（电力系统及其自动化专业论文）基于zigbee的铁路集装箱结点站调度自动化系统设计.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第| i 页 a b s t r a c t d u r i n gt h e ”1 0 t hf i v e - y e a rp 1 a n ”p e r i o d ，c h j n a sr a j l c o n t a i n e r t r a s p o t ts y s t e mf o c u s e do ns t r e n g t h e n i n gt h ec o n t a i n e rt e r m i n a l si n g u a n g z h o u ，s h a n g h a i ，c h e n g d ua do t h e r1 2c i t i e s w j t ha d v a n c e d l e v e l s i nt h el a t e s tp u b l i s h e d ”1 1 t hf i v e - y e a rp l a n ”，t h em i n i s t r yo f r a n w a y sw i l la l s oc o n t i n u et op f o m o t et h ec o n t a i n e rt e r m i n a ll o g i s t i c s c e n t e rb u i l d i n g t h e r e f o r e ，i ti sv e r yn e c e s s a r yt oc o n s t r u c tm o d e r n r a i l w a yc o n t a i n c rt e r m i n a l sf o rh i g h l ye f f i c i e n c ya n dt h es h a r eo ft h e r e s o u r c e s h o w e v e i ，t h ec u r r e n tb u i l d i n g si nt h et a i l w a yc o n t a i n e rt e r m i n a l s r e m a i n r e l a t i v e l y b a c k w a r d i nt h e r a i l w a yc o n t a i n e r st e r m i a l s ， b e c a u s eo ft h ec o n s t a n tm o v e m e n to ft h ec o n t a i n e rt r u c k sa n dl o a d i n 卫 f a c i l i t i e sa sw e na sv a r i o u sm e c h a n i c a lw i r i n gr e s t r i c t i o n s ，m o s t l yw e u s ew i r e l e s s p h o n e s 0 r s e n d i n g a m e s s a g e t oc o m m u n i c a t e t h e c o m m u i c a t i o n s q u a l i t y a n dt h ec o m m u n i c a t i o n s e c u r i t y a r en o t g u a r a n t e e d t h e8 0 2 1 5 4w o r k i n gg r o u pd e f i n e dt h ez i g b e ew i r e l e s s c o n n e c t i v i t yt e c h 0 1 0 9 y ，a n dt h i st e c h n o l o g yh a sv e r y1 0 wc o m p l e x i t y ， 1 0 w - c o s t ，l o wc o n s u m p t i o na n dl o wr a t e sa dc a b ee m b e d d e di na v a r i e t yo fe q u i p m e n t s i ti sa p p r o p r i a t et 0b e u s e di nt h ei n d u s t r i a l c o n t r o la r e a f i r s t ，t h ec u r r e n tc o m m u n i c a t i o np r o b l e m so ft h er a i l w a yc o n t a i n e r t e r m i n a l s a u t o m a t i o ns y s t e ma r ea n a l y z e di nt h i sp a p e r ，c o m b i n j n g w i t ht h ec h a r a c t e r so ft h er a i l w a yc o n t a i n e ft e r m i n a l s ，a n dt h ez i g b e e t e c h n o l o g yi ss e l e c t e dt 