基于ZigBee通信的车载运输小车组设计

0 引言

随着我国经济建设和交通运输业的不断发展，车载货物运输的需求也不断提高。在将待运输货物从地面装载到卡车车斗的环节中，通常采用人工搬运、小型吊车起吊、叉车运送等方式，在将货物从车斗后方搬上车后，操作工人需在车斗上通过人力搬运将刚搬上车斗的货物合理摆放到车斗的各个位置[1-2]。

在车斗上人力搬运及摆放货物的操作并不轻松。特别是对于一些比较重的货物，例如装满工业金属产品或者农业产品的包装箱、中小型机械设备等，操作工人从车斗后方入口处搬至车斗靠里面的空间，往复操作非常耗费体力，若直接从车斗后方入口处将货物推动或者拖进车斗内部，则会产生严重的滑动摩擦，对车斗表面和货物底部都会造成一定的磨损伤害，从而无法保证货车车斗的使用寿命和货物的美观、安全等[3-4]。同时，在货物运输过程中，由于大部分卡车车斗采用敞开式露天设计，在急起急停、拐弯处，或者遇到道路颠簸、极端天气等情况时，装在车斗内的一些货物极容易发生倾倒、掉落等，且驾驶员在封闭驾驶室内不易发现货物掉落情况，从而导致掉落货物造成财产损失。货物横在路上形成障碍，又对后方道路交通造成安全隐患。

现阶段已有很多科研人员在车辆货物运输领域里做了很多工作，如对移动龙门式车载吊运设备的研究等，一定程度上解决了车载货物的搬运工作。但是，车载货物运输在很多实际工作过程中还是出现了很多的问题，其在辅助运输工具设计、人机交互、运输安全等方面还有待优化[5]。本文在熟知当前车载货物运输相关研究的条件下，提出了基于ZigBee通信的车载运输小车组整体结构设计方案以及通讯监控方案。通过SolidWorks建立三维模型[6-8]，使用虚拟样机技术设计车载运输小车组单车装配及车组装配关系；基于ZigBee通信，实现小车与驾驶室中央控制器的通讯与数据传输；通过机械装置和电子装置的配合，既解决了人力消耗和货物磨损的问题，又起到了车载货物掉落信息及时向中央控制器反馈提醒的作用，提高了工作效率和质量，保障了运输安全。

1 车载平板运输小车组结构设计

1.1 单辆小车结构设计

车载平板运输小车的结构采用SolidWorks三维建模技术进行设计，基于虚拟样机技术对零部件进行装配。单辆小车的组成包括：小车车体、定向车轮（前轮）、万向车轮（后轮）、压力传感器、数据传输线、单片机控制器。小车车体在前后左右分别设置有如图1所示的半圆形凸块和半圆形凹处，用于非工作状态下前后左右相邻两辆小车之间的定位和连接。在小车车身上表面设置有4个小凹槽，用于非工作状态时上下相邻两辆小车的定位和连接。小车的上表面采用摩擦系数较高的粗糙材质，在承受载荷时可提供较大的静摩擦力。如图2所示，小车前后分别设置有两个定向车轮和两个万向车轮，万向车轮可在水平面内任意旋转方向，在工作状态下可以使运输小车在货车车斗水平面内沿任何方向移动。同时，万向车轮带有锁紧机构，可以实现一键锁住，从而禁止小车移动。单辆小车上设置有4个压力传感器，分别位于4个轮子的根部，即轮子与小车车身的连接处。当货物放在小车车身上时，可以测得小车所承受的货物载荷信息的模拟信号，信号通过数据传输线与单片机控制器进行传输。4根数据传输线分别将4个压力传感器与单片机控制器连接起来；单片机控制器可以实时记录和处理压力传感器采集的载荷信息，通过ZigBee通信模块与位于卡车驾驶室内的中央控制器进行实时通讯和数据无线传输，实时反馈运输小车载荷数值。

  

图1 单辆车载平板运输小车三维模型Fig.1 Three-dimensional model of single vehicle on-board transport trolley

  

图2 单辆车载平板运输小车结构原理图Fig.2 Single vehicle-mounted flatbed transport trolley structure diagram

 

1.小车车体 2.定向轮 3.数据传输线4.单片机控制器 5.万向轮 6.压力传感器

1.2 小车组设计及工作方案

车载平板运输小车组由多个小车组合而成，小车的数量可以根据不同型号卡车的后车斗大小来确定，小车组内允许各个小车大小不一致，以适应不同货物运输的使用需求。如图3，本文以18辆大小相同的平板运输小车为例进行研究。

  

图3 车载平板运输小车组三维模型Fig.3 Three-dimensional model of vehicle-mounted flatbed transport trolley

ZigBee网络层可以支持3种网络拓扑结构，即星型（Star），树型（Tree）以及网状网络（Mesh），如图6所示。在网络层上，ZigBee联盟没有给出规定的路由协议，用户可根据项目实际需要任意组网。本文所设计的车载平板运输小车组采用了网状网络的组网方式，在此种拓扑结构中，任意两个设备之间都可以进行数据的传输。

  

图4 车载平板运输小车组非工作状态图Fig.4 Non-working state diagram of vehicle-mounted flatbed transport trolley

  

图5 车载平板运输小车组工作状态图Fig.5 Working diagram of vehicle-mountedflatbed transport trolley

