火車車速監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

1、EPC和RFID技術(shù)課程設(shè)計(論文)火車車速監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計 院（系）名稱電子與信息工程學院 專業(yè)班級物聯(lián)網(wǎng)121班 學號120402007 學生姓名薛紅見 指導教師賈旭 副教授起 止 時 間： 2015.12.212016.1.1課程設(shè)計（論文）任務及評語院（系）：電子與信息工程學院 教研室：物聯(lián)網(wǎng)工程學 號120402007學生姓名薛紅見專業(yè)班級物聯(lián)網(wǎng)121班課程設(shè)計（論文）題目火車車速監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計（論文）任務任務要求：1、 通過兩次讀卡記錄火車經(jīng)過的時間，計算車速。2、 實現(xiàn)測速上限的報警功能。3、 讀卡模塊設(shè)計實現(xiàn)讀卡操作。4、 設(shè)計系統(tǒng)完成相應的功能。5、 撰寫課程設(shè)計報告一份。

2、技術(shù)要求：1、 利用2.4GHz讀卡模塊來設(shè)計系統(tǒng)。2、 無線數(shù)據(jù)通信部分基于ZigBee協(xié)議。3、 讀卡終端采用CC2530核心板。4、 系統(tǒng)能正常運行。軟件界面友好、操作簡單。指導教師評語及成績注：“指導教師評語”應從平時表現(xiàn)、答辯表現(xiàn)、論文質(zhì)量等方面進行評價。（評語中可以指出該生課程設(shè)計的不足之處）平時成績： 答辯成績： 論文成績： 總成績： 指導教師簽字： 年 月 日注：平時成績占20%，答辯成績占40%，論文成績占40%。本科生課程設(shè)計（論文）目 錄第1章 緒論11.1我國鐵路的發(fā)展史11.2系統(tǒng)設(shè)計思想21.3方案的提出3第2章 需求分析42.1系統(tǒng)的設(shè)計分析42.2 系統(tǒng)組成52

3、.3 系統(tǒng)網(wǎng)絡連接52.4 系統(tǒng)器件分析6第3章ZigBee技術(shù)83.1ZigBee技術(shù)83.2 ZigBee技術(shù)特點83.3 ZigBee的應用93.4 標準限定9第4章 系統(tǒng)詳細設(shè)計與編碼114.1系統(tǒng)設(shè)計模塊114.2程序代碼12第5章 系統(tǒng)的維護17第6章 總結(jié)18參考文獻19I第1章 緒論1.1我國鐵路的發(fā)展史中國鐵路迄今已有100多年的歷史：從其第一條營業(yè)鐵路上海吳淞鐵路1876年通車之時算起，是123年；從其自辦的第一條鐵路唐胥鐵路1881年通車之時算起，也有118年了。百余年來，中國的鐵路事業(yè)經(jīng)歷了新舊兩個根本性質(zhì)不同的社會。無論從政治上還是從經(jīng)濟上，這都決定了它在其發(fā)展歷程中

4、必然會遭遇到兩種迥然不同的命運和前途。舊中國的鐵路事業(yè)，雖是史無前例的產(chǎn)業(yè)，但卻帶有半封建半殖民地的性質(zhì)。它的建設(shè)、發(fā)展和經(jīng)營都被控制在帝國主義、封建主義和官僚資本主義的手里，其發(fā)展之緩慢和經(jīng)營之慘淡，自不待言。新中國的鐵路事業(yè)雖以舊中國的鐵路設(shè)備為其物質(zhì)基礎(chǔ)，但由于在共產(chǎn)黨和人民政府領(lǐng)導下，一貫堅持自力更生、艱苦奮斗、勤儉建國的方針，70年代后期以來又貫徹執(zhí)行改革開放的政策，不僅迅速而徹底地改變了舊鐵路的半封建半殖民地性質(zhì)，而且取得了前所未有的輝煌成就。當然，新中國的鐵路事業(yè)在其長達50年的發(fā)展歷程中，也不是一帆風順的。它經(jīng)歷了由小到大、由少到多和由弱變強的漸進過程，在其前進的道路上不乏平坦

5、與坎坷，歡欣與痛惜，經(jīng)驗與教訓，勝利與失敗。這50年是中國鐵路自強不息、堅忍不拔、披荊斬棘、前赴后繼的50年，這50年又自有其曲折的變化和發(fā)展。20世紀70年代末和80年代初，中國鐵路進入改革開放新時期。在新的路線和新的方針、政策指引下，鐵路事業(yè)推陳出新，突飛猛進。我國的人口量大，由于經(jīng)濟的快速發(fā)展造成運輸事業(yè)繁忙，現(xiàn)代化的運輸鐵路的發(fā)展有利于從根本上緩解運輸緊張的狀況?，F(xiàn)如今我國既有的京滬鐵路是一條百年老線，長期處于限制型運輸狀態(tài)，客運需求無法滿足，尤其是春運、暑運、黃金周更是“一票難求”；貨物運輸請車滿足率僅為35%左右。近年來，通過電氣化和提速改造后，這條線路的運輸能力大大提高，但是挖潛

