鐵路計(jì)量專用無線溫濕度記錄系統(tǒng)研究

劉偉棟 上海鐵路局科研所

鐵路計(jì)量實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫濕度控制與管理是影響鐵路計(jì)量器具檢定質(zhì)量的重要因素，為保證日常檢定工作的順利進(jìn)行，需要解決的問題是如何加強(qiáng)對檢定環(huán)境溫度與濕度的監(jiān)測，如果溫度超出規(guī)定范圍不但會對測量數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響，而且如果這種變化未被察覺還會造成嚴(yán)重的測量數(shù)據(jù)錯誤導(dǎo)致檢定數(shù)據(jù)無效的發(fā)生。某些對檢定環(huán)境溫濕度要求很高的計(jì)量器具（如長度的兩米測長機(jī)），如果檢定時溫度沒有達(dá)到規(guī)程的要求或在檢定的過程中溫度的波動發(fā)生了較大的變化，就會使檢定的數(shù)據(jù)出現(xiàn)較大的偏差。隨著鐵路事業(yè)的蓬勃發(fā)展，該系統(tǒng)具有一定的實(shí)用價值和廣泛的應(yīng)用前景。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

根據(jù)鐵路計(jì)量檢定規(guī)程和相關(guān)通用計(jì)量檢定規(guī)程開展檢定時的溫度、濕度和溫度每小時波動的要求，確定系統(tǒng)的溫度、濕度的測量范圍、準(zhǔn)確度和分辨率。

選擇專用的溫濕度傳感器、單片機(jī)、LED顯示模塊和無線發(fā)射模塊組成N個測量單元；選擇無線接收模塊和串口等組成數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)送器。系統(tǒng)總體框圖如圖1。

系統(tǒng)采用一個溫濕度傳感器對溫、濕度進(jìn)行分別測量。基于此設(shè)想裝置的基本工作原理是：溫濕度傳感器采集到信號送入單片機(jī)，由LED顯示器實(shí)時顯示環(huán)境的溫度、濕度，并通過無線數(shù)據(jù)傳輸模塊傳到上位機(jī)（PC機(jī)），通過Delphi軟件輸入用戶需設(shè)定的溫、濕度上下限和溫度每小時波動值，當(dāng)溫、濕度和溫度每小時波動超限時啟動報(bào)警裝置報(bào)警。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 溫濕度傳感器

SHT15是一種新型單片集成的溫濕度傳感器，外圍電路十分簡單，傳感器的數(shù)字輸出是通過數(shù)字接口直接連到微處理器上去，便于進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

SHT15是瑞士Sensirion公司推出的基于CMOSens技術(shù)的新型溫濕度傳感器，具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性。傳感器包括一個電容式聚合體測濕元件和一個能隙式測溫元件，并與一個14位的A/D轉(zhuǎn)換器以及串行接口電路在同一芯片上實(shí)現(xiàn)無縫連接。因此，該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價比極高等優(yōu)點(diǎn)。SHT15溫濕度傳感器系統(tǒng)框圖如圖2。

圖2 SHT15溫濕度傳感器系統(tǒng)框圖

SHT15測量精度高，采用片內(nèi)穩(wěn)壓電路使得測量精度不受電壓變化影響，溫度測量精度為±0.3℃(在25℃時)，濕度測量精度為±2%RH(20%～80%RH)。SHT15 功耗極低，2.4～5.5 V寬電壓供電，測量時電流550 μA，平均為28 μA，休眠時為3 μA。SHT15互換性好，不需要重新校正，方便后期系統(tǒng)維護(hù)。

2.2 單片機(jī)

STC12系列單片機(jī)是美國STC公司在8051單片機(jī)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)核結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上對芯片內(nèi)核進(jìn)行了較大改進(jìn)后推出的一個增強(qiáng)型的8051的單片機(jī)，具有很多很強(qiáng)的新功能。

STC 12LE5608AD系列單片機(jī)的主要性能是：工作電壓3.6 V～2.2 V，工作頻率范圍 0～35 MHz，用戶程序空間 8 k，片上集成了768字節(jié)RAM。

