基于ZigBee的接觸網(wǎng)無線溫度監(jiān)控系統(tǒng)

蔣 濤 ，田廣闊 ，湯鈺鵬 ，王保華

（1.濟南鐵路局職教處，山東濟南250001；2.北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，北京100044）

隨著軌道交通事業(yè)的飛速發(fā)展，鐵路接觸網(wǎng)供電對安全性和可靠性的要求也越來越高。在列車提速過程中，大電流的使用越來越廣泛。由于大電流的存在，電流引起的溫度過高致線路損壞問題非常顯著，因此有必要對接觸網(wǎng)的線夾連接處進行溫度監(jiān)測。線夾連接點的數(shù)目眾多，且分布不規(guī)律。傳統(tǒng)的有線傳輸溫度的方式因布線不便、功耗較大，不適合接觸網(wǎng)測溫的場合。目前無線傳輸溫度的方式是接觸網(wǎng)環(huán)境下測溫的理想選擇。溫度無線傳輸依賴于無線通信技術(shù)。無線通信技術(shù)中廣泛使用的是ZigBee技術(shù)。Zigbee以強大的組網(wǎng)能力與低功耗、低成本、短時延、安全可靠等性能，在眾多無線通信技術(shù)中脫穎而出，成為無線測溫系統(tǒng)的核心。結(jié)合接觸網(wǎng)的工程實際，本文設(shè)計出基于ZigBee的無線溫度采集系統(tǒng)，為接觸網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行保駕護航。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

ZigBee傳輸網(wǎng)絡(luò)有星狀、樹狀、網(wǎng)狀等3種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌鐖D1所示。星狀拓?fù)涫亲詈唵蔚耐負(fù)浣Y(jié)構(gòu)，它由一個協(xié)調(diào)器和一系列終端節(jié)點構(gòu)成，每一個終端節(jié)點只能和協(xié)調(diào)器進行數(shù)據(jù)通信。節(jié)點之間數(shù)據(jù)路由途經(jīng)唯一，可由IEEE 802.15.4的協(xié)議層實現(xiàn)其功能。樹狀網(wǎng)絡(luò)包括一個協(xié)調(diào)者、一系列路由器和終端節(jié)點構(gòu)成，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)多個層級的傳輸。網(wǎng)狀拓?fù)渑c樹狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)類似，但有更加靈活的信息路由規(guī)則。出于對成本和功耗的考慮，工程實踐中選擇的是星狀網(wǎng)拓?fù)洹Ｐ菭罹W(wǎng)的終端節(jié)點負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)并傳送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)接收終端節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)，并與監(jiān)控終端通信。

圖1 ZigBee傳輸網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

實際設(shè)計的整體測溫結(jié)構(gòu)以星狀網(wǎng)拓?fù)錇榛灸Ｐ?，并由一個協(xié)調(diào)器和若干測溫點組建無線溫度傳輸網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)處在正常運行狀態(tài)時，首先測量點進行溫度檢測，繼而將溫度值無線傳輸至協(xié)調(diào)器。監(jiān)控終端通過串行口協(xié)議訪問協(xié)調(diào)器，獲取溫度值，然后主控芯片使能LCD將溫度值顯示出來。整體運行框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)整體運行框圖

2 硬件設(shè)計

2.1 測溫裝置的設(shè)計

測溫裝置采用模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計，由主控制器與射頻模塊、T730溫度傳感器模塊、電源模塊構(gòu)成，最后對各個模塊進行集成化處理，并集中在一塊電路板上，最終通過外殼包裝形成可以固定在接觸網(wǎng)上的裝置。測溫裝置的功能是進行溫度值的實時采集處理和無線傳輸。測溫裝置硬件網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D3所示。

圖3 測溫裝置硬件網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

2.1.1 主控制器與射頻模塊

該模塊以CC2530射頻芯片為核心。CC2530是基于ZigBee/IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的新一代SoC芯片，用以將協(xié)調(diào)器和一系列測溫點聯(lián)系起來，進而組建成傳感器網(wǎng)絡(luò)。CC2530嵌入標(biāo)準(zhǔn)的增強型805l CPU和工作頻段為2.4 GHz的RF收發(fā)器，包含定時器、串口、A/D轉(zhuǎn)換器等豐富的資源。CC2530憑借其組網(wǎng)能力、無線通信能力、抗干擾能力與低功耗、高靈敏度等卓越的性能，成為接觸網(wǎng)無線測溫系統(tǒng)的理想選擇。CC2530的電路原理圖如圖4所示。