6、已達到極限。新建京滬現(xiàn)代化鐵路，實現(xiàn)客貨分線運行，可以大大提高通道內(nèi)鐵路運輸能力和服務質(zhì)量，為東部地區(qū)率先基本實現(xiàn)現(xiàn)代化提供可靠運力保證。現(xiàn)代化鐵路運輸?shù)陌l(fā)展有利于完善綜合運輸體系。發(fā)展現(xiàn)代化的鐵路是國家綜合交通運輸網(wǎng)的重要組成部分。鐵路現(xiàn)代化技術(shù)的迅速發(fā)展使我國的運輸結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化和完善，同時也有利于鐵路與其它各種交通方式之間優(yōu)勢互補，提供質(zhì)量更高、更豐富的客運服務，滿足旅客不同層次的需求，提高交通運輸系統(tǒng)整體效率。鐵路現(xiàn)代化運輸?shù)陌l(fā)展有利于促進資源節(jié)約和環(huán)境保護。我國人口眾多、土地資源有限，生態(tài)環(huán)境保護任務繁重。建設(shè)更先進的鐵路，可以發(fā)揮節(jié)約土地、能源以及安全性好等比較優(yōu)勢，降低全社會的運輸

7、成本，促進沿線經(jīng)濟社會協(xié)調(diào)發(fā)展。鐵路現(xiàn)代化技術(shù)的發(fā)展是有利于加快鐵路現(xiàn)代化進程。世界現(xiàn)代化鐵路經(jīng)過40多年發(fā)展，技術(shù)不斷提高和完善，按照最新世界現(xiàn)代鐵路的統(tǒng)計，目前已有11個國家和地區(qū)共一萬多公里現(xiàn)代高科技鐵路投入運營；世界各國正在建設(shè)的高速鐵路達一萬公里以上，規(guī)劃的現(xiàn)代化鐵路有2萬多公里。利用先進成熟技術(shù)建設(shè)我國現(xiàn)代化鐵路不僅是可行的，而且將提升鐵路現(xiàn)代化整體水平，并帶動我國經(jīng)濟建設(shè)的迅速發(fā)展，提高自主創(chuàng)新能力。我國發(fā)展現(xiàn)代化鐵路是從我國國情出發(fā)的最現(xiàn)實的選擇；是發(fā)展交通運輸，優(yōu)化和提升交通運輸結(jié)構(gòu)的重大戰(zhàn)略決策；是我國鐵路高層次、大幅度擴大旅客運輸和貨物運輸能力的新途徑；是“科技興路”發(fā)展

8、戰(zhàn)略的最重要的組成部分；是交通運輸領(lǐng)域貫徹可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的具體體現(xiàn)。1.2系統(tǒng)設(shè)計思想隨著網(wǎng)絡技術(shù)的不斷發(fā)展，近些年來產(chǎn)生了很多新型的技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)是近幾年迅速發(fā)展并為人們所熟知的概念，被公認為是繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)、移動通信后世界信息產(chǎn)業(yè)革命的新一次浪潮，被認為是下一個萬億級產(chǎn)業(yè)。其市場前景預期將遠遠超過計算機、互聯(lián)網(wǎng)和移動通信，必將成為世界經(jīng)濟的新增長點，為未來社會經(jīng)濟發(fā)展、社會進步和科技創(chuàng)新提供最重要的基礎(chǔ)設(shè)施保障，也必將徹底改變?nèi)藗兊纳罘绞?。物?lián)網(wǎng)作為一種新興的技術(shù)潮流，其技術(shù)并不“新”，物聯(lián)網(wǎng)應用關(guān)鍵技術(shù)為傳感器技術(shù)、RFID標簽、嵌入式系統(tǒng)技術(shù)，都是已得到廣泛應用的技術(shù)。其中，傳感器技

9、術(shù)是一種計算機應用中的關(guān)鍵技術(shù)，將傳輸線路中的模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)榭商幚淼臄?shù)字信號，交于計算機進行處理。將物聯(lián)網(wǎng)比作人的話，傳感器便相當于人的眼睛、鼻子、皮膚等感官。RFID，全稱為Radio Frequency Identification，即射頻識別技術(shù)，是一種將無線射頻技術(shù)與嵌入式技術(shù)融為一體的綜合技術(shù)，在不久的將來將廣泛應用于自動識別、物品物流管理方面。嵌入式系統(tǒng)技術(shù)是一種將計算機軟件、計算機硬件、傳感器技術(shù)、集成電路技術(shù)、電子應用技術(shù)集成于一體的復雜技術(shù)?，F(xiàn)已得到廣泛的應用，如MP3、電腦、衛(wèi)星系統(tǒng)等。將物聯(lián)網(wǎng)比作人的話，嵌入式系統(tǒng)便相當于人的大腦，支配著人的一切活動。具有工業(yè)控制、交通管

