基于無線通信的地鐵車廂環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計

徐屹東　裴永琨　邱夢迪　馬曉瑩　毛玉瑩　龍章勇

摘要：該文介紹了Zigbee無線通信技術(shù)在地鐵車廂環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用。該監(jiān)測系統(tǒng)將傳感技術(shù)、定位技術(shù)、遠程無線傳輸技術(shù)相結(jié)合，通過溫濕度、光敏、煙霧等傳感模塊實時監(jiān)測地鐵車廂內(nèi)部環(huán)境，之后通過Zigbee模塊接收監(jiān)測信息，再通過無線發(fā)送至對端Zigbee?？?，實現(xiàn)對車廂環(huán)境的遠程智能監(jiān)控，為地鐵的安全運營提供了一套低成本、高效性的解決方案。

關(guān)鍵詞：傳感監(jiān)測；無線數(shù)據(jù)傳輸；遠程智能控制

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）18-0033-02

1 引言

隨著我國軌道行業(yè)的發(fā)展，越來越多的城市開始建造地鐵，地鐵行業(yè)不同于國鐵，如何對車廂環(huán)境進行監(jiān)測以及及時將監(jiān)測信息反饋，在研究發(fā)展地鐵安全方面具有重要的理論意義和實際意義。如今，眾多的地鐵公司過分依賴人工管理，人工管理的缺點在于其要投入大量的人力資源和管理精力，同時采集到的信息與指揮中心無法做到雙向同步，在傳輸?shù)倪^程中環(huán)境數(shù)據(jù)差錯率較高，自動化以及智能化管理水平低等問題。進入了21世紀，在網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、無線通信傳感技術(shù)、遠程多功能智能化自動控制技術(shù)飛速發(fā)展的時代，如何實現(xiàn)地鐵車廂環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)智能化管理已經(jīng)成為當下國家和很多地鐵公司所關(guān)注的核心。

本文重點介紹了基于Zigbee無線通信技術(shù)的地鐵車廂環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與制作，同時針對數(shù)據(jù)信息傳輸中的地鐵車廂環(huán)境控制，將遠程定位技術(shù)、傳感檢測技術(shù)、遠程無線傳輸技術(shù)相結(jié)合，通過溫濕度，光照強度和煙霧傳感監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測并反饋地鐵車廂的內(nèi)部環(huán)境，通過CC2530模塊構(gòu)建一定的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，實現(xiàn)小型局域網(wǎng)的搭建，通過單片機處理反饋信息并且產(chǎn)生控制輸出，從而實現(xiàn)對貨車環(huán)境的遠程智能控制。實現(xiàn)地鐵車廂環(huán)境的實時監(jiān)測和控制中心數(shù)據(jù)的同步傳輸。減少了管理人員的人工工作量，節(jié)約了勞動力，同時使管理人員可以對地鐵車廂進行實時的遠程智能監(jiān)測，提高了工作效率，確保了工作質(zhì)量，并且可用在各種環(huán)境中，兼容性強，具有一定的商業(yè)價值和適當?shù)耐卣箍臻g。

2系統(tǒng)組成

數(shù)據(jù)采集和系統(tǒng)控制是本系統(tǒng)的兩大組成部分。數(shù)據(jù)采集部分由三個傳感器組成：溫濕度傳感器、光照強度傳感器以及煙霧報警傳感器。這三個傳感模塊構(gòu)成了一體化的傳感監(jiān)測系統(tǒng)，ZigBee模塊接收到采集系統(tǒng)采集到的溫濕度、光照強度、煙霧濃度等環(huán)境數(shù)據(jù)信息并對其進行處理和分析，產(chǎn)生輸出控制信號，觸發(fā)相應(yīng)的開關(guān)量動作，同時利用天線將環(huán)境信息通過無線傳輸發(fā)送至對端ZigBee模塊，對端接收信息并將其在連接的顯示屏上實時顯示，方便查看和分析。