0r e a l i z et h ec o m m u n i c a t i o n0 ft h ew i r e l e s se d d e v i c e sa n dt h ec o n t r o lc e n t e ri nt h er a i l w a vc o n t a i n e rt e r m i n a l s t h r o u g h t h e a a l y s i s a n dt h e c o m p a r eo f a v a r i e t y o fw i r e l e s s c o n e c t i v i t yt e c h n 0 1 0 9 i e s ， a n dt h ez i g b e em e s hn e t w o r kj sf o r m e d e a c h p a r t s f u n c t i o ni s a n a l y z e d ， a n dt h e nt h e r a i l w a yc o n t a i n e r t e r m i n a l s f u n c t i o n sa r er e n e w a b l yd e s i g n e dc o m b i n i n gw i t ht h ez i g b e e t e c h n o l o g ys u c ha st h ee n dd e v i c e s ，t h ee n t r a n c ed o o ra n dt h ec o n t r o l c e n t e r i no r d e rt oj m p r o v et h e e f f i c i e n c yo ft h ec o t a i e rt r u c k sa n d d i s p o s et h el o a d i n gt a s k st ot h en e a r e s tc o n t a i n e rt r u c k s ， c o n t a i n e r 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 il 页 t r u c k s p o s l t l o nc a nb e1 0 c a t l o ne s t l m a t e d s e v e r a ld l f f e r e n tw l r e l e s s p o s i t i o ne s t i m a t i o nm e t h o d sa r ec o m p a r e d ， a n dt h ew a yo fc o m p a r i n g t h em a g n e t i cf i e l di n t e n s i t yi ss e l e c t e da c c o r d i n gt ot h eh e e d so ft h e r a i l w a yc o n t a i n e rt e i m i n a l s c o n t a i e rt r u c k sc a nb el o c a t i o ne s t i m a t e d i nt h e r e g i o n a l r o a do ft h e r a i l w a y c o n t a i e rt e r m i n a l st h r o u g h a m e n d m e tt h ee r r o rb yt h er o a dm a pa n ds e t t i n gt h er ff i e l d s b a s e d o nt h eu s er e q u i r e m e n t sa n dt h ec h a r a c t e r so ft h ez i g b e et e c h n o l o g y ， t h ew i r e l e s sn e t w o r kl a y o u ti sd e s i g n e d t h ed a t as t r e a mo ft h ee n t i r e w i r e l e s sn e t w o r ki sc a l c u l a t e df o rt h ef e a s i b i l i t vo fr a i l w a vc o n t a i n e r t e r m i n a l s w i r e l e s sn e t w o r ks t a b l yw o r k i n g f i n a l l y ，p i c l8 l f 4 6 2 0o f t h em i c r o c h i pc o m p a n yi sc h o s e nt 0t h ev e h i c l es y s t e mt o d e s i g nt h e h a r d w a r ec i r c u i td i a g r a m ，a n dt h ea p p l i c a t i o na sw e l la st h ei n t e r f a c e p r o g r a mi sd e s i g n e d k e yw o r d s ：r a i l w a yc o t a i n e rt e r m i n a l ；r f i d ；z i g b e e ；w i r e l e s sd e v i c e p o s i t i o nl o c a t i o ne s t i m a t i o n 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 铁路集装箱运输概述 集装箱是一种装载货物的特定容器，将集装箱装在铁路车辆上进行 货物运送，并通过一种或几种交通工具方便的实现多种运输方式联运， 便于对货主实现门到门的运输服务，因此集装箱运输是一种先进的运输 方式。