10、理、信息家電、家庭智能管理、POS網(wǎng)絡、環(huán)境工程等非常廣闊的應用前景。本次設(shè)計的火車車速監(jiān)控系統(tǒng)是基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來實現(xiàn)的。用到了Matlab技術(shù)來測出通過兩次讀卡記錄火車經(jīng)過的時間，計算車速。當火車的車速達到火車運輸線的上限時，通過控制中心來實現(xiàn)測速上限的報警功能。本次系統(tǒng)的組成設(shè)計利用2.4GHz讀卡模塊來設(shè)計系統(tǒng)，無線數(shù)據(jù)通信部分基于ZigBee來完成，讀卡終端采用了CC2530核心板。1.3方案的提出目前來說，隨著無線技術(shù)的飛速發(fā)展，無線通信技術(shù)在各個行業(yè)得到了廣泛應用。但是，目前我國的一些火車控制系統(tǒng)還處于人工管理的狀態(tài)，各種火車車速監(jiān)控設(shè)施也略顯老舊，跟不上現(xiàn)代化鐵路發(fā)展的腳步。這種

11、狀況也造成了火車運輸行業(yè)的運輸成本和維護花銷成本加大，也不便利于我們的運輸業(yè)智能化的發(fā)展。為此，提出一種更新型、智能化、操作便利的火車車速控制系統(tǒng)方案，就是我們現(xiàn)階段必行的一段路程。通過智能的現(xiàn)代通信技術(shù)來測量車速，根據(jù)各個鐵路運輸線的運輸要求來判斷否需要加速、減速或勻速運行火車。如果信號檢測到的信息顯示車速過快，那么就通過我們的火車車速控制系統(tǒng)來對火車進行減速；如果通過現(xiàn)代無線技術(shù)測試的火車車速慢于線性車線的最低要求時，通過火車控制系統(tǒng)對火車進行加速；如果火車運行正常，這不對火車控制系統(tǒng)進行操作?；疖囓囁贆z測系統(tǒng)通過無線通信技術(shù)來傳遞火車通過兩次記錄火車車速讀卡器的時間計算車速。通過無線傳輸

12、技術(shù)將火車經(jīng)過兩個讀卡器的時間的狀況反饋到管理中心，實現(xiàn)火車車速的遠程監(jiān)控，有效便利與我們對火車車速測量。近年來，國家大力提倡節(jié)能減耗，而傳統(tǒng)的火車車速測量控制方式多數(shù)是人力、機械顯示車速的狀態(tài)。其測試需要大量的人力和財力，同時對于火車車速是否正常也只能通過人工方式進行檢查，這些對火車車速的監(jiān)測極容易造成人力疲勞從而造成較大的事故。他們的管理極為不便。也容易造成將人力資源損耗在一些無關(guān)緊要的事情上。但是，同時火車車速檢測也不同于小型運輸工具，需要對其進行大量的投資，所以需要對其監(jiān)測系統(tǒng)進行詳細的規(guī)劃，以免給國家造成不必要的浪費。本文給出一種基于無線技術(shù)的火車車速監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計方案，實現(xiàn)火車的自動

13、監(jiān)控，對我國整個火車運輸系統(tǒng)進行管理、維護，使之大大的便利與我們的生活。同時降低對人力、財力的損耗?；疖囓囁俦O(jiān)控系統(tǒng)的控制器通過各個閱讀模塊時檢測火車經(jīng)過此次模塊的時間，通過濾波算法判斷是否屬于規(guī)定范圍內(nèi)運行火車，然后決定火車車速狀態(tài)的切換；同時，各控制器通過算法自動識別各自監(jiān)控的火車運行的工作狀態(tài)，判斷其是否正常，通過控制器的無線傳輸功能將火車的運行的狀況反饋到管理中心，管理中心也可將相應指令傳送到指定位置的火車，進行相關(guān)控制，實現(xiàn)管理中心遠程、實時監(jiān)測火車并及時進行火車的維修或控制。19第2章 需求分析2.1系統(tǒng)的設(shè)計分析在需求分析階段，我采用了分模塊法對系統(tǒng)整體進行需求分析。分模塊法是通

14、過將系統(tǒng)模塊化劃分，并最后對各個模塊將系統(tǒng)進行整合快速，建立起來的可以在計算機上運行的程序，它所能完成的功能往往是最終產(chǎn)品能完成的功能的一個子集。先對系統(tǒng)設(shè)計的目的進行分析，搜集我們設(shè)計系統(tǒng)所需的資料對我們設(shè)計的系統(tǒng)進行詳細的了解，了解我們設(shè)計系統(tǒng)軟件是為了達到什么樣的目的，我們要將設(shè)計的系統(tǒng)做成什么樣以及做到什么程度，我們設(shè)計的系統(tǒng)能夠解決用戶的什么問題以及判斷能否滿足客戶的要求。完成系統(tǒng)設(shè)計的目的分析后，我們應該詳細地對設(shè)計的系統(tǒng)制定完成仔細的開發(fā)計劃。根據(jù)我們服務的用戶需求及不確定的高風險部分進行詳細的原型規(guī)劃和開發(fā)，在我們的項目開發(fā)小組內(nèi)部進行原型評價，對設(shè)計的系統(tǒng)性能及所需的要求進行