2.1.2 傳感器模塊

T730溫度傳感器為數(shù)字型溫度傳感器，直接輸出的是數(shù)字量，它是通過IIC協(xié)議與CPU通信，使得溫度值的獲取和處理極大簡化。T730溫度傳感器感應(yīng)的溫度范圍為-40～150°C，能夠測量的溫度上限較大，適合接觸網(wǎng)環(huán)境下的溫度測量。此外，傳感器的誤差范圍為±2.5°C，精度也滿足要求。

2.1.3 電源模塊

在電子類產(chǎn)品中，電源對系統(tǒng)的正常運行有著至關(guān)重要的作用。電源模塊的設(shè)計要求其具有安全、節(jié)能、可靠、穩(wěn)定等性能的要求。本裝置的電源設(shè)計在考慮常規(guī)的性能基礎(chǔ)上，更著重于節(jié)能環(huán)保理念。電源模塊不需要電池供電，其能量來源為電磁收集能。測溫裝置直接安裝在接觸網(wǎng)的線纜上，內(nèi)置原邊線圈和副邊線圈，通過電磁感應(yīng)原理獲得能量。這樣的設(shè)計使測溫裝置靈敏可靠、節(jié)能環(huán)保，且不需要更換電池，維護周期長，非常適合于接觸網(wǎng)環(huán)境。

2.2 協(xié)調(diào)器的設(shè)計

協(xié)調(diào)器由主控芯片和無線通信模塊構(gòu)成，負(fù)責(zé)整個無線網(wǎng)絡(luò)的組建、管理。協(xié)調(diào)器是ZigBee數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)的中心，通過串行口協(xié)議與監(jiān)控終端進行通信。監(jiān)控終端以STM32為主控芯片，負(fù)責(zé)溫度值的處理與顯示。通信時，STM32的RX接CC2530的TX，STM32的TX接CC2530的RX，STM32的GND接CC2530的GND。其硬件網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D5所示。

3 軟件設(shè)計

3.1 測溫點的設(shè)計

測溫節(jié)點程序流程如下：首先上電復(fù)位，初始化T730、無線通信協(xié)議棧、CC2530的看門狗、定時器等。之后在整個網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)搜索協(xié)調(diào)器，收到響應(yīng)后對協(xié)調(diào)器發(fā)送連接請求，請求得到正確的響應(yīng)，表示入網(wǎng)成功，獲得16位的網(wǎng)絡(luò)短地址。收到協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)傳輸請求后，在SCMA-CA機制下，通過競爭到的信道向協(xié)調(diào)節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集的時間間隔為10秒，發(fā)送的同時開啟睡眠定時器。數(shù)據(jù)發(fā)送在發(fā)送函數(shù)里完成，函數(shù)里包含應(yīng)用層（APL）與下層之間的參數(shù)和數(shù)據(jù)傳遞的算法。在算法中，先自頂而下將數(shù)據(jù)包幀格式化，然后添加數(shù)據(jù)包頭，在PHY層將數(shù)據(jù)發(fā)送。此外，還可以設(shè)計一個標(biāo)識字，用以判斷發(fā)送是否成功。為降低功耗，測溫點的數(shù)據(jù)發(fā)送成功后立即進入睡眠狀態(tài)。同時測溫點的數(shù)據(jù)存儲單元有自動保存數(shù)據(jù)的功能。監(jiān)控終端可以在任何時候訪問保存的數(shù)據(jù)。流程圖如圖6所示。

圖4 CC2530電路原理圖

圖5 協(xié)調(diào)器的硬件網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

圖6 測溫點流程圖

3.2 協(xié)調(diào)器的設(shè)計

系統(tǒng)上電后，首先初始化硬件和協(xié)議棧，之后掃描信道進行網(wǎng)絡(luò)查詢。當(dāng)有測溫點發(fā)送入網(wǎng)請求時，讀取其地址并將地址保存在地址表中，然后協(xié)調(diào)器向測溫點發(fā)送確認(rèn)信息，建立連接，之后系統(tǒng)進入工作模式。協(xié)調(diào)節(jié)點收集測溫點信息，對信息進行數(shù)據(jù)包處理，獲取溫度值真值，然后通過串口發(fā)送給監(jiān)控終端。流程圖如圖7所示。

4 結(jié)論

基于ZigBee技術(shù)的無線測溫系統(tǒng)可實時對接觸網(wǎng)的溫度敏感點進行監(jiān)測。測溫裝置小巧靈活，自由地分布在接觸網(wǎng)上，可建立嚴(yán)密的溫度監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。其作為無源設(shè)備，只需安裝好即可使用，維護簡單，環(huán)境適應(yīng)性強。此系統(tǒng)將很好地服務(wù)于接觸網(wǎng)供電系統(tǒng)，并且有效地減少大電流作用下的線夾連接點過熱或燒損故障，成為保護接觸網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的強有力防線。

圖7 協(xié)調(diào)器流程圖

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