2 基于ZigBee技术的通信及监控方案

2.1 ZigBee无线通信协议研究

皇上说，有道是将在外君命有所不受，秀容月明不是不懂这个理，他是怕张家猛抢了他的功劳。这个密谕，我是不能发的。

非工作状态时，18辆运输小车分为两层放置，如图4所示，放置于卡车车斗的一角处。在向卡车后车斗上搬运货物时，将运输小车从图示组合中依次取出，放置于靠近车斗后侧挡板处，打开车斗后侧挡板，通过叉车等搬运工具将货物搬放在运输小车上，随即手推至车斗靠里部分的空间（即靠近车头部分的空间），按下小车后轮锁紧按键，小车锁住，保证货物的稳定，然后再取出一辆平板小车继续工作，对所有货物均按此操作，直至货物搬运结束，承载货物的运输小车布满整个车斗（见图5）。对于一些大型货物或者较重的货物也可以采用多辆运输小车组合使用以承载其重量。小车组利用车轮的滚动摩擦代替了人工搬运和接触滑动摩擦，从而在很大程度上节省了人力，并且有效地保护了车斗表面和货物底面。

  

图6 ZigBee网络拓扑图Fig.6 ZigBee network topology

2.2 系统方案设计

将阅读和写作进行有效的整合能够很好地改善现阶段小学语文的教学现状，符合新课标的教学理念。学生在进行阅读的时候需要教师适当的引导，让学生学会自主学习，积累写作的素材，让学生在理解阅读内容的同时能够提高写作的能力，将阅读的成果和自我情感更好地进行融合，提高学生的学习能力。

ZigBee协议栈是基于IEEE802.15.4标准的基础而建立的，IEEE802.15.4标准明确定义了RF射频以及其与相邻设备之间的相互通信。ZigBee设备理论上包括了IEEE802.15.4的PHY和MAC层，ZigBee堆栈层，即：网络层(NWK)、应用层以及安全服务提供层[9-10]。

  

图7 系统结构图Fig.7 System construction drawing

2.3 小车组通信实时监控方案

小车组内所有运输小车均和中央控制器无线连接，实时通信传输数据。在卡车正常运输货物行驶过程中，每辆小车所反馈的载荷数值相对稳定，或在一定范围内上下波动。在急起急停、拐弯时，或者遭遇道路颠簸、极端天气等情况时，当某一辆运输小车载荷数值短时间内发生突然间剧烈变化，并且于3 s内数值没有恢复至原值或原波动范围，则可判定车载货物出现倾倒或者掉落，中央控制器驱动蜂鸣装置发出警报声，驾驶员停车检查车载货物状态，避免造成财产损失和交通安全隐患。

系统运用ZigBee无线技术实现了运输小车通讯联网的功能，系统网关设备组建网络，对所有进入网络内的终端设备进行管理，终端传感器采集载荷信息，上位机随时查询储存在终端寄存器内的数据。ZigBee模块选用EM250芯片，在配置好XBee模块之后，将DIN，DOUT，VCC，GND等引脚与主机核心控制模块Arduino电源以及串口进行连接，操作Arduino通过API模式控制XBee模块。系统结构简图7。

3 结语

采用SolidWorks三维建模软件车载平板运输小车组的各个零部件进行结构设计，并通过虚拟样机技术实现单车与车组的装配。装配效果表明，所设计小车组能够有效解决搬运操作的人力消耗和货物、车斗磨损的问题。同时，通过ZigBee无线通信技术，实现小车载荷状态实时监控，及时反馈提醒车载货物掉落信息，避免造成财产损失和交通安全隐患。

进一步创新水利体制机制。印发了《自治区鼓励和引导非公有制资本参与农田草牧场水利、水土保持建设实施细则（试行）》，会同有关部门印发了《自治区关于加强基层水利服务体系建设的指导意见》，制定印发了《自治区深化小型水利工程管理体制改革工作方案》。

3.1.1 职业幸福感 是指在职人员对其所从事的职业和工作状态的主观感受[9]。本研究发现，护理人员职业幸福感总分较低，与骆宏等[10]研究结果相一致。各维度从高到低依次为工作环境、价值能力体现、社会支持、经济收入、身心健康，说明由长期繁重、紧张、作息不规律的护理工作，对健康产生极大危害，身心疾病直接引起痛苦、消极情绪，表现为职业幸福感低下。经济收入是劳动价值的体现，调查发现护理人员觉得经济收入和工作付出不成正比，因此，经济收入的职业幸福感低。

参考文献

[1]袁海,刘幺和,李采.基于物联网的车辆运输管理系统研究与实现[J].计算机与数字工程,2014(19): 1912-1913.

[2]薛明,胡艳.多车场满载车辆路径优化算法探究[J].信息通信,2015(11): 27-28.

[3]何军乐,薛飞,张炜.EPE隔振系统对车载运输物品易损件响应的影响[J].包装工程,2015,36(10): 13-17.

[4]李凡近.论车辆运输的安全管理[J].大众科技,2012,14(5):233-234,196.

[5]侯远超,施明智.现代物流运输智能车载终端设计[J].广西轻工业,2009(4): 70-71.

[6]丁彩红,况云峰.基于Solidworks的零件建模的若干方法[J].机械设计与制造,2006(5): 74-75.

[7]邵磊磊,陶晔,陈超,张婕.基于SolidWorks和MIDAS的变位机虚拟样机设计与有限元分析[J].机械设计与制造工程,2014,43(6): 33-36.

[8]周基,芮勇勤,谭勇.基于Solidworks建模技术的工程有限元仿真分析[J].中外公路,2010,30(6): 187-189.

[9]蒲泓全,贾军营,张小娇,等.ZigBee网络技术研究综述[J].计算机系统应用,2013,22(9): 6-10.

[10]樊锐,李茹,王绩一.蓝牙/ZigBee无线网络传输系统的设计与实现[J].计算机技术与发展,2013(1): 209-213.