基于ZigBee的高速公路機(jī)電設(shè)備監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

李 通， 于軍琪， 周 建， 張燚雯

（1 西安建筑科技大學(xué)， 陜西西安 710055；2 電子科技大學(xué)，四川成都 611731）

0 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)和科學(xué)信息技術(shù)的迅速發(fā)展，高速公路機(jī)電設(shè)備的大型化、連續(xù)化、高速化和自動化在帶來效率提高、成本降低，能源節(jié)約的同時，設(shè)備故障的潛在可能性和方式也相應(yīng)增加。一旦發(fā)生故障，就有可能導(dǎo)致整個交通網(wǎng)的癱瘓，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失、重大的人員傷亡。高速公路機(jī)電設(shè)備投資大、技術(shù)復(fù)雜；分布的點(diǎn)多、線長、面廣、故障率高、修復(fù)時間緊、更新速度快，給管理與維護(hù)工作帶來了一定難度。因此，如何建立一套行之有效的機(jī)電設(shè)備管理與維護(hù)模式，是高速公路管理者關(guān)心的課題。一種好的無線監(jiān)測方式會使高速公路機(jī)電系統(tǒng)更快速、更有效地運(yùn)行，是有效防止因機(jī)電設(shè)施故障引發(fā)交通事故的直接措施，便于智能管理。對于機(jī)電設(shè)備的長期使用和提高設(shè)備的使用效率具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

1 高速公路機(jī)電系統(tǒng)的介紹

機(jī)電系統(tǒng)是發(fā)揮道路設(shè)施交通功能的主要輔助系統(tǒng)，是對高速公路實(shí)施現(xiàn)代化管理的主要工具，能幫助實(shí)現(xiàn)高速公路的實(shí)時管理以及數(shù)據(jù)管理。機(jī)電系統(tǒng)是包含多個子系統(tǒng)，以電子、電氣、控制、通信、機(jī)械和交通工程等技術(shù)為基礎(chǔ)的綜合性大系統(tǒng)，它由監(jiān)控、收費(fèi)、通信、照明、供配電和隧道安全運(yùn)行保障等子系統(tǒng)組成[1]。子系統(tǒng)內(nèi)部和各子系統(tǒng)間由通信網(wǎng)聯(lián)系，系統(tǒng)組成如圖1所示。其中，監(jiān)控和收費(fèi)系統(tǒng)大都為計算機(jī)控制系統(tǒng)，通過光纜數(shù)字通信連結(jié)成遠(yuǎn)程計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，各網(wǎng)絡(luò)間信息共享。

圖1 高速公路機(jī)電系統(tǒng)組成

2 基于ZigBee的機(jī)電監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

由于高速公路延伸長，機(jī)電設(shè)備分布相對比較集中，較多的機(jī)電設(shè)備都分布在收費(fèi)場地，高速公路進(jìn)出口，隧道等地方，這些地方各自的距離都相距較遠(yuǎn)。所以選擇在這些機(jī)電設(shè)備相對集中的地方建立無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，以數(shù)據(jù)為中心，將采集數(shù)據(jù)集中到現(xiàn)場中心，然后通過遠(yuǎn)距離無線傳輸方式傳送到高速公路監(jiān)控中心，如圖2所示。

圖2 高速公路監(jiān)控系統(tǒng)原理圖

收費(fèi)場監(jiān)控點(diǎn)、高架橋監(jiān)控點(diǎn)、隧道監(jiān)控點(diǎn)等其他分布在高速公路上的監(jiān)控點(diǎn)都是由無線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，在這樣一個監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中，是由很多個監(jiān)控節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，監(jiān)控節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集需要的數(shù)據(jù)，比如機(jī)電設(shè)備運(yùn)行的環(huán)境參數(shù)，或者某些關(guān)鍵電路板的供電電壓，運(yùn)行電流等，有很多分布在機(jī)電設(shè)備周圍的這樣的采集節(jié)點(diǎn)，這些采集節(jié)點(diǎn)將采集到的數(shù)據(jù)再上傳到無線網(wǎng)絡(luò)的匯集點(diǎn)，也就是協(xié)調(diào)中心，協(xié)調(diào)中心再通過遠(yuǎn)距離無線傳輸方式將本監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控中心，如圖3所示。