集装箱运输已经成为当今世界国与国、地区与地区之间物资贸易 与运输的主流。最近二十年以来，集装箱运输以惊人的速度发展，在全 球范围内，集装箱货运量每年以5 0 的比率增长，并且已形成世界范围 的集装箱运输标准化、专门化和通用化的发展趋势。 我国集装箱运输起步较晚，但发展相当快，现已初具规模。随着对 外、对内贸易的迅速增长，集装箱运输显现出良好的发展势头。我国1 9 9 8 年年平均运量已经达到2 6 4 3 万吨。集装箱储、运产业为我国经济发展战 略目标的实现发挥了巨大作用。铁路运输具有大容量、低开销、低能耗、 适合长距离货物运输等特点，铁路集装箱运输将有广阔的发展前景。 1 2 铁路集装箱结点站概述 1 2 1 集装箱结点站的性质和功能 集装箱结点站是专业办理集装箱班列、枢纽集装箱小运转列车到发 和办理集装箱承运、发送、装卸、中转、保管、到达交付等货运作业的 货运站，是全路集装箱运输网络的重要组成部分，是集装箱运输的基础。 绝大部分集装箱在装车和卸车后，均需要在铁路集装箱站场堆存一段时 间，集装箱堆场的作用就是暂时存放这些集装箱的。集装箱在堆场上的 场箱位号是由场位、行号、列号、层号等数字进行标识。集装箱堆场又 可以分为前方堆场和后方堆场。前方堆场又称为“集装箱编组场”、 “调度场”、“调配场”。它位于火车道前沿和后方堆场之间，是加快 火车装卸效率，用以堆放集装箱的场地。它的主要作用是：火车到站前， 预先堆放要装车运走的集装箱；卸车时，临时堆存需要进站转运或交付 的集装箱。后方堆场又称为集装箱堆场，是指存储和保管空、重箱的场 地，包括重箱堆场，空箱堆场，危险品箱堆场，转运堆场等。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 总结铁路集装箱结点站主要功能为： l 、具有办理集装箱班列及枢纽集装箱小运转列车到发、装卸能力； 2 、具有很强的集装箱装卸储备能力和空箱调配能力： 3 、有功能齐全的集装箱检修、清洗设施： 4 、具有办理国际、国内集装箱多式联运，门到门服务功能的相关 设施； 5 、具有快捷信息处理、传输、对集装箱进行动态管理的功能； 6 、是本枢纽及周边地区集装箱运输的集散中心。 在集装箱结点站承担运输功能的几种装卸机械具体介绍见表1 1 。 表1 1 几种装卸设备 机械分类 名称 功能 装卸、堆码、短距离搬运、车辆的装卸 叉车 作业 垂直运输轮胎式龙门起重装卸、搬运、堆码作业 式 机 轨道式龙门起重装卸、搬运、堆码作业 机 牵引车和挂车拖带集装箱进行站场内或公路上运输 水平运输前方堆场与后方堆场之间的装卸和搬 式 集装箱跨运车 ( 集卡) 运；对底盘车进行换装；后方堆场与货 运站或用户之间的装卸和搬运。 1 2 2 建设现代化集装箱结点站的必要性 集装箱结点站是集装箱运输中的一个极为重要的中间环节，主要用 于集装箱的堆存、装箱、拆箱和待中转等。实现铁路集装箱结点站的综 合自动化，能对集装箱实时跟踪查询，避免人为错误，加快集装箱的周 转速度，减少箱停时间，更好的为货主服务”。 1 3 国内外铁路集装箱结点站调度自动化系统现状 1 3 1 国外铁路集装箱结点站自动化系统现状 经过几十年的发展，工业比较发达的美国、日本和欧洲各国的集 装箱物流业已经十分发达。9 0 年代初期，美国的许多企业都实现 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 i n t e r n e t 联网，特别是海运上的集装箱装卸码头企业实现了国际集装 箱海运单据电子交换( e d i ) ，实现了物流与数据流的计算机管理，大大 提高了生产效率。 在英国的许多铁路车站，特别是尽头站，为实现多式联运提供场 地、设各和运营环境等便利条件。集装箱中心站与城市物流中心相结 合，物流产业的发展促进了集装箱运输行业的发展，同时，企业也通 过在中心站设置物流基地进行商品配送，减少了中间环节、加快了流 通速度、降低了流通成本。 另外，美国于1 9 9 1 年及1 9 9 4 年先后制定和修订了美国铁道学会 设备自动识别标准，规定了美国铁路运输的自动电子识别设备的各 项技术要求。通过在铁路运输线以及集装箱站场采用电子识别，大大 提高了集装箱运输中数据处理的准确率和工作效率，降低了由于人为 原因造成的不必要的损耗。 9 0 年代末，俄罗斯开始研制自己的货车监督自动化系统j mcn apk 和运输自动化管理系统口hckoh ，并于2 0 0 0 年投入使用 ”“。据计算，皿mckoh 的应用能提高集装箱利用率，扩大运输量， 改善用户的服务质量，增加运输收入。 加拿大的车站管理系统o a s i s 能够提供实时、准确的报表，可以 方便准确的对货场进行管理，减轻员工的劳动强度。