選擇此款單片機(jī)的理由是加密性強(qiáng)，無法解密；超強(qiáng)抗干擾；1個時鐘/機(jī)器周期，可用低頻晶振，大幅降低EMI；超低功耗；在系統(tǒng)可編程，無需編程器，無需仿真器，可遠(yuǎn)程升級。單片機(jī)引腳如圖3所示。

圖3 單片機(jī)引腳圖

2.3 LED顯示模塊

常見的數(shù)碼管由七個條狀和一個點(diǎn)狀發(fā)光二極管管芯制成，稱為七段數(shù)碼管（如圖4所示）。根據(jù)其結(jié)構(gòu)的不同，可分為共陽極數(shù)碼管和共陰極數(shù)碼管兩種。

圖4 七段數(shù)碼管原理圖

本系統(tǒng)采用的是LED數(shù)碼管。LED數(shù)碼管中各段發(fā)光二極管的伏安特性和普通二極管類似，只是正向壓降較大，正向電阻也較大。在一定范圍內(nèi)，其正向電流與發(fā)光亮度成正比。由于常規(guī)的數(shù)碼管起輝電流只有1～2 mA，最大極限電流也只有10～30 mA，所以它的輸入端在5 V電源或高于TTL高電平(3.5 V)的電路信號相接時，一定要串加限流電阻，以免損壞器件。

LED數(shù)碼管的主要特點(diǎn)如下：

(1)能在低電壓、小電流條件下驅(qū)動發(fā)光，能與CMOS、ITL電路兼容。

(2)發(fā)光響應(yīng)時間極短（＜0．1μs），高頻特性好，單色性好，亮度高。

(3)體積小，重量輕，抗沖擊性能好。

(4)壽命長，使用壽命在10萬小時以上，甚至可達(dá)100萬小時。成本低。

因此它被廣泛用作數(shù)字儀器儀表、數(shù)控裝置、計(jì)算機(jī)的數(shù)顯器件。

2.4 報(bào)警模塊

系統(tǒng)中設(shè)有狀態(tài)報(bào)警功能，以便提醒操作人員注意或采取措施。其方法就是把計(jì)算機(jī)采集的數(shù)據(jù)與該參數(shù)上下限可設(shè)定值進(jìn)行比較，如果高于上限值（或低于下限值）則進(jìn)行報(bào)警，否則就作為采樣的正常值，進(jìn)行顯示。

報(bào)警模塊由聲光報(bào)警電路構(gòu)成。分別采用三極管驅(qū)動蜂鳴器和高亮度發(fā)光二極管。當(dāng)某個傳感器節(jié)點(diǎn)的溫度或者濕度超過設(shè)定限時，單片機(jī)會發(fā)出報(bào)警信號。圖5是一個簡單的使用三極管驅(qū)動的蜂鳴音報(bào)警電路。

圖5 三極管驅(qū)動的峰鳴音報(bào)警電路

2.5 無線傳輸模塊

無線傳輸模塊負(fù)責(zé)與PC機(jī)進(jìn)行無線通信，發(fā)送溫濕度數(shù)據(jù)，該模塊功耗相對比較大。其中，采用的調(diào)制方式、發(fā)射功率等都是影響能量消耗的關(guān)鍵因素。為了使整個系統(tǒng)達(dá)到低功耗的設(shè)計(jì)意圖，我們選擇了ZigBee技術(shù)的無線通信模塊。

ZigBee技術(shù)是一種低功耗、低成本、低速率、近距離、高容量、高安全、免執(zhí)照頻段的雙向無線通信技術(shù)。工作頻率范圍是2.400～2.4865 GHz，采用直接序列擴(kuò)頻方式，數(shù)據(jù)速率達(dá)250 kbps。相鄰節(jié)點(diǎn)間傳輸范圍一般介于10～100 m之間，增加發(fā)射功率，可增加到l～3 km。本監(jiān)測系統(tǒng)采取的是星狀結(jié)構(gòu)，監(jiān)測中心節(jié)點(diǎn)為主節(jié)點(diǎn)，而傳感器節(jié)點(diǎn)為子節(jié)點(diǎn)。