圖3 監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

采集節(jié)點(diǎn)是一個具有處理能力的微型節(jié)點(diǎn)，它具有一定的處理能力、存儲能力和通信能力。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，傳感器節(jié)點(diǎn)主要是采集自身配備的傳感器得到的信息，還能協(xié)同其他節(jié)點(diǎn)完成相關(guān)的任務(wù)。

監(jiān)測終端節(jié)點(diǎn)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[2]的基本單元，是構(gòu)成整個網(wǎng)絡(luò)的最基本的元素，節(jié)點(diǎn)穩(wěn)定是整個網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行可靠的最基本的保證。在本系統(tǒng)中，要求終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)獲取環(huán)境參數(shù)、對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理、路由響應(yīng)以及指令響應(yīng)等功能。節(jié)點(diǎn)上的傳感器主要是完成獲取設(shè)備運(yùn)行環(huán)境參數(shù)，比如溫度、濕度、壓力、振動等，并通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器把這些信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字的形式。節(jié)點(diǎn)上的微處理器則可以對模數(shù)轉(zhuǎn)換器得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理，封裝成統(tǒng)一的幀格式，并控制無線傳輸模塊的工作——信息傳輸部分及讀取接收信息；另外，節(jié)點(diǎn)上的電源部分也是節(jié)點(diǎn)設(shè)計的重點(diǎn)，因?yàn)榻K端節(jié)點(diǎn)一般是用電池供電，所以節(jié)省能耗是電源設(shè)計甚至是整個系統(tǒng)設(shè)計的重點(diǎn)。

傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計主要包含4個部分：傳感器模塊、微處理器模塊、無線收發(fā)器模塊以及電源模塊，如圖4所示。

圖4 監(jiān)測系統(tǒng)終端節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)

傳感器節(jié)點(diǎn)可以在一個節(jié)點(diǎn)上連接多種傳感器，同時監(jiān)測多種參數(shù)，也可以只用一個傳感器監(jiān)測一種參數(shù)。傳感器節(jié)點(diǎn)按其功能可以大致分為兩種：一種是用來監(jiān)測數(shù)據(jù)的，即用來獲取機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)；另一種是基點(diǎn)，就是兼顧路由功能。兩種節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)的主要功能不同，同時硬件設(shè)計也有一定的差異。

3 硬件設(shè)計

由于節(jié)點(diǎn)往往是用電池來供電，而且常期處于無人監(jiān)管的環(huán)境下工作，被安置在工作區(qū)域后，就少有人干預(yù)，所以節(jié)點(diǎn)的微處理器應(yīng)該滿足高穩(wěn)定性、低消耗以及小體積的原則。根據(jù)這個原則，本設(shè)計采用TI公司推出的單片、低功耗、多頻段、超高頻射頻芯片CC2530。

由于在高速公路機(jī)電設(shè)備的故障中，很大一部分表現(xiàn)為芯片故障或者線路故障，通常表現(xiàn)為電流急劇增大，而出現(xiàn)芯片故障的原因則通常因?yàn)榄h(huán)境因素的改變?nèi)鐪囟鹊龋员O(jiān)測終端節(jié)點(diǎn)往往會配備溫度傳感器與電流傳感器，由于CC2530自帶了溫度傳感器，所以下面介紹一下電流的監(jiān)測電路設(shè)計，

電流傳感器所依據(jù)的工作原理主要是霍爾效應(yīng)[5]，當(dāng)原邊導(dǎo)線經(jīng)過電流傳感器時，原邊電流I1會產(chǎn)生磁力線，原邊磁力線集中在磁芯周圍，內(nèi)置在磁芯氣隙中的霍爾電極可產(chǎn)生和原邊磁力線成正比的大小僅幾毫伏的電壓，電子電路可把這個微小的信號轉(zhuǎn)變成副邊電流I2，并存在以下關(guān)系式：