系统具有多方式 的处理手段( 如手持电脑、卡车内置电脑等) ，有高效的数据处理与运 算能力，能够为客户提供优质的技术支持，使系统完全符合业务需要， 同时还具有丰富的查询功能( 如对车、箱、位置、操作员工的查询等) 2 目】 1 3 2 国内铁路集装箱结点站自动化系统现状 国内铁路集装箱结点站建设落后，虽然铁路系统开展物流服务多 年，但真正的物流中心还没有完全形成，集装箱结点站多数是以人力资 源利用为主，自动化程度低、信息处理能力、交换能力差。大部分集装 箱结点站的铁路货物品名信息、到站时间等基础信息一直不能实现自动 采集，大部分仍采用人工抄录、电话通知等较落后手段。集装箱结点站 的硬件设施配置也比较差，铁路集装箱办理站装卸线有效长度不足，不 能办理整列到发业务；场地狭小，仓储能力、短途运输能力不配套，不 能满足集装箱运输发展和铁路参与现代化物流发展的需要；装卸机械设 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 备落后，装卸效率低下，不能适应集装箱运输发展标准化、专业化的要 求。 “十五”期间，我国铁路集装箱运输系统建设的重点是强化广州、 上海、北京、天津、成都、昆明、重庆、乌鲁木齐、兰州、哈尔滨、西 安、郑州、武汉、沈阳、青岛1 5 个集装箱结点站，建成具有先进水平的 特大型集装箱办理站“”。在铁道部最新出台的“十一五”规划中，将 继续提升铁路货物运输水平”“。 成都，作为西南地区的货物中转和到发中心，占有举足轻重的地位。 日前获悉，铁道部即将在成都投资7 亿元打造亚洲最大的“内陆港”。 铁道部将在成都东站现有的基础上进行扩容，将其建设为亚洲最大的铁 路集装箱结点站冲”。建成后的成都铁路集装箱结点站将成为成都乃至 西南地区的物流集散基地。成都也将加强与铁路部门合作，以铁路货运 五定班列开行的方式打通连接珠三角、长三角、环渤海地区的物流快速 通道。在最近的出台的成都市物流发展规划纲要规划中提出，争取 到2 0 l o 年，将成都建成西部地区重要的物流中心，物流业实现增加值5 0 0 亿元，对成都经济的贡献率达到1 5 以上。其中的成都国际集装箱物流 园区，依托成都铁路集装箱结点站，辐射西部、联结港口和国内主要城 市。规划面积3 7 0 0 亩，年处理能力为1 0 0 万吨标准集装箱。重点发展集 装箱运输、联运代理、集装箱物流、仓储配送，引进大型船公司、网络 化物流企业、物流地产商建立分拨中心和仓储配送中心“。 建设现代化的铁路集装箱结点站成为我国铁路运输系统迫切的需 求。但是目前由于计算机有线网的固有局限性，集装箱卡车的不断移动 性和场地以及各种装卸机械布线的限制，计算机终端不能延伸到生产现 场，使得生产数据不能及时反映在公司m i s 系统中，常常造成数据滞后 和生产中断现象。一个大型铁路集装箱结点站，拥有许多大型、移动、 作业同步和协调生产的机械设备，现场工作信息不能及时反馈到生产指 挥中心，中心指挥系统的生产计划指令也不能及时发布到生产现场。这 种信息通讯阻断现象严重影响了企业的生产效率。这种情况不仅给铁路 部门带来巨大的经济损失，也成为国内集装箱运输企业迎接w t o 入关的 发展瓶颈。所以，开发适应恶劣天气环境的计算机无线网络平台和适应 野外生产作业的计算机实对系统成为我国铁路集装箱结点站现代化发 展的迫切需要” 在一些较大的海运港口站，采用无线通讯进行集装箱站点调度管理 已经成为一种趋势，该方式能提高集装箱处理效率，减少因人为原因造 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 成的资料不准确的弊端，提高自动化管理水平，提高堆场和机械的利用 效率，充分发挥智能化规范化管理的优势。例如上海外高桥集装箱码头 的t p s 自动寻呼系统，天津港东突堤集装箱码头无线实时管理系统等 “。但是还是有一些问题存在，有些采用的是现有的无线基站，采用 短信方式与码头站点调度中心交换信息，在信息安全性，可靠性以及实 时性上都会有一些问题；有些采用的是无线高频电话，其天线的方向会 影响其通话质量；还有天津港的码头管理信息系统，采用的是8 0 2 1 1 b 技术”“，此种技术复杂且非常耗电，占用很多的计算和通信资源，同 时大大增加成本。因此，寻找一种合适的无线组网技术来组织集装箱结 点站各终端设备就成为集装箱结点站调度自动化系统最重要的问题之 一o 1 4 本论文的主要研究内容 本论文主要采用国际上近年提出的z i g b e e 无线联网技术，在提高 结点站工作的效率和准确率，减少人为原因造成的失误方面，做了以 下几个方面的研究： 1 分析、比较时下流行的几种无线连接技术，选定i e e e 8 0 2 1 5 4 ( z i g b e e ) 技术，组建集装箱结点站自动化系统的无线通信网。 2 分析铁路集装箱站场功能，设计调度自动化系统和各个终端节点 功能。 3 根据集装箱站场无线网络覆盖以及无线终端设备无缝漫游的要 求，设计各节点组网方式，采用场强定位算法，给出了车载终端 无线定位方法。分析了无线网络数据流量，验证了集装箱结点站 自动化系统z i g b e e 组网方式传输的可行性。 4 根据车载终端功能和无线网络通信要求，选择p i c l 8 l f 4 6 2 0 作 为核心芯片，给出了车载系统终端硬件电路和软件设计。