基于ZigBee无线通信技术的城轨交通轴温监测系统研究
2020-03-06牛园园
牛园园
（江苏省徐州技师学院，江苏 徐州 221000）
1 ZigBee 无线通信技术概述
ZigBee是IEEE 802.15.4技术的商业名称[1]。近年来，ZigBee无线通信技术已经被广泛应用于各个领域，具有许多优点。当其用于睡眠模式时，传输功率仅为1 mW，能够在一定程度上达到节电能耗的作用，而且延迟较短，仅15 ms就能够在第一时间内激活睡眠工作状态，完成设备搜索任务，满足不同行业的基本需求[2]。
ZigBee的优势在于拥有较大的网络容纳能力，仅需要一个星型的ZigBee网络就能够承载254个子节点和1个主节点，而且在数据传输过程中通过碰撞避免模式，能够在一定程度上有效避免发生竞争和冲突，说明了ZigBee通信技术的可靠性[3-5]。此外，在安全方面ZigBee提供了一种循环冗余校验方法，通过AES-128数据信息的加密模式，使每一个数据信息均能够在一定程度上确定最佳属性。
2 基于ZigBee无线通信技术城轨交通轴温监测系统的总体设计
对基于ZigBee无线通信技术的城轨交通轴温监测系统而言，其主要由上位机和下位机两个部分组成。上位机是一台终端个人计算机（Personal Computer，PC），主要负责温度数据的实时监测和信息存储。下位机主要由多个轴温数据信息采集节点构成，主要负责温度数据量值的采集和数据信息的有效传输等。
温度采集终端在接收到协调器传输的信号后进行网络访问操作，成功访问网络后将连接至温度采集终端，在满足实际需求的情况下对系统进行初始化。通过ZigBee无线网络将温度数据信息定期传输至系统对应的协调器内，协调器将获取的温度数据信息进行操作处理。若温度参数高于设定的阈值，则将会触发警备装备，此时需要协调器及时处理温度量值数据信息，再将其通过串口通信模式传输至PC设备终端，从而使得相关工作人员可以实时监测系统温度。
3 基于ZigBee无线通信技术城轨交通轴温监测系统的硬件设计
3.1 无线通信模块设计
ZigBee无线通信技术的城轨交通轴温监测系统终端选择CC2530，其电路图如图1所示，基本构成包括射频功率放大电路、晶体振荡电路以及电容装置等，所涉及的电容装置为滤波电容装置和故障消除电容装置，在实际应用过程中能够增强芯片的工作稳定性[6]。晶体振荡电路由32 MHz晶振Y1、32.768 kHz晶振Y2以及多个负载电容装置构成。其中，Y1与XOSC32M_Q1和XOSC32M_Q2相关联，负责高速晶振；Y2与引脚P2_3和P2_4相关联，负责提供低速时钟源。
图1 CC2530电路图
3.2 温度采集功能电路设计
在城轨交通轴温监测系统的温度采集功能电路设计中，DS18B20可以作为系统内部的模拟温度传感器和数据信号处理装置，在进行数据信息传输的过程中与CC2530通信，从而在设定区域范围内实现温度采集功能。考虑到该系统仅需要进行单点温度采集，因此本文将采用外部电源供电模式。基本温度采集电路如图2所示。
对于城轨交通轴温监测系统的温度采集电路，通过DS18B20采集温度测量的实验对象，并将获取的温度数据信息传递至CC2530端，然后将该数据信息作为系统的信号输入端。为了使DS18B20能够执行精确的温度转换功能，I/O端口必须确保转换周期内的电源供应，然后与CC2530相结合，在一定条件下实现温度的采集功能。
3.3 温度显示电路设计
在城轨交通轴温监测系统的温度显示电路设计过程中，LCD1602具有（1～11）×104h的半衰周期。目前最常用的是8段式数字显示装置，包括10个管脚，每个段位对应1个管脚，其余的显示管可以用来显示数据信息传输的公共终端[8,9]。8段式数字显示装置在一定应用情况下能直接显示时间、日期以及温度等相应量值信息，具有较强的直观性。
4 ZigBee无线通信技术城轨交通轴温监测系统的软件设计
4.1 Z-Stack协议栈设计
ZigBee无线通信技术的城轨交通轴温监测系统软件部分的设计主要以Z-Stack协议栈为核心，在满足整个系统应用需求的前提下调用封装完成的功能函数数据包，从而顺利完成调试工作，实现系统网络的有效传输。Z-Stack协议栈的基本工作主要为系统初始化和实体操作运行。在系统程序运行的应用开发中，需要调用lininitasks（）函数构建任务包，同时对其中包括的全部任务Task ID分配唯一的标识符。若在项目运行过程中涉及多个事件同时发生的情况，那么系统会根据事件设置的优先级进行依次操作。
4.2 温度采集终端设计
当城轨交通轴温监测系统的温度采集数据终端启动电源后，其将会自动扫描周围区域范围内的相关网络，同时向网络发起请求。若有网络应答成功后，DS18B20将采集温度数据信息，然后将获取的温度数据放置于系统的缓存区域内。系统终端装置通过调用SendPeriodicMessage（）函数与协调装置传输数据信息，此时上位机能够同时实时监测城轨交通轴温的4个终端，并分别定义4个终端，便于后期识别。
4.3 上位机监测设计
城轨交通轴温监测系统的上位机界面由温度显示模块、数据量值图像模块以及数据存储模块构成。对于温度显示模块而言，其在实际应用过程中能够同时实时监测4个终端的温度数据信息，设置周期为1 s。若温度参数高于设定的阈值，则将会触发警备装备[10]。对于数据量值图像模块而言，其依照4个终端的温度数据信息变化情况进行实时的曲线绘制，从而在一定程度上能够让相关工作人员直观地监测到不同时间段内温度的变化情况[11]。对于数据存储模块而言，其能够存储历史显示的数据信息，便于管理人员分析和汇总城轨交通轴温的变化情况。在上位机监测设计中，主要以C++为语言基础，应用IVIFC类库结合Iocomp控件实现温度显示和图像绘制，通过调用Serialport函数设置串口参数量值，从而在满足需求的条件下实现系统上位机与下位机之间的数据通信传输。
5 ZigBee无线通信技术的城轨交通轴温监测系统测试分析
对于ZigBee无线通信技术的城轨交通轴温监测系统而言，其在系统测试阶段根据城轨的基本情况及周边环境的实际现状，在实验室内模拟出系统装置在现场的实际应用环境。首先，启动城轨轴温监测系统的上位机程序。其次，设置与协调装置通信时应用的串行端口号。当设置完成后需要获取协调装置的温度数据信息参数，单击自动刷新功能，此时4个终端的温度将会呈降低趋势，然后绘制对应的温度变化情况图。最后，经过试验测试，城轨轴温监测系统的上位机程序运用稳定，ZigBee无线通信装置采集的温度数据信息正常。当测试距离设置为100 m时，温度数据传输正常，无异常情况发生，符合城轨的轴温基本需求。
6 结 论
针对城市轨道运输的特点和时代发展的需求，设计了基于ZigBee无线通信技术的城轨交通轴温监测系统。该系统应用温度传感器DS18B20检测城轨轴温，同时通过ZigBee无线通信技术传输获取的温度数据信息，最终由串口通信模块将监测的温度情况传输至终端显示界面。城轨交通轴温监测系统在实际应用过程中能够更加精准地保证车辆的轴温处于正常范围内，在一定程度上使得城市轨道交通更加安全。