NP·I1=NS·I2

其中I1為初級電流，NP初級匝數(shù)，I2次級電流，NS次級匝數(shù)。 I2通常很小，只有100～400 mA。如果輸出電流經(jīng)過測量電阻RM，則可以得到一個與原邊電流成正比的大小為幾伏的輸出電壓信號，將電壓信號送到CC2530內(nèi)部進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換就可以算出原邊的電流。在本系統(tǒng)中，選用的電流傳感器為HBV025B，電路圖如圖5所示。

4 軟件設(shè)計

在整個系統(tǒng)中，監(jiān)測設(shè)備采用無線聯(lián)網(wǎng)方式，監(jiān)測設(shè)備之間采用ZigBee無線方式進(jìn)行信息的無線傳輸，通過芯片射頻部分組織無線自組織網(wǎng)絡(luò)[6]，由匯聚節(jié)點(diǎn)完成與基站（網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)）的通信。傳輸?shù)浆F(xiàn)場監(jiān)測中心點(diǎn)，從現(xiàn)場中心到管理中心采用Internet的方式，實(shí)現(xiàn)信息的遠(yuǎn)程交互。

圖5 電流監(jiān)測終端的電路設(shè)計

WEB管理系統(tǒng)是采用B/S結(jié)構(gòu)進(jìn)行開發(fā)的，這樣用戶可以通過瀏覽器進(jìn)行瀏覽操作[7]，本軟件系統(tǒng)是基于LAMP（Linux+Apache+Mysql+Perl/PHP/Python）[8]平臺開發(fā)完成的。

整個應(yīng)用系統(tǒng)的功能框圖如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)功能框圖

從框圖可以看出，整個系統(tǒng)分為4大模塊：設(shè)備管理、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)備份、管理員設(shè)置。

用戶在進(jìn)入系統(tǒng)前要進(jìn)行驗(yàn)證登陸，在如圖7所示的界面輸入用戶名和密碼，確定用戶是否有進(jìn)入系統(tǒng)的權(quán)利。

圖7 系統(tǒng)登陸界面

用戶登陸流程如圖8所示。

圖8 用戶登陸流程圖

用戶進(jìn)入系統(tǒng)登陸頁面后，輸入用戶名和密碼，經(jīng)過和數(shù)據(jù)庫的信息進(jìn)行比對，完全一致就進(jìn)入系統(tǒng)，進(jìn)行相關(guān)管理，如果出現(xiàn)不相符的狀況，就出現(xiàn)警告信息，要求用戶重新輸入，當(dāng)輸入次數(shù)超過3次時，鎖定該用戶，如果要解鎖賬號，需和系統(tǒng)管理員聯(lián)系，管理員經(jīng)過身份核對后，可以決定是否解鎖該賬號。

用戶登陸系統(tǒng)后，可以看到如圖9所示的畫面。

用戶進(jìn)入系統(tǒng)首先看到是一份使用說明，簡要介紹了系統(tǒng)的使用方法。右側(cè)是系統(tǒng)的導(dǎo)航欄，是系統(tǒng)的4大功能模塊的具體實(shí)現(xiàn)。

圖9 系統(tǒng)主視圖

（1）設(shè)備信息：列出所有設(shè)備的實(shí)時運(yùn)行狀況，也可以按條件列出設(shè)備信息，比如按設(shè)備名、類型、設(shè)備所在區(qū)域。

（2）添加設(shè)備：用戶可以添加設(shè)備，添加信息包括設(shè)備的設(shè)備名、設(shè)備類型、所在區(qū)域和詳細(xì)地點(diǎn)等。

（3）查找設(shè)備：可以按條件查找設(shè)備，將符合條件的所有設(shè)備列出來。在系統(tǒng)中可以按照設(shè)備名查找一個設(shè)備，也可以按照區(qū)域和類型查找，將某一區(qū)域和類型的設(shè)備都理出來，同樣可以按照設(shè)備的運(yùn)行狀況查找，將運(yùn)行正?；蜻\(yùn)行異常的設(shè)備列出來。

