基于ZigBee的高速动车组车内温湿度监测系统设计

2013-05-03庄华勇伍川辉

中国测试 2013年2期

庄华勇，伍川辉

（西南交通大学机械工程学院，四川成都 610031）

0 引言

近年来，我国的高速铁路事业飞速发展，多条高铁客运专线陆续开通。随着人们的生活水平日益提高，旅客对高铁乘坐舒适性的要求也与日俱增[1]。其中温湿度舒适度是衡量旅客乘坐舒适性的一个重要指标，温湿度监测系统能对列车运行过程中的温湿度实时监测，为分析车内温湿度现状、研究车内温湿度与舒适性的关系提供试验依据，对改善旅客乘坐舒适性起着重要的作用。以中国南车集团四方机车车辆厂的CRH2型高速动车组为例，列车采取8节车厢编组，全长204.9m，每节车厢两端均有电动门，使之成为独立空间[2]。本文介绍的基于ZigBee的温湿度监测系统采样点布置灵活，可在车内任意位置放置，数据传输要求每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息，建立起可靠的数据通信模式，解决了传统方式现场铺设线缆造成的车厢门不能关闭、距离受限、信号受电磁干扰而变得不稳定等问题，具有成本低、干扰小、传输稳定、安全性高等特点。

1 系统方案设计

监测系统的设计方案是以51单片机C8051F021为微控制器，通过SPI的接口方式与射频收发芯片MC13193相连，数字式温湿度传感器SHT21通过I2C接口方式与C8051F021通信传输温湿度数据。监测系统应用ZigBee无线网络技术采用树簇型拓扑结构实现数据的无线收发。树簇型网络中包括协调器、路由器节点和终端设备节点。终端设备完成温湿度数据的采集，并通过路由器节点转发至协调器，路由器节点完成数据的路由功能[3]。网络中只有一个协调器，协调器将所有的温湿度数据通过串口方式传输给上位机进行处理及显示。系统总体设计方案如图1所示。

图1 系统方案设计框图

2 硬件设计

C8051F021为硬件模块的控制核心，它与射频收发芯片MC13193之间的通信依靠4线串行外部设备接口（SPI）完成，与温湿度传感器SHT21之间通过I2C接口获取温湿度数据，通过RS232串行接口实现与上位机的通信，其硬件设计框图如图2所示。

2.1 硬件选取

微控制器（MCU）选用Silicon公司的C8051F021单片机，C8051F021是完全集成的混合信号系统级MCU芯片，具有64KB可在系统编程的Flash存储器和4352（4096+256）KB的片内RAM。自带所需的SPI、SMBus/I2C和两个UART串行接口。

图2 硬件设计框图

射频收发芯片选用Freescale公司的MC13193，包含完整的IEEE802.15.4标准物理层（PHY）调制解调器，用于支持IEEE802.15.4标准所规定的点对点、星状和网状网络通信。MC13193射频收发器集成了低噪声放大器、1.0mW功率放大器、电压控制振荡器、稳压器以及全扩频调制解调器，可通过编程实现在2.4GHz频段内16个可选通道中的1个通道传输数据[4]。

温湿度传感器选用SHT21，是一个全新设计的精密传感器芯片。配有电容式相对湿度传感器和能隙温度传感器，包含一个放大器、A/D转换器、OTP内存和数字处理单元。芯片封装采用包塑成型工艺，具有优异的抗老化和抵抗周围环境不良影响的特性，保证产品的长期稳定性。采用DFN3-0封装方式，占用空间小，便于直接焊接在印制板上。传感器经过完全标定，提供I2C数字接口，数字通信可大大降低功耗。

2.2 PCB板设计

气体的相对湿度，在很大程度上依赖于温度。测量湿度时，应尽可能保证所有测量同一湿度的传感器在同一温度下工作，设计电路时采取措施将热传递的影响减至最小。因此在印刷电路板SHT21附近处加入铣削狭缝设计，减小热传递。设计示意图如图3所示。

