基于ZigBee和WinCE的火车货运防盗系统研究

引 言

随着物流服务业的快速发展和火车提速，铁路货运也进入了高速发展阶段，但与此同时，也带来了越来越多的不安全因素，火车货运物资被盗是铁路货运事故的主要原因之一。大多数货运物资被盗是犯罪分子在货运火车慢行上坡路段或者在火车站沿线进行团伙作案。采用传统方法打击货运物资盗窃事倍功半，火车货运盗窃仍然是目前困扰铁路货运安全的突出问题 [1-3]。

物联网技术的发展和越来越多的商用案例为火车货运盗窃问题提供了技术上的可行性 [4,5]，基于此，研究和开发了基于ZigBee和 WinCE的火车货运防盗预警系统， 实现站停、待编、待卸和运行途中的施封车（棚车）运输物资防被盗的功能， 在各火车货运车厢门上方安装ZigBee无线传感节点，实时监测是否有非法人员进入，并在火车货运管理工作人员手中的PDA上实时显示各车厢门的状态信息。也可以扩展经 GPRS 网络连接地面路局的监控PC进行远程实时监控和管理。相比于传统打击货车盗窃的手段，该方法能及时发现是否存在非法人员侵入货车车厢，并报警提醒铁路工作人员采取措施处理，不仅大大节省了人力和物力，更提高了打击盗窃犯罪的效率，维护了广大货主的财产安全和铁路部门的良好形象。在防范火车货运被盗方面，有着较广泛的实用价值。

1 系统总体架构

在本系统设计中，使用 RFID 卡将火车货运车厢号和安装在对应车厢的ZigBee 路由设备MAC 地址（全球唯一）进行静态绑定，然后在货运火车各车厢门上安装传感器来实时检测是否存在非法人员入侵现象，若检测到有非法人员进入车厢，则 ZigBee 路由设备采集并处理信息，再通过 ZigBee 网络将报警信息（ZigBee 路由设备的 MAC 地址） 转发到ZigBee网络协调器，协调器通过串口将各报警信息传送到手持终端 PDA，在手持终端 PDA 处根据先前静态绑定的车厢号和ZigBee 路由设备MAC 地址映射关系表在界面上显示被盗的车厢号，提醒火车货运管理工作人员采取相应的安全处理措施。本系统基于ZigBee 无线传感器网络技术，自建短距离无线网络进行数据传输，非常适合铁路货车等移动性场合。系统总体架构效果如图 1 所示。

2 ZigBee节点嵌入式软件设计

本系统中，ZigBee 无线传感器节点硬件平台基本一致， 可根据不同的嵌入式软件来实现不同的角色与功能[6]。系统采用了Jennic 公司自主研发的基于IEEE 802.15.4 标准的ZigBee 无线传感器网络协议 JenNet 协议，在JenNet 协议栈之上的APP层设计了 2 种嵌入式软件，即协调器节点嵌入式软件和路由器节点嵌入式软件。

2.1 协调器节点嵌入式软件

根据ZigBee 短距离无线传感器网络中只有一个协调器的协议要求，协调器作为ZigBee 网络中的汇聚节点，具有网关的作用，主要用于建立ZigBee 无线传感器网络[7]，等待其他路由器或终端节点加入，组成星型、树型或网状型无线网络。基于铁路火车货运过程的快速移动性和待编货运车厢长度不确定等特点，本设计将除了协调器外的各个安装在车厢上的现场节点配置成了路由器，使其具有路由和中继特性，同时将ZigBee组网成树形拓扑结构，符合铁路火车货运的实际特征。其软件流程如图 2 所示。

2.2 路由器节点嵌入式软件

安装在各货运车厢的路由器节点上电并初始化后，开始加入协调器创建的ZigBee网络，若加入成功则采集门磁传感器数据，然后通过ZigBee网络将车厢门的状态信息路由给协调器节点，其软件流程如图 3所示。

3 PDA软件设计

系统监测显示和预警软件位于火车货运管理工作台（一般位于火车货运第 1节车厢）处的手持终端（PDA），该 PDA基于IntelXscale处理器硬件平台和WinCE5.0操作系统 [8,9]， 与ZigBee协调器（同样位于火车货运第 1节车厢处）通过RS232 协议有线连接。在 WinCE上基于 EVC4.0 集成开发环境开 发防盗预警软件，能够显示各火车货运车厢 ZigBee 路由器节 点发来的报警车厢号和报警车厢状态。PDA 软件模块架构如 图 4 所示。

3.1 设置射频卡与车厢号绑定

考虑到火车货运车厢的数量可变性和编组的随意性，同时RF 卡具有操作方便、非接触式读写等特点[10]，因此，采用RF 卡对 ZigBee 路由器节点的MAC 地址与车厢号建立对应关系。分为 首次设置射频卡与车厢号绑定 和 非首次设置射频卡与车厢号绑定 。

当火车货运车厢装好货物首次在始发火车站发车运输时， 将安装到各车厢上的ZigBee 路由器节点的MAC 地址写入射频卡，同时通过PDA 软件的 首次设置射频卡与车厢号绑定模块将射频卡中的MAC 地址与对应车厢号静态绑定，然后将此卡放到ZigBee 路由器节点的卡槽里，使其永不分离，也不再向该卡输入MAC 地址。 通过该机制，建立起车厢号与ZigBee路由器节点 MAC 地址的映射关系，同时生成了mac. txt 来保存这种映射。其界面如图 5 所示。

图 5 首次设置射频卡与车厢号绑定界面

若非首次使用该列货车运输，待装好货物准备在始发站发车运输货物时，则在 PAD 软件的对话框中删除前一次运输所建立的 mac.txt 表，然后打开 修改车号（mac.txt 已删除） 对话框，读取之前写入射频卡（在 ZigBee 路由器节点上）的MAC 地址，重新设置车厢号，如图 6 所示。

图 6 非首次设置射频卡与车厢号绑定界面

3.2 火车货运车厢号修改

在中途停靠站进行换、卸车厢处理后，若修改某一车厢号， 则打开“修改车号（mac.txt 未删除）”对话框，读取 ZigBee 路 由器（安装在待修改车厢）上射频卡记录的 MAC 地址，然后 重新设置车厢号，如图 7 所示。

4 系统测试和实验

在实验室环境下进行了测试和实验，模拟车厢被非法侵 入的情形，观察 PDA 软件上显示报警的车厢号及状态。防盗 预警显示界面如图 8 所示，在主界面上的“货车车厢状态”显 示“非法打开”，在“报警车厢显示区域”显示报警车厢号与 车厢状态（红色显示，以示醒目），同时进行声光电报警，以 提醒工作人员及时采取安全处理措施。

图 8 防盗预警显示界面

5 结 语

针对火车货运站停、待编、待卸和运行途中的施封车运输物资被盗问题，基于ZigBee 和 WinCE 技术研究和实现了火车货运防盗系统，设计了ZigBee 协调器和路由器，并组建了树形ZigBee 网络监测火车货运车厢状态，同时基于WinCE 操作系统开发了 PDA 软件，并创新性地使用射频卡解决了始发、中转、待编车厢的编号问题，可实时显示和监控车厢状态， 并能在发现异常时及时预警，为火车货运安全领域提供了一种智能监测方法。