基于无线通信的地铁车厢环境监测系统开发设计

徐屹东　裴永琨　邱梦迪　马晓莹　毛玉莹　龙章勇

摘要：该文介绍了Zigbee无线通信技术在地铁车厢环境监测系统中的应用。该监测系统将传感技术、定位技术、远程无线传输技术相结合，通过温湿度、光敏、烟雾等传感模块实时监测地铁车厢内部环境，之后通过Zigbee模块接收监测信息，再通过无线发送至对端Zigbee模快，实现对车厢环境的远程智能监控，为地铁的安全运营提供了一套低成本、高效性的解决方案。

关键词：传感监测；无线数据传输；远程智能控制

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）18-0033-02

1 引言

随着我国轨道行业的发展，越来越多的城市开始建造地铁，地铁行业不同于国铁，如何对车厢环境进行监测以及及时将监测信息反馈，在研究发展地铁安全方面具有重要的理论意义和实际意义。如今，众多的地铁公司过分依赖人工管理，人工管理的缺点在于其要投入大量的人力资源和管理精力，同时采集到的信息与指揮中心无法做到双向同步，在传输的过程中环境数据差错率较高，自动化以及智能化管理水平低等问题。进入了21世纪，在网络通信技术、无线通信传感技术、远程多功能智能化自动控制技术飞速发展的时代，如何实现地铁车厢环境监测系统智能化管理已经成为当下国家和很多地铁公司所关注的核心。

本文重点介绍了基于Zigbee无线通信技术的地铁车厢环境监测系统的设计与制作，同时针对数据信息传输中的地铁车厢环境控制，将远程定位技术、传感检测技术、远程无线传输技术相结合，通过温湿度，光照强度和烟雾传感监测系统监测并反馈地铁车厢的内部环境，通过CC2530模块构建一定的网络节点，实现小型局域网的搭建，通过单片机处理反馈信息并且产生控制输出，从而实现对货车环境的远程智能控制。实现地铁车厢环境的实时监测和控制中心数据的同步传输。减少了管理人员的人工工作量，节约了劳动力，同时使管理人员可以对地铁车厢进行实时的远程智能监测，提高了工作效率，确保了工作质量，并且可用在各种环境中，兼容性强，具有一定的商业价值和适当的拓展空间。

2系统组成

数据采集和系统控制是本系统的两大组成部分。数据采集部分由三个传感器组成：温湿度传感器、光照强度传感器以及烟雾报警传感器。这三个传感模块构成了一体化的传感监测系统，ZigBee模块接收到采集系统采集到的温湿度、光照强度、烟雾浓度等环境数据信息并对其进行处理和分析，产生输出控制信号，触发相应的开关量动作，同时利用天线将环境信息通过无线传输发送至对端ZigBee模块，对端接收信息并将其在连接的显示屏上实时显示，方便查看和分析。

图1 基于无线通信环境监测系统框图

3主要功能实现过程

3.1传感器监测功能

在环境监测控制设计方面，考虑到地铁车厢的实际因素，将温度、湿度、光照、烟雾浓度等参数作为环境监测的重要对象。传感器的作用是将现实世界的非电量转化为可测量的电信号，因此系统中传感器便是通过这一原理，将所选用的传感器的信号调节与转换电路及其辅助电源做成一体，并且集成在一个芯片进行外壳包装，这样便具有了灵敏度高、分辨力强、稳定性高、精度高、使用方便、集成度高等优点。

3.2无线传输功能

CC2530F256芯片以及周围的电路构成ZigBee模块的核心。CC2530是用于2.4-GHzIEEE 802.15.4、ZigBee 和RF4CE 应用的一个真正的片上系统（SoC）解决方案。它能够以较低的材料成本建立足够的网络节点。本系统无线传输的原理是发送端（TX）通过与各传感器相连，传感器监测周围环境，将环境中的非电量转化为电信号传至本端的ZigBee模块，本端的ZigBee模块对其进行分析，通过模块天线传输至接收端（RX），接收端连接PC，PC端通过解析串口数据达到读取与显示目的。

4测试结果

4.1 ZigBee模块（CC2530芯片）调试

两个ZigBee模块安装好以后，一段作为接收端（RX）与PC相连，PC端打开串口调试助手；另一端ZigBee模块作为采集器连接温湿度传感器，光照强度传感器，烟雾报警器，通过USB口与PC相连，作为发送端（TX）。（注：这里发送端用USB口连接只是起到供电的作用，因为烟雾传感器需要5V供电，其余传感器则需要3.3V供电）这个时候的传感器会实时监测周围环境的变化，同时采集周围环境的数据，传感器采集到的数据将会被发送到ZigBee模块，发送端的ZigBee模块通过天线将数据无线传输至接收端的ZigBee模块，之后接收端的ZigBee模块将会对传输来的数据进行分析处理，之后通过与之相连PC端的串口调试助手显示监测量。

这里是三个站点显示的参数，通过这次调试，可以发现环境信息已经发送至接收端，同时说明两端的ZigBee模块均已正常工作。

4.2 PC端串口显示调试

将发送端和接收端共计四个模块连接好，确认各引脚连接无误，接触良好，上电开始工作。测试各模块的各项功能，即站点名称、温度、湿度、光照强度、可燃气体，观察是否随着环境量改变，其中改变光照强度和制造少量可燃气体，观察报警器是否报警。

4.3 传感器数据采集调试

5结论

综上所述，本系统基本完成了开题所需的功能，能实时监测地铁环境的变化，并通过无线传输至接收端实时监控，保证了在地铁运行途中的环境安全。但本系统仍然有许多不足，比如本系统只对温湿度、光照、烟雾及可燃气体等比较常见的环境量进行了监测和分析，但在地铁运行的过程中，有很多环境量在变化，具有一定的局限性。本系统使用的是ZigBee的模块，虽然ZigBee模块的CC2530芯片可以在一定的范围内构建强大的网络节点，保证了数据传输时的安全和速率，同时比一般的无线通信方式经济。

参考文献：

[1] 朱晓青.传感与检测技术[M].北京：清华大学出版社，2014.

[2] 陈永博.ZigBee无线传输模块的设计与应用研究[M].中国通信建设集团设计院有限公司第四分公司，2017.

[3] 李丽芬，郝鹏伟，王铭辉.基于ZigBee的环境监测系统设计[D].燕京理工学院，2016（14）.

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