基于ZigBee技術(shù)高速動車組溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

王秋鵬

（西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院陜西西安710026）

在我國社會經(jīng)濟不斷發(fā)展的過程中，高鐵技術(shù)也在不斷的進步和發(fā)展，在此過程中人們的生活水平和質(zhì)量也在不斷的提高，高速動車組也朝著自動、高速且舒適的方向發(fā)展，人們在乘坐列車過程中的安全性和舒適性也成為了人們出行的重點內(nèi)容。在人們對乘車環(huán)境和質(zhì)量需求量不斷增大的過程中，其自我保護意識也在不斷的提高。高速動車組在運行時候的車廂是封閉式的空間，要想使高速動車組車內(nèi)的乘坐舒適，就要保證車內(nèi)環(huán)境的良好性。對列車乘坐舒適性影響的主要因素較為復(fù)雜，比如車內(nèi)的光亮、振動、溫度、濕度、噪聲、氣壓及空氣質(zhì)量等，對這些因素在影響人們乘坐舒適性的過程中進行研究，能夠?qū)ΜF(xiàn)代高速列車是否能夠滿足人們乘車舒適性需求提供了基礎(chǔ)，對高速動車組溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)的研究尤為重要。

1 系統(tǒng)的總體方案設(shè)計

1.1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

本文將高速動車組作為研究對象進行研究，提出以ZigBee技術(shù)為基礎(chǔ)的高速動車組溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)將單片機作為微控制器，將MC12532作為射頻收發(fā)芯片，將SHT作為溫濕度傳感器的系統(tǒng)硬件核心，從而創(chuàng)建高速動車組溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)[1]。

在ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)中，終端設(shè)備的主要目的就是負責(zé)數(shù)據(jù)收集，節(jié)點之間無法通信，設(shè)備信息也無法進行轉(zhuǎn)發(fā)。不同路由節(jié)點都具備終端設(shè)備節(jié)點，其主要目的就是能夠?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。協(xié)調(diào)器節(jié)點在上位機管理中心處，其能夠進行無線網(wǎng)絡(luò)的維護和管理。路由器節(jié)點中存在溫濕度傳感器，其能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)點溫濕度數(shù)據(jù)的收集[2]。圖1為基于ZigBee技術(shù)的高速動車組溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計方案。

圖1 基于ZigBee技術(shù)的高速動車組溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計方案

溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)的主要功能包括：

其一，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時收集。上位機監(jiān)控界面能夠設(shè)置數(shù)據(jù)的采樣時間間隔，實現(xiàn)數(shù)據(jù)收集及發(fā)送的啟動或者停止，并且對數(shù)據(jù)進行實時收集；

其二，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時顯示和分析處理。在協(xié)調(diào)節(jié)點接收到其中測點溫濕度數(shù)據(jù)之后，能夠利用串口通信實現(xiàn)上位機轉(zhuǎn)發(fā)，上位機界面能夠顯示溫濕度數(shù)字和圖形，并且還能夠分析溫濕度數(shù)據(jù)并且對其進行計算，以此得到良好的數(shù)據(jù)[3]；

其三，對數(shù)據(jù)保存過程中的溫濕度最大值、平均值和最小值進行查看；

其四，對數(shù)據(jù)保存過程中的溫濕度數(shù)據(jù)結(jié)果和曲線進行查看[4]。

1.2 ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點

在設(shè)計的系統(tǒng)中，ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點能夠?qū)崿F(xiàn)ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)的管理，并且還能夠接受從不同終端設(shè)備和路由器等節(jié)點中的溫濕度數(shù)據(jù)，之后轉(zhuǎn)發(fā)到上位機中全面處理。其中心節(jié)點為協(xié)調(diào)器，在網(wǎng)絡(luò)中具有重要的作用。圖2為協(xié)調(diào)器節(jié)點和路由器節(jié)點，其中的大圓為協(xié)調(diào)器無線信號覆蓋的范圍，并且路由器能夠和協(xié)調(diào)器相互的通信。但是在這個范圍之外的節(jié)點要想和協(xié)調(diào)器節(jié)點進行通信，就要通過與其他路由器節(jié)點通過多條傳輸方式實現(xiàn)[5]。

圖2 協(xié)調(diào)器節(jié)點和路由器節(jié)點連接

1.3 上位機監(jiān)控界面

本文設(shè)計的系統(tǒng)主要通過圖像化編程語言實現(xiàn)上位機監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計，并且還能夠?qū)ο到y(tǒng)參數(shù)進行設(shè)置。對檢測點溫濕度數(shù)據(jù)進行收集及處理，之后將結(jié)果轉(zhuǎn)化成為用戶能夠方便觀察和查詢的信息。為了能夠?qū)崿F(xiàn)協(xié)調(diào)器和上位機之間的相互通信，計算機串口參數(shù)等于協(xié)調(diào)器穿口參數(shù)，上位機監(jiān)控界面具有系統(tǒng)功能設(shè)置、系統(tǒng)控制和檢測等功能[6]。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

系統(tǒng)的硬件模塊控制核心為C82621，其能夠和射頻收發(fā)芯片MC之間通過串行外部設(shè)備接口進行通信，和溫濕度傳感器利用相應(yīng)接口得到溫濕度數(shù)據(jù)，利用串行接口和上位機進行相互通信[7]，圖3為系統(tǒng)硬件設(shè)計的框圖。