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第2 章z i g b e e 无线网络概述 2 1 几种无线组网技术分析 目前，主要的无线网络技术有：g s m c d m a ，g p r s 3 g ，u w b ， b l u e t o o t h ，w if i ，i r d a ，z i g b e e 婷。 其中g s m c 蹦a ，c p r s 3 g 技术适合于远程连接，所需成本和维护 费用较高。 i r d a ( 红外线) 主要优点是成本低廉、体积小、功耗低、连接方 便、简单易用、数据传输率高、安全性高等。但它的不足在于它是一 种视距传输，两个通信设备之间必须对准，并且只能用于两台设备之 间的连接。 u w b ( u l t r aw i d eb a n d ，超宽带技术) 是另一个新发展起来的无 线通信技术。u w b 通过基带脉冲作用于天线的方式发送数据。u w b 被允 许在3 1 1 0 6 g h z 的波段内工作。主要应用在小范围、高分辨率、能 够穿透墙壁、地面和身体的雷达和图像系统中。除此之外，这种新技 术适用于对速率要求非常高( 大于1 0 0 m b p s ) 的l a n 或p a n 。 b l u e t o o t h ( 蓝牙技术) 是一种无线数据与语音通信的开放性全球 规范，其实质内容是为固定设备或移动设备之间的通信环境建立通用 的无线电空中接口。将通信技术与计算机技术进一步结合起来，使各 种3 c 设备在没有电线或电缆相互连接的情况下，能在近距离范围内实 现相互通信或操作，是一种低成本、低功率的无线“线缆替代”技术。 其传输频段为全球通用的2 4 g h zi s m 频段，提供1 批p s 的传输速率 和1 0 m 1 0 0 m 的传输距离。但其兼容性较差。 w i f i ( w i r e l e s sf i d e l i t y ，无线局域网) 也是一种无线通信协议， 即i e e e 8 0 2 1 l b ，与蓝牙一样，同属于短距离无线通信技术。w 卜f i 的 速率最高可达1 1 m b ps 。虽然在数据安全性方面比蓝牙技术差一些，但 在电波的覆盖范围方面却略胜一筹，可迭1 0 0 m 左右。但其价格昂贵， 并在安全性方面受到一些国家的质疑。 z i g b e e 是种强调极低耗电、极低成本的短距离无线网络技术， 传输速度为2 0 k b p s 一2 5 0 k b p s 。z i g b e e 采用d s s s ( d i r o c ts e q u e n c e 传输速度为2 0 k b p s 一2 5 0 k b p s 。z i g b e e 采用d s s s ( d i r e c ts e q u e n c e 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 s p r e a ds p e c t r u m ，直接序列扩频) 技术，与蓝牙技术相比，它的功耗 极低，在待机模式下，两节普通5 号电池可以使用六个月以上。由于 z i g b e e 数据传输率低，协议简单，从而大大降低了成本。z i g b e e 使用 的工作频段灵活，为2 4 g h z 、8 6 8 m h z ( 欧洲) 及9 1 5 m h z ( 美国) ，均 为免执照频段。 i e e e 8 0 2 1 1 b 、b l u e t o o t h 以及z i g b e e 三种无线连接技术的比较 如表2 1 所示： 表2 1 三种短距离无线通信技术比较 特征 i e e e 8 0 2 11 bb l u e t o o t h z i g b e e 电池功耗 小时一周一生 复杂性复杂 非常复杂 简单 节点数 3 2 7 6 4 0 0 0 反应时间典型值3 s典型值1 0 s典型值3 0 m s 作用范围1 0 0 m1 0 m7 0 m 可扩展性可漫游 不可扩展 可以 数据传输率 1 1 m b d s1 m b 口s 2 5 0 k b p s 确认服务设定 1 2 8 b i t a e s 和应 安全性 6 4 b i t ，1 2 8 b i t 用层用户自定 i d 义 从表2 一l 可以看出，如果仅仅为了连接的需要而使用i e e e 8 0 2 1 1 技术是大材小用了，而蓝牙技术本来是用来代替电缆的，但现在的蓝牙 设备正在变得越来越复杂，已经不能满足低功耗的需求。8 0 2 1 1 b 和 蓝牙设备都要求定期更换电池或者充电，而频繁地更换电池将给用户 带来很大的不便哺“。而z i g b e e 设备的体积小、功耗低、可连接的设备 数量多、响应速度快，是为工业监控领域置身订造的”。 2 2z i g b e e 无线技术概述 2 0 0 0 年1 2 月i e e e 成立了i e e e 8 0 2 1 5 4 工作组。这个工作组致 力于定义一种供廉价的固定、便携或移动设备使用的极低复杂度、低 成本和低功耗、低速率的无线连接技术，z i g b e e 正是这种技术的商业 化命名。它的名字来源于蜂群使用z i g z a g 形状的舞蹈来分享新发现食 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 物源的位置距离等信息。它主要适合于自动控制和远程控制领域，可 以嵌入各种设备中“”。 