基于ZigBee技术高速动车组温湿度监测系统设计

2018-08-25王秋鹏

电子设计工程 2018年16期

王秋鹏

（西安铁路职业技术学院陕西西安710026）

在我国社会经济不断发展的过程中，高铁技术也在不断的进步和发展，在此过程中人们的生活水平和质量也在不断的提高，高速动车组也朝着自动、高速且舒适的方向发展，人们在乘坐列车过程中的安全性和舒适性也成为了人们出行的重点内容。在人们对乘车环境和质量需求量不断增大的过程中，其自我保护意识也在不断的提高。高速动车组在运行时候的车厢是封闭式的空间，要想使高速动车组车内的乘坐舒适，就要保证车内环境的良好性。对列车乘坐舒适性影响的主要因素较为复杂，比如车内的光亮、振动、温度、湿度、噪声、气压及空气质量等，对这些因素在影响人们乘坐舒适性的过程中进行研究，能够对现代高速列车是否能够满足人们乘车舒适性需求提供了基础，对高速动车组温湿度监测系统的研究尤为重要。

1 系统的总体方案设计

1.1 系统的总体结构

本文将高速动车组作为研究对象进行研究，提出以ZigBee技术为基础的高速动车组温湿度监测系统。系统将单片机作为微控制器，将MC12532作为射频收发芯片，将SHT作为温湿度传感器的系统硬件核心，从而创建高速动车组温湿度监测系统[1]。

在ZigBee无线通信网络中，终端设备的主要目的就是负责数据收集，节点之间无法通信，设备信息也无法进行转发。不同路由节点都具备终端设备节点，其主要目的就是能够实现相应数据的转发。协调器节点在上位机管理中心处，其能够进行无线网络的维护和管理。路由器节点中存在温湿度传感器，其能够实现节点温湿度数据的收集[2]。图1为基于ZigBee技术的高速动车组温湿度监测系统的设计方案。

图1 基于ZigBee技术的高速动车组温湿度监测系统的设计方案

温湿度监测系统的主要功能包括：

其一，实现数据的实时收集。上位机监控界面能够设置数据的采样时间间隔，实现数据收集及发送的启动或者停止，并且对数据进行实时收集；

其二，实现数据的实时显示和分析处理。在协调节点接收到其中测点温湿度数据之后，能够利用串口通信实现上位机转发，上位机界面能够显示温湿度数字和图形，并且还能够分析温湿度数据并且对其进行计算，以此得到良好的数据[3]；

其三，对数据保存过程中的温湿度最大值、平均值和最小值进行查看；

其四，对数据保存过程中的温湿度数据结果和曲线进行查看[4]。

1.2 ZigBee协调器节点

在设计的系统中，ZigBee协调器节点能够实现ZigBee无线通信网络的管理，并且还能够接受从不同终端设备和路由器等节点中的温湿度数据，之后转发到上位机中全面处理。其中心节点为协调器，在网络中具有重要的作用。图2为协调器节点和路由器节点，其中的大圆为协调器无线信号覆盖的范围，并且路由器能够和协调器相互的通信。但是在这个范围之外的节点要想和协调器节点进行通信，就要通过与其他路由器节点通过多条传输方式实现[5]。

图2 协调器节点和路由器节点连接

1.3 上位机监控界面

本文设计的系统主要通过图像化编程语言实现上位机监控系统的设计，并且还能够对系统参数进行设置。对检测点温湿度数据进行收集及处理，之后将结果转化成为用户能够方便观察和查询的信息。为了能够实现协调器和上位机之间的相互通信，计算机串口参数等于协调器穿口参数，上位机监控界面具有系统功能设置、系统控制和检测等功能[6]。

2 系统的硬件设计

系统的硬件模块控制核心为C82621，其能够和射频收发芯片MC之间通过串行外部设备接口进行通信，和温湿度传感器利用相应接口得到温湿度数据，利用串行接口和上位机进行相互通信[7]，图3为系统硬件设计的框图。

图3 系统硬件设计的框图

使用MC射频收发芯片，其具有较为完整的标准物理层调制解调器，从而人实现规定星状、点对点及网状网络通信，MC收发器实现了功率放大器、低噪声放大器、稳定器、电压控制振荡器的集成，能够利用编程实现可选通道及通道的数据传输。

温湿度传感器的型号为SHT，其是一种现代化的精密传感器芯片。芯片封装使用包塑成型技术，其能够有效抵抗周围环境及抗老化的优点，从而有效保障产品长期的稳定性[8]。

气体湿度都是根据温度决定的，在对湿度进行测量的进行测量的过程中，要尽可能的保证对同时间的湿度传感器在同温度进行测量，在设计电路的时候要使用一定的措施降低热传递影响。所以，要在印刷电路板附近设计铣削狭缝，从而有效降低热传递。图4为传感器印刷线路板的设计图。在无线通信过程中，天线具有重要的作用。在其工作过程中，无线具有较小的尺寸，能够直接设置到印刷电路板中，通过天线进行配置的成本较低，效果良好[9]。图5为双天线的设计原理。

图4 传感器印刷线路板的设计图

图5 双天线的设计图

3 系统的软件设计

3.1 无线网络设计

在无线网络设置过程中的重点部分主要包括上位机监控和无线网络。无线网络的设计又分为终端、协调器和路由器3者，其系统的核心内容主要为协调器，在系统运行中作用作为重要，能够实现网络数据的分析和处理，还能够对网络数据进行管理。系统在运行过程中，首先实现系统硬件和软件的初始化，使RF及MCU收发器能够利用能量扫描搜索频段的范围，自身的信道为能量扫描过程中较弱的信道，如果在网络中有节点想要接入，那么协调器就要根据自身实际情况实现网络分配，在允许条件下路由器就能够汇入终端设备和网络流程。如果外来系统想要和网络连接，那么就要等待数据传送，路由器在此过程中的目的是实现协调器和终端数据的相互传输。网络中的终端设备能够根据程序数据收集时间到达数据采集时间就会自动中断，在所有工作都做完之后自我休眠。图6为协调器流程图[10-11]，图7为路由器流程图。

图6 协调器流程图

3.2 软件接口设计

本文提供的接口方式主要包括3种，以此能够使系统中的应用程序能够和系统各层之间的信息能够相互交换，应用程序能够使用服务原语对MAC层发送命令，还能够利用接口实现信息的接受和确认。系统中的3个接口具备6个服务访问点，呈现方式为C语言函数[12-13]，表1为服务访问点的名称和功能。

3.3 设计上位机软件

在设计本文系统过程中，使用图像化编程语言实现上位机监控界面的设计，以此能够对整个系统的检测点进行数据收集、实现参数的设置和数据分析处理，实现各收集点IEE号和温湿度数据的收集。并且PC机和无限收集模块与串行通信之前，要使串口参数等于无线收发模块，从而能够实现系统各层之间的正常通信[14]。

图7 路由器流程图

表1 服务访问点的名称和功能

4 系统的实验

温湿度都是缓慢变化变化，根据相应规定中对温湿度规定的监测检验的方式，每5 s数据收集以此，每5 min对数据进行分析，使用此时间段中的数据有效值实现温湿度舒适度的衡量，并且将数据的规律进行统计。图8为高速动车组监测点6分钟之内温湿度数据的测试结果，根据温湿度的舒适度等级对标准进行划分，能够看到此测点处温湿度分别为25.45℃和67.56%RH，温度舒适度为非常舒适，湿度舒适度为还算舒适[15-16]。