（4）設(shè)備運(yùn)行狀況：可以將某一設(shè)備、某一類型設(shè)備或者某一區(qū)域的設(shè)備在一段時間的運(yùn)行曲線繪制出來。

（5）問題設(shè)備：將出現(xiàn)問題的設(shè)備單獨(dú)列出來，可以盡快的發(fā)現(xiàn)問題設(shè)備，避免造成更加嚴(yán)重的問題。

（6）歷史數(shù)據(jù):在這里可以查看歷史記錄。

（7）數(shù)據(jù)備份及導(dǎo)入：用戶可以備份數(shù)據(jù)據(jù)庫里的所有信息，并且到處為EXCEL格式。

（8）用戶注冊：管理員可以在此添加新的用戶，如圖10所示，同上，后面帶有紅色星號的空格為必填項目。

圖10 添加用戶

（9）登陸日志：在登陸日志里記載了用戶登陸系統(tǒng)的時間、IP，還可以進(jìn)一步加入記錄用戶在系統(tǒng)中的操作信息，加強(qiáng)對用戶行為的管理，保障系統(tǒng)的安全，如圖11所示。

圖11 用戶登陸日志

5 實(shí)驗(yàn)研究

按照上述方案在室外搭建了一個短距離的實(shí)驗(yàn)平臺，沿途布置了100個采集節(jié)點(diǎn)，編號為T1,T2,…,T100。由于CC2530自帶溫度傳感器，所以每個節(jié)點(diǎn)都實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫度的采集，其中節(jié)點(diǎn)T100處安置了一臺可變檔800W/1200W/2000W的電暖器，T100采集電暖器運(yùn)行時的電流。為了觀察方便，在添加設(shè)備的時候并未添加所有的設(shè)備，只隨意添加20個設(shè)備再加上T100，然后點(diǎn)出獲取節(jié)點(diǎn)信息，在網(wǎng)頁平臺上可以立即觀察到添加的21個節(jié)點(diǎn)的環(huán)境信息。網(wǎng)頁1 min更新一次節(jié)點(diǎn)信息并自動保存，每隔20 min調(diào)節(jié)電暖器的檔位，依次是800 W，1 200 W，2 000 W，調(diào)出歷史數(shù)據(jù)，分別按順序取出10組來觀察，這里只列出T100的信息，如表1所示。

圖12反映了T100返回的10組數(shù)據(jù)的變化情況，從圖中可以看出，節(jié)點(diǎn)T100因?yàn)槭艿诫娕骷訜岬脑驕囟仍谥鸩缴仙硗?，在電暖器檔位變化時，電流也發(fā)生變化。同時，溫度和電流的變化也實(shí)時地反應(yīng)在網(wǎng)站上，驗(yàn)證了該方案的可行性。

表1 節(jié)點(diǎn)T100返回的數(shù)據(jù)信息

圖12 節(jié)點(diǎn)T100返回數(shù)據(jù)統(tǒng)計

6 結(jié)束語

本文介紹一種基于ZigBee技術(shù)的高速公路機(jī)電設(shè)備監(jiān)測系統(tǒng)。采用ZigBee技術(shù)組建監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，由傳感器+通訊模塊組成各個監(jiān)測終端，監(jiān)測終端采集的信息匯集在匯集點(diǎn)再通過遠(yuǎn)距離無線傳輸方式傳到遠(yuǎn)處的監(jiān)控中心，監(jiān)控中心利用基于LAMP平臺開發(fā)的B/S結(jié)構(gòu)應(yīng)用程序發(fā)布監(jiān)測數(shù)據(jù)，使用戶能夠通過訪問監(jiān)控網(wǎng)站直接觀察整個機(jī)電系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，并利用數(shù)據(jù)庫對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行保存。最后，通過搭建實(shí)驗(yàn)平臺驗(yàn)證了該方案的可行性。

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