15、完整的分析，以及判斷我們現(xiàn)如今的科技狀況能否達到此項目的要求。最后，作為項目的開發(fā)方，在完成對項目的整體分析后，整合成完整的開發(fā)方案，我們還應該做的是請客戶進行原型評價，以保證確實反映了用戶的真正想法，請他們判斷我們所設(shè)計的系統(tǒng)是否達到他們要求以及還有沒有必要添加新的想法。完成項目規(guī)劃之后，我們將對系統(tǒng)進行系統(tǒng)設(shè)計的步驟。通過我們對Matlab技術(shù)的學習和掌握以及對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的無線傳感器技術(shù)的學習，對當前的軟件開發(fā)過程常常彩迭代方式進行開發(fā)，逐步求精，以降低風險和成本。在開發(fā)過程當中，我們應秉承寧缺毋濫的設(shè)計思想，為我們的客戶盡到應有的責任，絕不弄虛作假來欺騙客戶。設(shè)計的程序利用迭代的次數(shù)，

16、每次迭代的里程碑，要實現(xiàn)的目標，及可提交的成果必須有可驗證的清晰的計劃。在我們的設(shè)計過程當中，我們的客戶有可能會對設(shè)計的需求進行變更，我們應該詳細并細心地對它們的要求進行分析，以及對成本和我們的造價進行詳細的說明。需求變更是正常的，也是難免的，允許用戶和開發(fā)者自身對需求進行變更，并隨時準備為項目功能的進行添加。完成客戶的要求是我們軟件開發(fā)人員的工作目標，我們在完成系統(tǒng)的設(shè)計過程當中，應做到隨時學習，掌握更加先進的科學技術(shù)，對我們的系統(tǒng)開發(fā)生涯是必行的一段旅程。通過我們將系統(tǒng)的各個功能進行分析劃分，我們可以將設(shè)計的系統(tǒng)大致分為三個模塊：即火車運行期間火車上的閱讀器讀取鐵路沿線上分布的閱讀卡從而可

17、以得到火車經(jīng)過該閱讀卡的時間、利用無線通信技術(shù)傳遞給系統(tǒng)的中央控制器進行速度的計算，以及根據(jù)現(xiàn)行的火車運行狀態(tài)和各個火車運行線路要求對火車的運行情況進行報警和控制已完成系統(tǒng)的工作。2.2 系統(tǒng)組成在我們設(shè)計的火車車速監(jiān)控系統(tǒng)當中，我們將系統(tǒng)控制設(shè)計劃分成了四個組成部分：火車運行期間安裝在火車上的閱讀器件在火車經(jīng)過在火車線路上分布的閱讀卡時讀取時間過程，即信息的讀取部分。利用ZigBee無線網(wǎng)絡協(xié)議，將閱讀部分讀取的信息通過無線傳感器將收集到的數(shù)據(jù)信息傳遞給中央數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，并建成一個信息傳遞及接受控制電路，并設(shè)計連接物理電路（電路中利用了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)當中的傳感器技術(shù)、信息感應技術(shù)等）。火車車速監(jiān)

18、控系統(tǒng)將處理后的信息依據(jù)各個火車運行線路的狀況要求對火車現(xiàn)行的狀況的進行判斷，并傳遞給火車控制平臺，進行警告的作用。利用Matlab技術(shù)生成一個簡單的控制系統(tǒng)運行等的頁面（為我們遠方控制系統(tǒng)以及了解系統(tǒng)的運行情況的頁面）。2.3 系統(tǒng)網(wǎng)絡連接系統(tǒng)部署重點在于怎樣使物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對物理電路方面的設(shè)計與Matlab頁面顯示與控制的相結(jié)合使用，怎樣才能讓硬件放面和軟件方面相結(jié)合在一起更好的使用。本系統(tǒng)是利用遠程控制與傳感地讀取控制相結(jié)合的方法對火車車速進行監(jiān)控，使之便利對火車運行狀態(tài)的判斷，節(jié)省對老式的火車車速監(jiān)控系統(tǒng)對人力資源的浪費。給與我們的日常生活當中便利，節(jié)省了對鐵路建設(shè)期間的自然資源。那么，本