z i g b e e 技术的主要优点有： 4 省电：由于工作周期很短、收发信息功耗较低、并且采用了休眠模 式z i g b e e 技术可以确保两节五号电池支持长达6 个月到2 年左右 的使用时间，当然不同的应用功耗是不同的； o 可靠：采用了碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留 了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突。m a c 层采用了完全 确认的数据传输机制，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认 信息： 4 成本低：模块的初始成本估计在6 美元左右，很快就能降到1 5 美 元到2 美元之间，且z i g b e e 协议是免专利费的； 碡时延短：针对时延敏感的应用做了优化，通信时延和从休眠状态激 活的时延都非常短。设备搜索时延典型值为3 0 m s ，休眠激活时延 典型值是1 5 m s ，活动设备信道接入时延为1 5 m s ； 图2 一l 组网方式图 z i g b e e 协议套件紧凑而简单，其具体实现的要求很低，大大降低 了成本。以下是z i g b e e 协议套件的需求估计m 1 ： 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 1 8 位处理器，如8 0 c 5 1 ； 2 垒协议套件软件需要6 4 k b y t e s 的r a m ； 3 最小协议套件软件大约4 k b y t e s 的r o m ； - 4 网络主节点需要更多的r a m ，以容纳网络内所有节点的设备信 息、数据包转发表、设备关联表、与安全有关的密钥存储等。 2 0 0 2 年8 月成立z i g b e e 联盟，由英国i n v e n s y s 公司、日本三菱 电气公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦半导体公司组成，如今 已经吸引了上百家芯片公司、无线设备公司和开发商的加入。同时， i e e e 8 0 2 1 5 4 标准也吸引了其他标准化组织的注意力，比如i e e e l 4 5 1 工作组正在考虑在i e e e 8 0 2 1 5 4 标准基础上实现传感器网络h ”。 z i g b e e 无线网络可采用多种类型的配置。如图2 1 所示。星型网络 配置由一个网络协调器( c o o r d i n a t o r ) 节点( 主设备) 和一个或多个 终端设备( 从设备) 组成。协调器是实现了一组很多z i g b e e 服务的一种 特殊的全功能设备( f u l lf u n c t i o nd e v i c e ，f f d ) ，可以同网络中的 任何设备通信，可存在于任何拓扑结构中。终端设备可能是f f d 或简化 功能设备( r e d u c e df u n c t i o nd e v i c e ，r f d ) 。r f d 是最小而且最简单 的z i g b e e 节点。它只实现了一组最少的z i g b e e 服务，它只能与主器件通 信，不能作为网络协调者。在星型网络中，所有的终端设备都只与协调 器通信。如果某个终端设备需要传输数据到另一个终端设备，它会把数 据发送给协调器，然后协调器依次将数据转发到目标接收器终端设备。 除了星型网络之外，z i g b e e 还可以采用点对点网络、簇树型或网状 ( m e s h ) 网络配置。由于簇树型网和网状网络具有在多个网络之间路由 数据包的功能，因而被称为多跳网络，而星型网络则被称为单跳网络。 在上述几种网络拓扑结构中，网络的形成和维护都是通过设备之间的通 信而自动实现，不需要人工来干预网络的建立、扩张或者减小。 网络拓扑结构对功率节省也有很重要的关系。星形和簇形网络结 构比网状网结构更有利于功率节省。因为前者的终端节点不充当路由 器的功能，只收发自己的数据，这样可以节省更多功率。 z i g b e e 协议栈由高层应用规范、应用汇聚层、网络层、数据链路 层和物理层组成，网络层以上的协议由z i g b e e 联盟负责，i e e e 制定 物理层和链路层标准。 应用汇聚层把不同的应用映射到z i g b e e 网络上，主要包括安全属 性设置、多个业务数据流的汇聚等功能。 网络层将采用基于a dh o c 技术的路由协议，除了包含通用的网络 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1o 页 层功能外，还应该同底层的i e e e 8 0 2 1 5 4 标准同样省电；另外还应实 现网络的自组织和自维护，以最大程度地方便消费者的使用，降低网 络的维护成本。 数据链路层分成逻辑链路控制( l l c ) 和介质访问控制子层( m a c ) 两个子层。l l c 子层在i e e 聃0 2 6 标准中定义，为8 0 2 标准系列所共 用；而m a c 子层协议则依赖于各自的物理层。 l l c 子层的主要功能是进行数据包的分段与重组以及确保数据包 按顺序传输。i e e e 8 0 2 15 4m a c 子层的功能包括设备间无线链路的建 立、维护和断开，确认模式的帧传送与接收，信道接入与控制，帧校 验与快速自动请求重发( a r q ) ，预留时隙管理以及广播信息管理等。 在网络层，z i g b e e 支持网状网。