wǎng)絡(luò)?；阼F路火車貨運(yùn)過(guò)程的快速移動(dòng)性和待編貨運(yùn)車廂長(zhǎng)度不確定等特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)將除了協(xié)調(diào)器外的各個(gè)安裝在車廂上的現(xiàn)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)配置成了路由器，使其具有路由和中繼特性，同時(shí)將ZigBee組網(wǎng)成樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，符合鐵路火車貨運(yùn)的實(shí)際特征。其軟件流程如圖 2 所示。

2.2 路由器節(jié)點(diǎn)嵌入式軟件

安裝在各貨運(yùn)車廂的路由器節(jié)點(diǎn)上電并初始化后，開始加入?yún)f(xié)調(diào)器創(chuàng)建的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，若加入成功則采集門磁傳感器數(shù)據(jù)，然后通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)將車廂門的狀態(tài)信息路由給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，其軟件流程如圖 3所示。

3 PDA軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)監(jiān)測(cè)顯示和預(yù)警軟件位于火車貨運(yùn)管理工作臺(tái)（一般位于火車貨運(yùn)第 1節(jié)車廂）處的手持終端（PDA），該 PDA基于IntelXscale處理器硬件平臺(tái)和WinCE5.0操作系統(tǒng) [8,9]， 與ZigBee協(xié)調(diào)器（同樣位于火車貨運(yùn)第 1節(jié)車廂處）通過(guò)RS232 協(xié)議有線連接。在 WinCE上基于 EVC4.0 集成開發(fā)環(huán)境開 發(fā)防盜預(yù)警軟件，能夠顯示各火車貨運(yùn)車廂 ZigBee 路由器節(jié) 點(diǎn)發(fā)來(lái)的報(bào)警車廂號(hào)和報(bào)警車廂狀態(tài)。PDA 軟件模塊架構(gòu)如 圖 4 所示。

3.1 設(shè)置射頻卡與車廂號(hào)綁定

考慮到火車貨運(yùn)車廂的數(shù)量可變性和編組的隨意性，同時(shí)RF 卡具有操作方便、非接觸式讀寫等特點(diǎn)[10]，因此，采用RF 卡對(duì) ZigBee 路由器節(jié)點(diǎn)的MAC 地址與車廂號(hào)建立對(duì)應(yīng)關(guān)系。分為 首次設(shè)置射頻卡與車廂號(hào)綁定 和 非首次設(shè)置射頻卡與車廂號(hào)綁定 。

當(dāng)火車貨運(yùn)車廂裝好貨物首次在始發(fā)火車站發(fā)車運(yùn)輸時(shí)， 將安裝到各車廂上的ZigBee 路由器節(jié)點(diǎn)的MAC 地址寫入射頻卡，同時(shí)通過(guò)PDA 軟件的 首次設(shè)置射頻卡與車廂號(hào)綁定模塊將射頻卡中的MAC 地址與對(duì)應(yīng)車廂號(hào)靜態(tài)綁定，然后將此卡放到ZigBee 路由器節(jié)點(diǎn)的卡槽里，使其永不分離，也不再向該卡輸入MAC 地址。 通過(guò)該機(jī)制，建立起車廂號(hào)與ZigBee路由器節(jié)點(diǎn) MAC 地址的映射關(guān)系，同時(shí)生成了mac. txt 來(lái)保存這種映射。其界面如圖 5 所示。

圖 5 首次設(shè)置射頻卡與車廂號(hào)綁定界面

若非首次使用該列貨車運(yùn)輸，待裝好貨物準(zhǔn)備在始發(fā)站發(fā)車運(yùn)輸貨物時(shí)，則在 PAD 軟件的對(duì)話框中刪除前一次運(yùn)輸所建立的 mac.txt 表，然后打開 修改車號(hào)（mac.txt 已刪除） 對(duì)話框，讀取之前寫入射頻卡（在 ZigBee 路由器節(jié)點(diǎn)上）的MAC 地址，重新設(shè)置車廂號(hào)，如圖 6 所示。

圖 6 非首次設(shè)置射頻卡與車廂號(hào)綁定界面

3.2 火車貨運(yùn)車廂號(hào)修改

在中途?？空具M(jìn)行換、卸車廂處理后，若修改某一車廂號(hào)， 則打開“修改車號(hào)（mac.txt 未刪除）”對(duì)話框，讀取 ZigBee 路 由器（安裝在待修改車廂）上射頻卡記錄的 MAC 地址，然后 重新設(shè)置車廂號(hào)，如圖 7 所示。

4 系統(tǒng)測(cè)試和實(shí)驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行了測(cè)試和實(shí)驗(yàn)，模擬車廂被非法侵 入的情形，觀察 PDA 軟件上顯示報(bào)警的車廂號(hào)及狀態(tài)。防盜 預(yù)警顯示界面如圖 8 所示，在主界面上的“貨車車廂狀態(tài)”顯 示“非法打開”，在“報(bào)警車廂顯示區(qū)域”顯示報(bào)警車廂號(hào)與 車廂狀態(tài)（紅色顯示，以示醒目），同時(shí)進(jìn)行聲光電報(bào)警，以 提醒工作人員及時(shí)采取安全處理措施。

圖 8 防盜預(yù)警顯示界面

5 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)火車貨運(yùn)站停、待編、待卸和運(yùn)行途中的施封車運(yùn)輸物資被盜問題，基于ZigBee 和 WinCE 技術(shù)研究和實(shí)現(xiàn)了火車貨運(yùn)防盜系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了ZigBee 協(xié)調(diào)器和路由器，并組建了樹形ZigBee 網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)火車貨運(yùn)車廂狀態(tài)，同時(shí)基于WinCE 操作系統(tǒng)開發(fā)了 PDA 軟件，并創(chuàng)新性地使用射頻卡解決了始發(fā)、中轉(zhuǎn)、待編車廂的編號(hào)問題，可實(shí)時(shí)顯示和監(jiān)控車廂狀態(tài)， 并能在發(fā)現(xiàn)異常時(shí)及時(shí)預(yù)警，為火車貨運(yùn)安全領(lǐng)域提供了一種智能監(jiān)測(cè)方法。