19、次設(shè)計的連接就包含了對無線傳感器的利用，以及對收集到的信息的判斷與調(diào)控。本次設(shè)計的思想也是對火車車速監(jiān)控系統(tǒng)進行改造，使之更便利于我們?nèi)粘５纳?。如下，圖2.1顯示了現(xiàn)代化火車車速監(jiān)控系統(tǒng)圖片，這張圖片完整的顯示了現(xiàn)代高科技技術(shù)在火車控制上的應用情況。圖2.1 火車車速監(jiān)控總圖2.4 系統(tǒng)器件分析1. 2.4GHz卡模塊 2.4GHz無線技術(shù)的傳輸距離可以達到10米，這就比27MHZ無線技術(shù)占有很大優(yōu)勢。所的2.4GHz所指的是一個工作頻段，2.4GHz ISM（Industry Science Medicine）是全世界公開用使用的無線頻段，藍牙技術(shù)即工作在這一

20、頻段，在2.4GHz頻段下工作可以獲得更大的使用范圍和更強的抗干擾能力。隨著產(chǎn)品向高端化發(fā)展，越來越多的2.4GHz無線游戲外設(shè)開始在市場里銷售。為了實現(xiàn)工業(yè)、家庭和樓宇的自動化控制，將人類從有線的環(huán)境中解放出來以取代線纜為目標，用于無線個人區(qū)域網(wǎng)（WPAN，Wireless Personal Area Network）范圍的短距離無線通信技術(shù)標準得到了迅速的發(fā)展，典型技術(shù)標準有藍牙（Bluetooth）、ZigBee、無線USB（WirelessUSB）、無線局域網(wǎng)Wi-Fi（IEEE 802.11b/g）等。在人們享受方便快捷的時候，這些技術(shù)的電磁兼

21、容問題日益凸現(xiàn)。由于這些技術(shù)均選擇了2.4GHz（2.42.483GHz）ISM 頻段，再加上無繩電話和微波爐等干擾源，就使得該頻段日益擁擠。 2.4GHz 頻段日益受到重視，原因主要有三: 首先它是一個全球性的頻段，開發(fā)的產(chǎn)品具有全球通用性；其次，它整體的頻寬勝于其他ISM 頻段，這就提高了整體數(shù)據(jù)傳輸速率,允許系統(tǒng)共存; 第三就是尺寸，2.4GHz無線電和天線的體積相當小，產(chǎn)品體積也更小。雖然每一種技術(shù)標準都進行了必要的設(shè)計來減小干擾的影響，但是為了能讓各種設(shè)備正常運行對他們之間的干擾、共存分析顯然是非常重要的。如下圖圖2.2 為

22、本次實驗用到的2.4GHz讀卡模塊的圖片圖2.2 2.4GHz讀卡模塊2. CC2530模塊CC2530 是用于IEEE 802.15.4、ZigBee 和RF4CE 應用的一個真正的片上系統(tǒng)（SoC）解決方案。它能夠以非常低的總的材料成本建立強大的網(wǎng)絡節(jié)點。CC2530 結(jié)合了領(lǐng)先的RF 收發(fā)器的優(yōu)良性能，業(yè)界標準的增強型8051 CPU，系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，8-KB RAM 和許多其他強大的功能。CC2530 有四種不同的閃存版本：CC2530F32/64/128/256，分別具有32/64/128/256KB 的閃存。CC2530 具有不同的運行模式，使得它尤其適應超低功耗要求的系統(tǒng)。運行

23、模式之間的轉(zhuǎn)換時間短進一步確保了低能源消耗。CC2530F256 結(jié)合了德州儀器的業(yè)界領(lǐng)先的黃金單元ZigBee 協(xié)議棧（Z-Stack），提供了一個強大和完整的ZigBee 解決方案。如下圖圖2.3所示為CC2530模塊器件圖2.3 CC2530模塊第3章ZigBee技術(shù)3.1ZigBee技術(shù)ZigBee技術(shù)是一種近距離、低復雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊技術(shù)。主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間進行數(shù)據(jù)傳輸以及典型的有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應時間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?。Zigbee作為新一代無線通訊技術(shù)的命名。在此之前ZigBee也被稱為“HomeRF Lite

24、”、“RF- EasyLink”或“fireFly”無線電技術(shù)，統(tǒng)稱為ZigBee。簡單的說，ZigBee是一種高可靠的無線數(shù)傳網(wǎng)絡，類似于CDMA和GSM網(wǎng)絡。ZigBee數(shù)傳模塊類似于移動網(wǎng)絡基站。通訊距離從標準的75m到幾百米、幾公里，并且支持無限擴展。3.2 ZigBee技術(shù)特點ZigBee是一種無線連接，可工作在2.4GHz(全球流行)、868MHz(歐洲流行)和915 MHz(美國流行)3個頻段上,分別具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的傳輸速率，它的傳輸距離在10-75m的范圍內(nèi),但可以繼續(xù)增加。作為一種無線通信技術(shù)，ZigBee具有如下特點：(1)