存在冗余路由，保证了网络的健 壮性。 为抗干扰和多径，z i g b e e 在物理层采用d s s s 技术。i e e e8 0 2 15 4 总共定义了3 个工作频带：2 4g h z 、9 1 5m h z 和8 6 8m h z ，在三个频 带使用相同的物理层数据包格式，区别在于工作频率、调制技术、扩 频码片长度和传输速率。在中心频率为8 6 8 3 洲z 频段只有一个信道； 在中心频率为9 0 6 m h z 频段划分为l o 个信道，每个信道占2 m h z ；在中 心频率为2 4 g h z 频段划分为1 6 个信道，每个信道占5 蛐z 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 第3 章集装箱结点站调度自动化系统功能设计 3 1 集装箱结点站布置 铁路集装箱结点站作为区域性的集装箱集散中心，具有办理整列 集装箱班列到发、装卸能力，完成集装箱到达、中转和发送业务，并 具有办理国际、国内集装箱的多式联运，对用户门到门服务的相关设 施和能力。要完成集装箱结点站的管理、运输、装卸作业及服务功能， 必须建立一个以计算机网络平台为基础的集装箱结点站综合管理信息 系统，而集装箱管理信息系统的基础是结点站作业信息流程的分析。 按集装箱进出结点站的性质可将集装箱分为到达集装箱、中转集 装箱及发送集装箱。根据集装箱进出结点站采用的运输方式及结点站 提供的服务，又可分为集装箱通过铁路运输进入或运出结点站，运输 公司或大用户通过公路运输进入或运出结点站，零散用户及临时箱集 装箱通过公路运输进入或运出结点站。由此可将集装箱结点站的作业 流程分为不同运输方式的进站流程、出站流程和站内流程，而每一个 作业流程又可分为预告信息处理、编制调度作业计划和站内作业【6 2 1 。 通过铁路运输进站的集装箱主要作业流程包括： 1 预告信息处理。集装箱通过铁路进入结点站的预告信息主要包括 到达列车的编组信息、集装箱信息、一关三检对外贸箱的提检信 息、取箱人反馈的取箱预约信息。结点站通过t m i s 系统获得上 级调度及前方站传来的到达列车的编组信息( 即到达确报) 以及 集装箱信息。通过e d i 系统或传真获得一关三检对外贸箱的提 检信息及取箱预约信息。 2 计划编制。结点站接收到预告信息后，根据预告信息编制本站的 作业计划，包括调车作业计划、卸车计划、装车计划、堆场计划、 机械调度计划、人员调度计划。 3 站内作业。列车进站后，根据站内作业计划进行站内作业，包括 调车作业、地勤作业、装卸机械作业。 通过铁路运输出站的集装箱主要是发送箱及通过铁路运输的中转 集装箱。通过铁路运输方式的出站流程也分为预告信息处理、编制计 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 图3 1 铁路集装箱结点站功能图 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 知零号 a 区_ - n 区分场地分层设编码 a 1a 2 每区设无线网络节点与调度中 心交互信息。同时设置显示屏显 示本区的货物信息 1 _ 一 、 ； j ； 图3 - 2 铁路集装箱站点网络功能图 大门 此处设自动称重 系统( 传感器) 同时设置阅读器 和无线网络节点 将信息传给调度 中心并核对。 划和站内作业；与进站流程相反，以装车计划为主，一关三检提供准 出通知单，装车作业完成后，向上级调度及前方站发送出发列车确报、 出发集装箱信息。 铁路货场集装箱装卸工艺一般是：火车一货场装卸设备一货场一 货主( 汽车或挂车) 。 铁路集装箱结点站功能如图3 1 所示。结合铁路集装箱结点站功 西南交通大学硕士研究生学位论文 第14 页 能，铁路集装箱站点网络功能如图3 - 2 所示。 3 2 大门处结构布置与系统功能设计 铁路集装箱结点站大门除为各种车辆提供通道以外，也可以对各个 进出集装箱提供信息自动采集、安全检查、自动称重以及与调度中心无 线联网等功能。 3 2 1 大门进出口布置 结点站大门采取进出口分开设置方式。 设需要车道数为5 进3 出，另增设普通汽车出入口各一条，共6 进4 出。集卡通道宽度为5 m ，其中4 m 为集卡宽度“，1 m 范围内设置阅读器。 普通车道宽度为6 m 。 3 2 2 大门作业内容 大门的主要作业内容包括； 1 检查车辆身份； 2 箱号自动识别； 3 检查箱体外观、铅封 4 验斤； 5 接受调度中心指令。 3 2 3 集装箱站场大门检查作业原则 进场和出场大门可以全天候，也可以每天固定时间开放给集卡通 过，绝大部分集卡在开放时间内通过大门，部分需要在大门关闭时间通 过。大门各车道的服务对象可以指定，如重载车、空载车等，到达大门 的车辆按照到达时间先后进行排队等待通过大门，即实行“先来先服 务”的原则，如果几个车道均允许一辆车通过，则该车加入排队最短的 车道排队中，等待通过大门。 3 2 4 大门处系统设置 大门处主要设置以下系统： 1 自动称重子系统： 在大门出入口处设置传感器，传感器称出所经过车辆重量，通过 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 z i g b e e 无线网络传回大门控制室。 2 安全检查子系统： 在每一个出入口放置一个r f i d 阅读器，读取车辆和集装箱上放置的 r f i d 射频标签中的信息，与传感器称得的重量信息一起，经p i c l 8 f 4 6 2 0 单片机处理后按标准格式通过z i g b e e 无线网络f f d 节点传回调度中心。 