本系統(tǒng)采用的是美國DIGI公司生產(chǎn)的一款ZigBee無線模塊，頻率：2.4 GHz，供電電壓：3.3V～3.4 V，傳輸最大距離：1.6 km，傳輸數(shù)據(jù)速率：1200～230400 bps，工作電流：295 mA（@3.3V，發(fā)送），45mA（@3.3V，接收）。

3 軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 下位機(jī)主要軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)用c語言編程，軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)程序設(shè)計(jì)方式，總體程序框圖如圖6所示。

圖6 總體程序流程圖

具體流程為：單片機(jī)上電復(fù)位，程序開始執(zhí)行，初始化單片機(jī)端口，為驅(qū)動溫濕度模塊、Zigbee模塊作準(zhǔn)備。初始化顯示模塊，用來顯示接收到的溫濕度數(shù)據(jù)。采集當(dāng)前的溫濕度數(shù)據(jù)，如果沒有采集到數(shù)據(jù)，或由于外界干擾導(dǎo)致讀取錯誤，則返回繼續(xù)讀取。采集到的溫濕度數(shù)據(jù)經(jīng)過相應(yīng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后送到Zigbee發(fā)送模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，Zigbee接收模塊接收溫濕度數(shù)據(jù)，如果沒有接收完，則繼續(xù)接收。接收完數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，傳送數(shù)據(jù)到顯示模塊進(jìn)行顯示。

3.2 系統(tǒng)主要界面設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集處理采用Delphi編程語言，完成對站點(diǎn)、日期、時間、溫濕度、溫濕度報(bào)警上下限、溫度每小時波動范圍的設(shè)定。溫度數(shù)據(jù)由SQL語言編寫的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行存儲，并按站點(diǎn)對溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

4 技術(shù)條件

整個系統(tǒng)由若干個無線傳感器節(jié)點(diǎn)和一個監(jiān)測中心節(jié)點(diǎn)組成。其中無線傳感器節(jié)點(diǎn)分布于需要測量的區(qū)域，對環(huán)境溫濕度進(jìn)行測量，然后通過ZigBee無線模塊將數(shù)據(jù)發(fā)射出去，并且可以通過開關(guān)選擇是否將溫濕度值用LED顯示。監(jiān)控中心節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)接收傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理，將各個傳感器節(jié)點(diǎn)的信息應(yīng)用軟件顯示在PC機(jī)上，并可以設(shè)定溫濕度的上下限值和溫度每小時波動值，超限時發(fā)出報(bào)警信號。

5 技術(shù)指標(biāo)與要求

依據(jù)JJG 874-2007《溫度指示控制儀檢定規(guī)程》和 JJF 1076-2001《濕度傳感器校準(zhǔn)規(guī)范》對鐵路計(jì)量檢測無線溫濕度記錄系統(tǒng)按系統(tǒng)確定的溫濕度測量范圍、準(zhǔn)確度和分辨率指標(biāo)進(jìn)行校準(zhǔn)。系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

6 結(jié)束語

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)合了高速鐵路的現(xiàn)代化發(fā)展方向，能滿足對鐵路計(jì)量檢定工作越來越高的要求。借助高精度的溫濕度傳感器，可以實(shí)時顯示計(jì)量實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的溫度和濕度，在溫濕度以及溫度每小時波動超限時發(fā)出聲光報(bào)警，并通過ZigBee無線傳輸技術(shù)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)測中心。作為一個低功耗、低成本、抗干擾性強(qiáng)的鐵路計(jì)量專用溫濕度記錄系統(tǒng)，隨著高速鐵路技術(shù)的成熟和發(fā)展，將成為現(xiàn)代計(jì)量部門環(huán)境溫濕度最理想的監(jiān)控、管理系統(tǒng)。