圖3 系統(tǒng)硬件設(shè)計的框圖

使用MC射頻收發(fā)芯片，其具有較為完整的標準物理層調(diào)制解調(diào)器，從而人實現(xiàn)規(guī)定星狀、點對點及網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)通信，MC收發(fā)器實現(xiàn)了功率放大器、低噪聲放大器、穩(wěn)定器、電壓控制振蕩器的集成，能夠利用編程實現(xiàn)可選通道及通道的數(shù)據(jù)傳輸。

溫濕度傳感器的型號為SHT，其是一種現(xiàn)代化的精密傳感器芯片。芯片封裝使用包塑成型技術(shù)，其能夠有效抵抗周圍環(huán)境及抗老化的優(yōu)點，從而有效保障產(chǎn)品長期的穩(wěn)定性[8]。

氣體濕度都是根據(jù)溫度決定的，在對濕度進行測量的進行測量的過程中，要盡可能的保證對同時間的濕度傳感器在同溫度進行測量，在設(shè)計電路的時候要使用一定的措施降低熱傳遞影響。所以，要在印刷電路板附近設(shè)計銑削狹縫，從而有效降低熱傳遞。圖4為傳感器印刷線路板的設(shè)計圖。在無線通信過程中，天線具有重要的作用。在其工作過程中，無線具有較小的尺寸，能夠直接設(shè)置到印刷電路板中，通過天線進行配置的成本較低，效果良好[9]。圖5為雙天線的設(shè)計原理。

圖4 傳感器印刷線路板的設(shè)計圖

圖5 雙天線的設(shè)計圖

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

3.1 無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

在無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)置過程中的重點部分主要包括上位機監(jiān)控和無線網(wǎng)絡(luò)。無線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計又分為終端、協(xié)調(diào)器和路由器3者，其系統(tǒng)的核心內(nèi)容主要為協(xié)調(diào)器，在系統(tǒng)運行中作用作為重要，能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的分析和處理，還能夠?qū)W(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進行管理。系統(tǒng)在運行過程中，首先實現(xiàn)系統(tǒng)硬件和軟件的初始化，使RF及MCU收發(fā)器能夠利用能量掃描搜索頻段的范圍，自身的信道為能量掃描過程中較弱的信道，如果在網(wǎng)絡(luò)中有節(jié)點想要接入，那么協(xié)調(diào)器就要根據(jù)自身實際情況實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分配，在允許條件下路由器就能夠匯入終端設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)流程。如果外來系統(tǒng)想要和網(wǎng)絡(luò)連接，那么就要等待數(shù)據(jù)傳送，路由器在此過程中的目的是實現(xiàn)協(xié)調(diào)器和終端數(shù)據(jù)的相互傳輸。網(wǎng)絡(luò)中的終端設(shè)備能夠根據(jù)程序數(shù)據(jù)收集時間到達數(shù)據(jù)采集時間就會自動中斷，在所有工作都做完之后自我休眠。圖6為協(xié)調(diào)器流程圖[10-11]，圖7為路由器流程圖。

圖6 協(xié)調(diào)器流程圖

3.2 軟件接口設(shè)計

本文提供的接口方式主要包括3種，以此能夠使系統(tǒng)中的應(yīng)用程序能夠和系統(tǒng)各層之間的信息能夠相互交換，應(yīng)用程序能夠使用服務(wù)原語對MAC層發(fā)送命令，還能夠利用接口實現(xiàn)信息的接受和確認。系統(tǒng)中的3個接口具備6個服務(wù)訪問點，呈現(xiàn)方式為C語言函數(shù)[12-13]，表1為服務(wù)訪問點的名稱和功能。

3.3 設(shè)計上位機軟件

在設(shè)計本文系統(tǒng)過程中，使用圖像化編程語言實現(xiàn)上位機監(jiān)控界面的設(shè)計，以此能夠?qū)φ麄€系統(tǒng)的檢測點進行數(shù)據(jù)收集、實現(xiàn)參數(shù)的設(shè)置和數(shù)據(jù)分析處理，實現(xiàn)各收集點IEE號和溫濕度數(shù)據(jù)的收集。并且PC機和無限收集模塊與串行通信之前，要使串口參數(shù)等于無線收發(fā)模塊，從而能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)各層之間的正常通信[14]。

圖7 路由器流程圖

表1 服務(wù)訪問點的名稱和功能

4 系統(tǒng)的實驗

溫濕度都是緩慢變化變化，根據(jù)相應(yīng)規(guī)定中對溫濕度規(guī)定的監(jiān)測檢驗的方式，每5 s數(shù)據(jù)收集以此，每5 min對數(shù)據(jù)進行分析，使用此時間段中的數(shù)據(jù)有效值實現(xiàn)溫濕度舒適度的衡量，并且將數(shù)據(jù)的規(guī)律進行統(tǒng)計。圖8為高速動車組監(jiān)測點6分鐘之內(nèi)溫濕度數(shù)據(jù)的測試結(jié)果，根據(jù)溫濕度的舒適度等級對標準進行劃分，能夠看到此測點處溫濕度分別為25.45℃和67.56%RH，溫度舒適度為非常舒適，濕度舒適度為還算舒適[15-16]。

圖8 高速動車組監(jiān)測點溫濕度數(shù)據(jù)的測試結(jié)果

5 結(jié)束語

通過以上描述表示，控制高速動車組溫濕度具有重要的作用，能夠進一步提高高速動車組的舒適程度，還能夠有效促進我國高速動車組的持續(xù)發(fā)展。使用ZigBee設(shè)計高速動車組溫濕度的監(jiān)測，能夠為高速動車組舒適度的改進提供參考建議。