调整阅读器的读取范围，防止读取非本车道的车辆信息。 调度中心接此信息，查找数据库分配箱位，若车辆上没有车载终端 可输入集装箱编号，采用手持终端接受信息。 3 大门控制室： 设置此网络节点为f f d ，因为需要有较强的信息处理和与调度中心 交互的能力，配备键盘、显示器、处理器和报警灯、报警铃。为作备用， 同时还有电话一部。 本地调度中心将要进出大门的车辆信息、任务信息、集装箱重量信 息等下达到大门控制室。大门控制室处理器将信息存入本地数据库备 用。接收大门处发来的车辆、重量、集装箱信息并与本地数据库信息核 对，若有未授权的集卡或集装箱出入则发出报警信息，相应警灯亮。调 度中心接收到r f i d 号后，查找数据库，发送相应的集装箱位置信息回集 卡车载终端。 为加强信息处理速度，在大门处也可处理车载终端节点发送的车辆 故障等紧急信息。 若无线网络不通，无法与调度中心交互，则给出报警信息，警铃响。 3 3 调度指挥终端功能的设计 3 3 1 车载终端功能设计 通常情况下，采用轨道式龙门起重机和轮胎式龙门起重机的集装箱 结点站，多采用集卡在装卸线与堆场之间作集装箱水平运输，每台起重 机按照一定的比例配备集卡数量，一台起重机和对应配备的集卡组成了 一条作业路，由调度人员安排阳1 。 集卡调度过程中会出现以下几种调度模式： 集卡空车( 卸空键) ：卸货完毕，通过z i g b e e 无线网络发送本车“等 待配载”消息。调度中心z i g b e e 无线射频模块接受到该消息后，管理系 统将车辆状态自动置为“待命+ 空车”状态。 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 出现新的任务( 确认键) ：调度员发送新的业务信息到司机。司机 接收到该信息决定执行该任务，并按键回复“接收任务”消息。调度中 心收到该回复信息则提示消息确认执行，设集卡为“非待命+ 重箱”状 态，若未收到回复等待超时后重发。 任务紧急取消( 取消键) ：此时，司机按“取消键”，发送“取消” 信息，请中控室取消上一条终端设备请求。调度中心接收到该消息后， 调出该设备发送的前一条请求消息，将车辆状态改变为发送上一条请求 信息前的状态。 无法执行任务或报修( 故障键) ：车辆出现故障，或无法执行任务 需要派人检查或修理，车载终端发送“故障”信息，调度中心派人或车 将车辆拖至修理站进行维修，同时断开无线网络连接。调度中心接收到 此消息后，自动将车辆状态设为“检修”或者“待修”，不再布置任务 给此集卡。直到集卡恢复正常，重新考勤登记，才将此集卡设为“待命 + 空箱”状态。 车载终端无人( 离开键) ：集卡司机不在，此集卡无法执行调度中 心布置的新任务，车载终端发送“离开”消息，调度中心接收到此消息 后，自动将车辆状态设为“无人”，不再布置任务给此集卡。直到集卡 重新考勤登记，才将此集卡设为“待命+ 空箱”状态。 上下班登记( 日常考勤登记键) ：集卡司机上下班登记、更换集卡 司机时按下日常考勤登记键，调度中心接受到此消息将信息存入本地数 据库，同时将车辆设为“待命+ 空箱”状态。 网络连接指示灯：如果网络不通，亮红灯报警；如果网络保持联通， 亮绿灯。 低电压报警灯：由于车载设备采用蓄电池或五号电池供电，当电源 的供电电压小于正常工作电压3 3 v 需要报警提示。 液晶显示器：显示调度中心发来的调度任务和指令。 综上所述，在车载终端设置卸空键、确认键、取消键、故障键、离 开键、日常考勤登记键、网络联通指示灯、低电压报警灯以及液晶显示 器等。在车载终端上设置z i g b e e 节点，连入z i g b e e 无线网络。为节省能 量，设置此节点为r f d ，只在有数据接收或发送时打开连接。般情况 下，集卡司机只需按下几个按键就可以完成调度中心下达的集装箱运输 任务，操作简便。 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 3 3 2 手持终端功能设计 在手持机上设置z i g b e e 节点，连入z i g b e e 无线网络。为节省能量， 设置此节点为r f d ，只在有数据接收或发送时打开连接。 在手持终端上设置数字、字母按键和显示屏，以及电源开关和网络 连通指示灯。 铅封损坏等异常情况( 异常键) ：巡逻人员持有手持终端，在集装 箱站场进行巡逻，当发现有集装箱铅封锁损坏等异常情况时，输入集装 箱场地编号，并按异常键，发送“异常”信息至调度中心，调度中心派 人到相应集装箱场地进行处理。 查询场地信息( 查场地键) ：当有货主需要取集装箱知道集装箱编 号而不知道地址时，输入集装箱编号，并按下查询场地键，发送“集装 箱编号+ 查场”信息至调度中心。调度中心接收到此信息后，查询相应 的场地号发送回手持终端。 查询集装箱信息( 查箱信息键) ：当工作人员知道场地编号而需要 了解集装箱相关信息时，在手持终端上输入场地编号，并按下查询箱信 息键，发送“场地编号+ 查箱”信息至调度中心。调度中心接收到此信 息后，查询相应的集装箱编号、重量、危险性等信息发送回手持终端。 手持终端操作、携带方便，在集装箱结点站可以方便的连入z i g b e e 无线网络，以便客户和工作人员与本地调度中心进行信息交互。 3 4 集装箱站场分区显示牌功能设