引 言

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

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和越來越多的商用案例為火車貨運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的火車貨運防盜預警系統(tǒng)， 實現(xiàn)站停、待編、待卸和運行途中的施封車（棚車）運輸物資防被盜的功能， 在各火車貨運車廂門上方安裝ZigBee無線傳感節(jié)點，實時監(jiān)測是否有非法人員進入，并在火車貨運管理工作人員手中的PDA上實時顯示各車廂門的狀態(tài)信息。也可以擴展經(jīng) GPRS 網(wǎng)絡連接地面路局的監(jiān)控PC進行遠程實時監(jiān)控和管理。相比于傳統(tǒng)打擊貨車盜竊的手段，該方法能及時發(fā)現(xiàn)是否存在非法人員侵入貨車車廂，并報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，維護了廣大貨主的財產(chǎn)安全和鐵路部門的良好形象。在防范火車貨運被盜方面，有著較廣泛的實用價值。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

在本系統(tǒng)設(shè)計中，使用 RFID 卡將火車貨運車廂號和安裝在對應車廂的ZigBee 路由設(shè)備MAC 地址（全球唯一）進行靜態(tài)綁定，然后在貨運火車各車廂門上安裝傳感器來實時檢測是否存在非法人員入侵現(xiàn)象，若檢測到有非法人員進入車廂，則 ZigBee 路由設(shè)備采集并處理信息，再通過 ZigBee 網(wǎng)絡將報警信息（ZigBee 路由設(shè)備的 MAC 地址） 轉(zhuǎn)發(fā)到ZigBee網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器通過串口將各報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，提醒火車貨運管理工作人員采取相應的安全處理措施。本系統(tǒng)基于ZigBee 無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)，自建短距離無線網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)傳輸，非常適合鐵路貨車等移動性場合。系統(tǒng)總體架構(gòu)效果如圖 1 所示。

2 ZigBee節(jié)點嵌入式軟件設(shè)計

本系統(tǒng)中，ZigBee 無線傳感器節(jié)點硬件平臺基本一致， 可根據(jù)不同的嵌入式軟件來實現(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 標準的ZigBee 無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)議 JenNet 協(xié)議，在JenNet 協(xié)議棧之上的APP層設(shè)計了 2 種嵌入式軟件，即協(xié)調(diào)器節(jié)點嵌入式軟件和路由器節(jié)點嵌入式軟件。

2.1 協(xié)調(diào)器節(jié)點嵌入式軟件

根據(jù)ZigBee 短距離無線傳感器網(wǎng)絡中只有一個協(xié)調(diào)器的協(xié)議要求，協(xié)調(diào)器作為ZigBee 網(wǎng)絡中的匯聚節(jié)點，具有網(wǎng)關(guān)的作用，主要用于建立ZigBee 無線傳感器網(wǎng)絡[7]，等待其他路由器或終端節(jié)點加入，組成星型、樹型或網(wǎng)狀型無線網(wǎng)絡?；阼F路火車貨運過程的快速移動性和待編貨運車廂長度不確定等特點，本設(shè)計將除了協(xié)調(diào)器外的各個安裝在車廂上的現(xiàn)場節(jié)點配置成了路由器，使其具有路由和中繼特性，同時將ZigBee組網(wǎng)成樹形拓撲結(jié)構(gòu)，符合鐵路火車貨運的實際特征。其軟件流程如圖 2 所示。

2.2 路由器節(jié)點嵌入式軟件

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

3 PDA軟件設(shè)計

系統(tǒng)監(jiān)測顯示和預警軟件位于火車貨運管理工作臺（一般位于火車貨運第 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（同樣位于火車貨運第 1節(jié)車廂處）通過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)防盜預警軟件，能夠顯示各火車貨運車廂 ZigBee 路由器節(jié) 點發(fā)來的報警車廂號和報警車廂狀態(tài)。PDA 軟件模塊架構(gòu)如 圖 4 所示。

3.1 設(shè)置射頻卡與車廂號綁定

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

當火車貨運車廂裝好貨物首次在始發(fā)火車站發(fā)車運輸時， 將安裝到各車廂上的ZigBee 路由器節(jié)點的MAC 地址寫入射頻卡，同時通過PDA 軟件的 首次設(shè)置射頻卡與車廂號綁定模塊將射頻卡中的MAC 地址與對應車廂號靜態(tài)綁定，然后將此卡放到ZigBee 路由器節(jié)點的卡槽里，使其永不分離，也不再向該卡輸入MAC 地址。 通過該機制，建立起車廂號與ZigBee路由器節(jié)點 MAC 地址的映射關(guān)系，同時生成了mac. txt 來保存這種映射。其界面如圖 5 所示。

圖 5 首次設(shè)置射頻卡與車廂號綁定界面

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

圖 6 非首次設(shè)置射頻卡與車廂號綁定界面

3.2 火車貨運車廂號修改

在中途?？空具M行換、卸車廂處理后，若修改某一車廂號， 則打開“修改車號（mac.txt 未刪除）”對話框，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，如圖 7 所示。

4 系統(tǒng)測試和實驗

在實驗室環(huán)境下進行了測試和實驗，模擬車廂被非法侵 入的情形，觀察 PDA 軟件上顯示報警的車廂號及狀態(tài)。防盜 預警顯示界面如圖 8 所示，在主界面上的“貨車車廂狀態(tài)”顯 示“非法打開”，在“報警車廂顯示區(qū)域”顯示報警車廂號與 車廂狀態(tài)（紅色顯示，以示醒目），同時進行聲光電報警，以 提醒工作人員及時采取安全處理措施。

圖 8 防盜預警顯示界面

5 結(jié) 語

針對火車貨運站停、待編、待卸和運行途中的施封車運輸物資被盜問題，基于ZigBee 和 WinCE 技術(shù)研究和實現(xiàn)了火車貨運防盜系統(tǒng)，設(shè)計了ZigBee 協(xié)調(diào)器和路由器，并組建了樹形ZigBee 網(wǎng)絡監(jiān)測火車貨運車廂狀態(tài)，同時基于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)、待編車廂的編號問題，可實時顯示和監(jiān)控車廂狀態(tài)， 并能在發(fā)現(xiàn)異常時及時預警，為火車貨運安全領(lǐng)域提供了一種智能監(jiān)測方法。