25、低功耗：由于ZigBee的傳輸速率低,發(fā)射功率僅為1mW,而且采用了休眠模式，功耗低,因此ZigBee設(shè)備非常省電。據(jù)估算，ZigBee設(shè)備僅靠兩節(jié)5號電池就可以維持長達6個月到2年左右的使用時間,這是其它無線設(shè)備望塵莫及的。(2) 成本低Zig：Bee模塊的初始成本在6美元左右，估計很快就能降到1.52.5美元, 并且ZigBee協(xié)議是免專利費的。低成本對于ZigBee也是一個關(guān)鍵的因素。(3) 時延短：通信時延和從休眠狀態(tài)激活的時延都非常短，典型的搜索設(shè)備時延30ms,休眠激活的時延是15ms, 活動設(shè)備信道接入的時延為15ms。因此ZigBee技術(shù)適用于對時延要求苛刻的無線控制(如工業(yè)控

26、制場合等)應用。(4) 網(wǎng)絡容量大：一個星型結(jié)構(gòu)的Zigbee網(wǎng)絡最多可以容納254個從設(shè)備和一個主設(shè)備，一個區(qū)域內(nèi)可以同時存在最多100個ZigBee網(wǎng)絡, 而且網(wǎng)絡組成靈活。(5) 可靠：采取了碰撞避免策略，同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務預留了專用時隙,避開了發(fā)送數(shù)據(jù)的競爭和沖突。MAC層采用了完全確認的數(shù)據(jù)傳輸模式， 每個發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認信息。如果傳輸過程中出現(xiàn)問題可以進行重發(fā)。(6) 安全：ZigBee提供了基于循環(huán)冗余校驗(CRC)的數(shù)據(jù)包完整性檢查功能,支持鑒權(quán)和認證， 采用了AES-128的加密算法,各個應用可以靈活確定其安全屬性。3.3 ZigBee的應用我Zi

27、gBee 模塊是一種物聯(lián)網(wǎng)無線數(shù)據(jù)終端，利用ZigBee網(wǎng)絡為用戶提供無線數(shù)據(jù)傳輸功能。該產(chǎn)品采用高性能的工業(yè)級ZigBee方案，提供SMT與DIP接口，可直接連接TTL接口設(shè)備，實現(xiàn)數(shù)據(jù)透明傳輸功能；低功耗設(shè)計，最低功耗小于1mA；提供6路I/O，可實現(xiàn)數(shù)字量輸入輸出、脈沖輸出；其中有3路I/O還可實現(xiàn)模擬量采集、脈沖計數(shù)等功能。該產(chǎn)品已廣泛應用于物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈中的M2M行業(yè)，如智能電網(wǎng)、智能交通、智能家居、金融、移動POS終端、供應鏈自動化、工業(yè)自動化、智能建筑、消防、公共安全、環(huán)境保護、氣象、數(shù)字化醫(yī)療、遙感勘測、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、水務、煤礦、石化等領(lǐng)域。如下圖圖3.1所示為ZigBe

28、e 組網(wǎng)模式：圖3.1 Zigbee組網(wǎng)模式圖3.4 標準限定IEEE組織早在2003年就開始制定IEEE802.15.4標準并發(fā)布，2006年進行標準更新，最新針對智能電網(wǎng)應用制定了IEEE802.15.4g標準，針對工業(yè)控制應用制定了IEEE802.15.4e標準。IEEE802.15.4系列標準屬于物理層和MAC層標準，由于IEEE組織在無線領(lǐng)域的影響力，以及TI、ST、Ember、Freescale、NXP等著名芯片廠商的推動，該標準已經(jīng)成為無線傳感器網(wǎng)絡領(lǐng)域的事實標準，符合該標準的芯片已經(jīng)在各個行業(yè)得到廣泛應用。ZigBee聯(lián)盟對ZigBee標準的制定:IEEE802.15

29、.4的物理層、MAC層及數(shù)據(jù)鏈路層，標準已在2003年5月發(fā)布。ZigBee網(wǎng)絡層、加密層及應用描述層的制定也取得了較大的進展。V1.0版本已經(jīng)發(fā)布。其他應用領(lǐng)域及其相關(guān)的設(shè)備描述也會陸續(xù)發(fā)布。由于ZigBee不僅只是802.15.4的代名詞，而且IEEE僅處理低級MAC層和物理層協(xié)議，因此ZigBee聯(lián)盟對其網(wǎng)絡層協(xié)議和API進行了標準化。完全協(xié)議用于一次可直接連接到一個設(shè)備的基本節(jié)點的4K字節(jié)或者作為Hub或路由器的協(xié)調(diào)器的32K字節(jié)。每個協(xié)調(diào)器可連接多達255個節(jié)點，而幾個協(xié)調(diào)器則可形成一個網(wǎng)絡，對路由傳輸?shù)臄?shù)目則沒有限制。ZigBee聯(lián)盟還開發(fā)了安全層，以保證這種便攜設(shè)備不會意外泄漏其

