基于ZigBee的接触网无线温度监控系统

2018-04-02田广阔汤钰鹏王保华

电子设计工程 2018年3期

蒋涛，田广阔，汤钰鹏，王保华

（1.济南铁路局职教处，山东济南250001；2.北京交通大学电气工程学院，北京100044）

随着轨道交通事业的飞速发展，铁路接触网供电对安全性和可靠性的要求也越来越高。在列车提速过程中，大电流的使用越来越广泛。由于大电流的存在，电流引起的温度过高致线路损坏问题非常显著，因此有必要对接触网的线夹连接处进行温度监测。线夹连接点的数目众多，且分布不规律。传统的有线传输温度的方式因布线不便、功耗较大，不适合接触网测温的场合。目前无线传输温度的方式是接触网环境下测温的理想选择。温度无线传输依赖于无线通信技术。无线通信技术中广泛使用的是ZigBee技术。Zigbee以强大的组网能力与低功耗、低成本、短时延、安全可靠等性能，在众多无线通信技术中脱颖而出，成为无线测温系统的核心。结合接触网的工程实际，本文设计出基于ZigBee的无线温度采集系统，为接触网的安全稳定运行保驾护航。

1 系统架构

ZigBee传输网络有星状、树状、网状等3种网络拓扑，如图1所示。星状拓扑是最简单的拓扑结构，它由一个协调器和一系列终端节点构成，每一个终端节点只能和协调器进行数据通信。节点之间数据路由途经唯一，可由IEEE 802.15.4的协议层实现其功能。树状网络包括一个协调者、一系列路由器和终端节点构成，可以实现数据多个层级的传输。网状拓扑与树状拓扑结构类似，但有更加灵活的信息路由规则。出于对成本和功耗的考虑，工程实践中选择的是星状网拓扑。星状网的终端节点负责采集数据并传送给协调器，协调器负责接收终端节点发来的数据，并与监控终端通信。

图1 ZigBee传输网络拓扑

实际设计的整体测温结构以星状网拓扑为基本模型，并由一个协调器和若干测温点组建无线温度传输网络。系统处在正常运行状态时，首先测量点进行温度检测，继而将温度值无线传输至协调器。监控终端通过串行口协议访问协调器，获取温度值，然后主控芯片使能LCD将温度值显示出来。整体运行框图如图2所示。

图2 系统整体运行框图

2 硬件设计

2.1 测温装置的设计

测温装置采用模块化的结构设计，由主控制器与射频模块、T730温度传感器模块、电源模块构成，最后对各个模块进行集成化处理，并集中在一块电路板上，最终通过外壳包装形成可以固定在接触网上的装置。测温装置的功能是进行温度值的实时采集处理和无线传输。测温装置硬件网络拓扑如图3所示。

图3 测温装置硬件网络拓扑

2.1.1 主控制器与射频模块

该模块以CC2530射频芯片为核心。CC2530是基于ZigBee/IEEE 802.15.4标准的新一代SoC芯片，用以将协调器和一系列测温点联系起来，进而组建成传感器网络。CC2530嵌入标准的增强型805l CPU和工作频段为2.4 GHz的RF收发器，包含定时器、串口、A/D转换器等丰富的资源。CC2530凭借其组网能力、无线通信能力、抗干扰能力与低功耗、高灵敏度等卓越的性能，成为接触网无线测温系统的理想选择。CC2530的电路原理图如图4所示。

2.1.2 传感器模块

T730温度传感器为数字型温度传感器，直接输出的是数字量，它是通过IIC协议与CPU通信，使得温度值的获取和处理极大简化。T730温度传感器感应的温度范围为-40～150°C，能够测量的温度上限较大，适合接触网环境下的温度测量。此外，传感器的误差范围为±2.5°C，精度也满足要求。

2.1.3 电源模块

在电子类产品中，电源对系统的正常运行有着至关重要的作用。电源模块的设计要求其具有安全、节能、可靠、稳定等性能的要求。本装置的电源设计在考虑常规的性能基础上，更着重于节能环保理念。电源模块不需要电池供电，其能量来源为电磁收集能。测温装置直接安装在接触网的线缆上，内置原边线圈和副边线圈，通过电磁感应原理获得能量。这样的设计使测温装置灵敏可靠、节能环保，且不需要更换电池，维护周期长，非常适合于接触网环境。

2.2 协调器的设计

协调器由主控芯片和无线通信模块构成，负责整个无线网络的组建、管理。协调器是ZigBee数据传输网络的中心，通过串行口协议与监控终端进行通信。监控终端以STM32为主控芯片，负责温度值的处理与显示。通信时，STM32的RX接CC2530的TX，STM32的TX接CC2530的RX，STM32的GND接CC2530的GND。其硬件网络拓扑如图5所示。

3 软件设计

3.1 测温点的设计

测温节点程序流程如下：首先上电复位，初始化T730、无线通信协议栈、CC2530的看门狗、定时器等。之后在整个网络范围内搜索协调器，收到响应后对协调器发送连接请求，请求得到正确的响应，表示入网成功，获得16位的网络短地址。收到协调器的数据传输请求后，在SCMA-CA机制下，通过竞争到的信道向协调节点发送数据。数据采集的时间间隔为10秒，发送的同时开启睡眠定时器。数据发送在发送函数里完成，函数里包含应用层（APL）与下层之间的参数和数据传递的算法。在算法中，先自顶而下将数据包帧格式化，然后添加数据包头，在PHY层将数据发送。此外，还可以设计一个标识字，用以判断发送是否成功。为降低功耗，测温点的数据发送成功后立即进入睡眠状态。同时测温点的数据存储单元有自动保存数据的功能。监控终端可以在任何时候访问保存的数据。流程图如图6所示。

图4 CC2530电路原理图

图5 协调器的硬件网络拓扑

图6 测温点流程图

3.2 协调器的设计

系统上电后，首先初始化硬件和协议栈，之后扫描信道进行网络查询。当有测温点发送入网请求时，读取其地址并将地址保存在地址表中，然后协调器向测温点发送确认信息，建立连接，之后系统进入工作模式。协调节点收集测温点信息，对信息进行数据包处理，获取温度值真值，然后通过串口发送给监控终端。流程图如图7所示。

4 结论

基于ZigBee技术的无线测温系统可实时对接触网的温度敏感点进行监测。测温装置小巧灵活，自由地分布在接触网上，可建立严密的温度监测网络。其作为无源设备，只需安装好即可使用，维护简单，环境适应性强。此系统将很好地服务于接触网供电系统，并且有效地减少大电流作用下的线夹连接点过热或烧损故障，成为保护接触网安全稳定运行的强有力防线。