圖1 基于無線通信環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)框圖

3主要功能實現(xiàn)過程

3.1傳感器監(jiān)測功能

在環(huán)境監(jiān)測控制設(shè)計方面，考慮到地鐵車廂的實際因素，將溫度、濕度、光照、煙霧濃度等參數(shù)作為環(huán)境監(jiān)測的重要對象。傳感器的作用是將現(xiàn)實世界的非電量轉(zhuǎn)化為可測量的電信號，因此系統(tǒng)中傳感器便是通過這一原理，將所選用的傳感器的信號調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)換電路及其輔助電源做成一體，并且集成在一個芯片進行外殼包裝，這樣便具有了靈敏度高、分辨力強、穩(wěn)定性高、精度高、使用方便、集成度高等優(yōu)點。

3.2無線傳輸功能

CC2530F256芯片以及周圍的電路構(gòu)成ZigBee模塊的核心。CC2530是用于2.4-GHzIEEE 802.15.4、ZigBee 和RF4CE 應(yīng)用的一個真正的片上系統(tǒng)（SoC）解決方案。它能夠以較低的材料成本建立足夠的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。本系統(tǒng)無線傳輸?shù)脑硎前l(fā)送端（TX）通過與各傳感器相連，傳感器監(jiān)測周圍環(huán)境，將環(huán)境中的非電量轉(zhuǎn)化為電信號傳至本端的ZigBee模塊，本端的ZigBee模塊對其進行分析，通過模塊天線傳輸至接收端（RX），接收端連接PC，PC端通過解析串口數(shù)據(jù)達到讀取與顯示目的。

4測試結(jié)果

4.1 ZigBee模塊（CC2530芯片）調(diào)試

兩個ZigBee模塊安裝好以后，一段作為接收端（RX）與PC相連，PC端打開串口調(diào)試助手；另一端ZigBee模塊作為采集器連接溫濕度傳感器，光照強度傳感器，煙霧報警器，通過USB口與PC相連，作為發(fā)送端（TX）。（注：這里發(fā)送端用USB口連接只是起到供電的作用，因為煙霧傳感器需要5V供電，其余傳感器則需要3.3V供電）這個時候的傳感器會實時監(jiān)測周圍環(huán)境的變化，同時采集周圍環(huán)境的數(shù)據(jù)，傳感器采集到的數(shù)據(jù)將會被發(fā)送到ZigBee模塊，發(fā)送端的ZigBee模塊通過天線將數(shù)據(jù)無線傳輸至接收端的ZigBee模塊，之后接收端的ZigBee模塊將會對傳輸來的數(shù)據(jù)進行分析處理，之后通過與之相連PC端的串口調(diào)試助手顯示監(jiān)測量。

這里是三個站點顯示的參數(shù)，通過這次調(diào)試，可以發(fā)現(xiàn)環(huán)境信息已經(jīng)發(fā)送至接收端，同時說明兩端的ZigBee模塊均已正常工作。

4.2 PC端串口顯示調(diào)試

將發(fā)送端和接收端共計四個模塊連接好，確認各引腳連接無誤，接觸良好，上電開始工作。測試各模塊的各項功能，即站點名稱、溫度、濕度、光照強度、可燃氣體，觀察是否隨著環(huán)境量改變，其中改變光照強度和制造少量可燃氣體，觀察報警器是否報警。

4.3 傳感器數(shù)據(jù)采集調(diào)試

5結(jié)論

綜上所述，本系統(tǒng)基本完成了開題所需的功能，能實時監(jiān)測地鐵環(huán)境的變化，并通過無線傳輸至接收端實時監(jiān)控，保證了在地鐵運行途中的環(huán)境安全。但本系統(tǒng)仍然有許多不足，比如本系統(tǒng)只對溫濕度、光照、煙霧及可燃氣體等比較常見的環(huán)境量進行了監(jiān)測和分析，但在地鐵運行的過程中，有很多環(huán)境量在變化，具有一定的局限性。本系統(tǒng)使用的是ZigBee的模塊，雖然ZigBee模塊的CC2530芯片可以在一定的范圍內(nèi)構(gòu)建強大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，保證了數(shù)據(jù)傳輸時的安全和速率，同時比一般的無線通信方式經(jīng)濟。

參考文獻：

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