图3 传感器处印刷线路板设计示意图

在无线通信系统中，天线的作用非常重要。MC13193工作在2.4GHz，天线尺寸较小，可以直接制作在印刷电路板上，采用双天线配置，既有RX天线又有TX天线，成本低，效果好。设计时RX天线和TX天线分别绘制于印刷电路板上的顶层与底层，上下形成镜像对称，从接收输入引脚RFIN+、RFIN-和差动PA输出引脚PAO+、PAO-引出的天线也应在各自层上形成对称。双天线的设计原理如图4所示。在接收端，RX天线交流耦合到差动RFIN输入端，两个电容器随同电感器L1一起与网络匹配。电感器L2和L3通过一个电容器交流耦合接地，组成一个频率陷阱。在发送端，TX天线连接到差动PAO输出端，电感器L4和L5提供直流偏压到VDDA，但对于交流是隔离的[4]。

图4 天线设计原理图

3 软件设计

3.1 ZigBee无线网络程序设计

程序主要包括ZigBee无线网络和上位机监控界面两部分。以Keil作为单片机的集成开发环境，以图形化编程语言LabVIEW作为系统监控界面的设计。

图5 协调器流程图

ZigBee无线网络程序主要包括协调器、路由器、和终端设备设计。协调器作为整个网络的核心，起着至关重要的作用，主要实现网络的组建、管理、数据的处理等。工作过程是：上电后初始化软硬件，使能MCU和RF收发器，然后按照能量扫描方式不断搜索频段范围内的信道，选择其中能量最弱的信道标识为自己的信道。当有节点申请加入网络时，协调器便会分配一个网络地址给节点，构成新的网络[5-6]。协调器的程序流程如图5所示。

在树簇型网络中，路由器和终端设备都作为协调器的子节点。路由器节点和终端设备节点上电后首先进行初始化，其过程如协调器的初始化。初始化完后，子节点发送入网请求，路由器的入网流程如同终端设备。路由器入网成功后，则一直等待终端设备传输数据信号，接收到信号后，路由器则将温湿度数据无线传输给协调器。路由器主要负责协调器和终端设备间的可靠数据传输。终端设备入网成功后，根据程序中对数据采集时间间隔的设置，如果到了数据采集时间，终端设备进入中断，相应传感器进行数据采集、处理与传输，数据传输完后，进入休眠模式。路由器和终端设备子节点的程序流程如图6所示。

图6 路由器和终端设备流程图

图7 某测点测试结果图

3.2 上位机软件设计

高速动车组车内温湿度监测系统的上位机监控界面采用图形化的编程语言LabVIEW软件编写。实现对系统参数的设置、监测点数据的采集与处理,实时显示各采集点的IEEE号和温湿度数据。在进行PC机和无线采集模块串行通信前，首先配置好串口使计算机串口的各种参数设置与无线收发模块的串口参数保持一致，以能够正确的通信[7]。

3.2.1 系统设置

（1）用户可根据高速动车的常规要求或具体情况，设置温湿度的上限与下限，进行预警；

（2）设置高速动车温湿度监控系统温度、湿度的采样时间与次数；

（3）设置或修改进入温湿度监控系统的口令与密码；

（4）对温湿度监控系统中计算机的当前日期与时间校准，使监控数据与监控时间建立对应关系；

（5）温湿度监控系统数据存入存储介质，以便长期保存查询。

3.2.2 系统监测与控制

（1）控制各监测点温湿度数据采集的开始与停止；

（2）实时监测各测点的温湿度现状、温湿度舒适度，以图形和数字方式实时显示；

（3）控制是否保存当前监测的温湿度数据；

（4）可查看保存数据时间段内的温湿度走势曲线及温湿度数据报表；

（5）可查看保存数据时间段内的温湿度数据的最高值、最低值和平均值等。