30、標識，而且這種利用網(wǎng)絡的遠距離傳輸不會被其它節(jié)點獲得。2001年8月，ZigBee Alliance成立。2004年,ZigBee V1.0誕生。它是zigbee的第一個規(guī)范.但由于推出倉促，存在一些錯誤。2006年，推出ZigBee 2006，比較完善;2007年底，ZigBee PRO推出;2009年3月，zigbee RF4CE推出，具備更強的靈活性和遠程控制能力;2009年開始，zigbee采用了IETF的IPv6 6Lowpan標準作為新一代智能電網(wǎng)Smart Energy(SEP 2.0)的標準，致力于形成全球統(tǒng)一的易于與互聯(lián)網(wǎng)集成的網(wǎng)絡，實現(xiàn)端到端的網(wǎng)絡通信。隨著美國及全球智能電

31、網(wǎng)的大規(guī)模建設(shè)和應用，物聯(lián)網(wǎng)感知層技術(shù)標準將逐漸由zigbee技術(shù)向IPv6 6Lowpan標準過渡。第4章 系統(tǒng)詳細設(shè)計與編碼4.1系統(tǒng)設(shè)計模塊軟件采用模塊化設(shè)計思想，以主程序為核心設(shè)置了多個功能模塊子程序，使大量的功能在子程序中實現(xiàn)，簡化了設(shè)計結(jié)構(gòu)。運行過程中通過主程序調(diào)用各功能模塊子程序。該系統(tǒng)有二個功能模塊：信息的獲取，并且顯示給我們實現(xiàn)相應信號通過無線傳感器件傳遞；信號信息處理模塊，實現(xiàn)對信號的處理；信號輸出模塊，實現(xiàn)處理結(jié)果的編碼輸出，再通過顯示頁面來顯示系統(tǒng)所收集到的有關(guān)所測出的火車車速運輸狀態(tài)的狀態(tài)圖，達到報警提示火車車速的目的。硬件信號傳遞分為兩部分信號，即通過利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

32、中的RFID技術(shù)的閱讀器讀取閱讀卡片信息，從而得到火車經(jīng)過閱讀卡的時間，在利用相同的方法測出火車經(jīng)過下一個閱讀器卡片的時間，并通過無線傳輸技術(shù)將所得信息傳遞給中央處理模塊進行處理，后再傳遞給火車上的顯示頁面進行報警處理。系統(tǒng)信息傳遞的流程圖如圖4.1所示圖4.1 系統(tǒng)的信息走向載我們的日常生活當中也有一些方面已經(jīng)用到了物聯(lián)網(wǎng)類的智能系統(tǒng)控制，當然我們應該通過不斷的努力來增長我們在智能控制方面的知識，來充實我們的生活。那么就讓我們通過下面的一個物聯(lián)網(wǎng)智能控制連接設(shè)備來了解一下他，希望能夠給我們帶來一些進步。通過對本次設(shè)計的火車車速監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計，讓我們來畫一下其網(wǎng)絡的擴譜圖像。如下圖圖4.2所示

33、，為物聯(lián)網(wǎng)智能系統(tǒng)實際設(shè)計圖圖4.2 系統(tǒng)設(shè)計圖4.2程序代碼1.主機程序如下代碼為在系統(tǒng)中設(shè)計的基于2.4GHz讀卡模塊的火車車速監(jiān)控系統(tǒng)的源代碼，通過代碼進行控制及生成控制設(shè)備的頁面，極大地加強了我們在火車對車速的監(jiān)控能力，也大大地方便了我們的生活。如下代碼為引入的功能等的包。#include <reg52.h> #include <math.h> #include <VIIC_C51.H> #include <zlg7290.H> #include &

34、lt;SD12864.H> 以下的兩段代碼定義了兩個在整個過程當中都能夠用到的方法，通過這兩個方法，我們能夠更加方便設(shè)計代碼思路。#define uchar unsigned char #define uint unsigned int void msec(uint x); uchar rec_es(void); void sent_es(uchar schar); 如下兩段代碼所示，兩段代碼分別代表了這兩段代碼是控制鍵

35、盤中斷和報警控制的，我們能夠通過這兩段代碼對系統(tǒng)進行鍵盤中斷和報警。sbit  KEY_INT = P33; /鍵盤中斷sbit  WAPA= P34; /報警控制如下面的代碼所示，他們分別定義了各自的意義。通過這幾個定義可以了解到key_buf是有關(guān)寄存器的器件變量，并且屬性是為data類型的，并了解到了在這個程序代碼當中，房間號、當前使用的是、和光線等級的分別所代表的變量表示方法。并在下面程序使用中更加方便。uchar data key_buf; /定義鍵值寄存器uchar ida

36、ta room_disbuf16="火車編號:000 " uchar idata JSRS_disbuf16="當前使用:000 " uchar idata GXDJ_disbuf16="車速階段:0 " uchar idata time_disbuf16="00:00:00 " uchar idata KDSJ_disbuf16="00

37、:00" uchar idata GDSJ_disbuf16="00:00" uchar data ZMKG; uchar data room_buf3; uchar data cou1,cou2; long int data com1,com2,com3,com4;  在下面的代碼中我們可以知道在本次系統(tǒng)當中通過ZMK_disbuf16來表示車速的“速度”狀態(tài)，以及通過代碼uchar&

38、#160;code ZMG_disbuf16="速度: 過快"來代表在系統(tǒng)使用過程中代表系統(tǒng)中開關(guān)的“過快”狀態(tài)。bit bdata flag1,flag2; uchar code ZMK_disbuf16="車速: 快" uchar code ZMG_disbuf16="車速: 慢" 在本次系統(tǒng)代碼當中，如下代碼是整個代碼編寫的核心，通過main()方法來達到對整個程序的控制與顯示。如下代碼運行完成后可以

39、生成代碼的登錄頁面，并且在頁面當中，我們可以看到有以下定義。在本次的源代碼當中我們可以看到系統(tǒng)設(shè)計的登錄及性能選擇頁面，我們可以看到本次試驗的開機延時，屬性有上電液晶屏禁令的信息，了解開定時器都有沒有中斷，設(shè)置T1的方式；以及根據(jù)個人情況的不同選擇的波特率。一般來說我使用的波特率為9600b/s；通過設(shè)置串口的位方式，也在又是可能通過設(shè)備將本次實驗當中的波特率加倍使用。main()  msec(1000); /開機延時 /EN=0;/上電液晶屏禁能 EA=1;/開所有中斷 ET0=1;/開定時器0 TMOD=0x21;/設(shè)置T1為方式2 TH1=0Xfa;/設(shè)置波

40、特率為9600b/s  TL1=0Xfa; TH0=0x3c;  TL0=0xb0;  SCON=0xd0;/設(shè)置串口位方式3  PCON=0X80;/波特率加倍 RI=0;  TI=0;  cou2=0;  flag2=0; /=開機動態(tài)提示=  SD_Ini(); /SD初始化 WARN=0; /系統(tǒng)啟動提示 msec(200);  WARN=1;  EX1=1;/開外部中斷1   TR0=1;  TR1=1;/定時器1開始計數(shù)/=

41、 如下圖4.3所示為本次設(shè)計生成的基本的Matlab GUI生成圖片界面，我們可以通過添加項目于屬性項，與代碼相結(jié)合的方法來實現(xiàn)我們所設(shè)計的軟件程序，并且有效地Matlab學習。/=SD初始化及開機提示=  SD_Wrhz(0, "車速檢測系統(tǒng)"); /系統(tǒng)加載完畢界 SD_Wrhz(16," 數(shù)據(jù)");  SD_Wrhz(8, "卡號");  SD_Wrhz(24," 開始");  KEY_INT=1; 

42、 while(KEY_INT);  key_buf=0;  while(1)  SD_Wrchar(0, "車速檢測系統(tǒng)"); /顯示主菜單 SD_Wrchar(16,"數(shù)據(jù)"); SD_Wrchar(8, "卡號");  SD_Wrchar(24,"開始");  msec(10);  if(flag2)  sent_es(5);  msec(10);  sent_es(time_disbuf0)

43、;  msec(2);   sent_es(time_disbuf1);  msec(2);  如圖4.3所示為通過軟件Matlab設(shè)計的Matlab GUI界面，所示的標簽以及屬性并與操作代碼相結(jié)合的方法，就可以實現(xiàn)我們所設(shè)計的程序運行得出以下結(jié)果圖。圖4.3 系統(tǒng)運行結(jié)果第5章 系統(tǒng)的維護火車車速檢測系統(tǒng)的維護就是在我們設(shè)計的火車車速檢測系統(tǒng)使用之后需要進行的對軟件的修改和對硬件設(shè)施的定期檢查維護以及更換，但是在對火車車速監(jiān)控系統(tǒng)進行維護之前我們必須對其的原理和信息傳遞方法進行理解分析，以及對其運行情況進行定期檢測，在我們對火車車速監(jiān)控系統(tǒng)修改完成后，也一定要進行必要的測試來保證我們所做的修改以及維護能夠正常運行。在我們正常的情況下，網(wǎng)站可維護性的因素主要分為以下幾個部分：第一是可理解性。軟件的可理解性可以變現(xiàn)為外來用戶理解軟件的結(jié)構(gòu)和接口以及功能和內(nèi)部過程的難易程度從而使我們能夠更容易的對其進行連接和升級；然后是可測試性，我們通常通過診斷和測試的難易程度是由軟件的容易理解程度來確定的。好的文檔形式對診斷和測試來說是至關(guān)重要的。此外，軟件的結(jié)構(gòu)和可用的測試工具和調(diào)試工具，以及以前設(shè)計的測試過程也都非常重要