基于ZigBee的高速動車組車內(nèi)溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

莊華勇，伍川輝

（西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610031）

0 引 言

近年來，我國的高速鐵路事業(yè)飛速發(fā)展，多條高鐵客運(yùn)專線陸續(xù)開通。隨著人們的生活水平日益提高，旅客對高鐵乘坐舒適性的要求也與日俱增[1]。其中溫濕度舒適度是衡量旅客乘坐舒適性的一個重要指標(biāo)，溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)能對列車運(yùn)行過程中的溫濕度實(shí)時監(jiān)測，為分析車內(nèi)溫濕度現(xiàn)狀、研究車內(nèi)溫濕度與舒適性的關(guān)系提供試驗(yàn)依據(jù)，對改善旅客乘坐舒適性起著重要的作用。以中國南車集團(tuán)四方機(jī)車車輛廠的CRH2型高速動車組為例，列車采取8節(jié)車廂編組，全長204.9m，每節(jié)車廂兩端均有電動門，使之成為獨(dú)立空間[2]。本文介紹的基于ZigBee的溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)采樣點(diǎn)布置靈活，可在車內(nèi)任意位置放置，數(shù)據(jù)傳輸要求每個發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息，建立起可靠的數(shù)據(jù)通信模式，解決了傳統(tǒng)方式現(xiàn)場鋪設(shè)線纜造成的車廂門不能關(guān)閉、距離受限、信號受電磁干擾而變得不穩(wěn)定等問題，具有成本低、干擾小、傳輸穩(wěn)定、安全性高等特點(diǎn)。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計方案是以51單片機(jī)C8051F021為微控制器，通過SPI的接口方式與射頻收發(fā)芯片MC13193相連，數(shù)字式溫濕度傳感器SHT21通過I2C接口方式與C8051F021通信傳輸溫濕度數(shù)據(jù)。監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)采用樹簇型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線收發(fā)。樹簇型網(wǎng)絡(luò)中包括協(xié)調(diào)器、路由器節(jié)點(diǎn)和終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)。終端設(shè)備完成溫濕度數(shù)據(jù)的采集，并通過路由器節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)至協(xié)調(diào)器，路由器節(jié)點(diǎn)完成數(shù)據(jù)的路由功能[3]。網(wǎng)絡(luò)中只有一個協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器將所有的溫濕度數(shù)據(jù)通過串口方式傳輸給上位機(jī)進(jìn)行處理及顯示。系統(tǒng)總體設(shè)計方案如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)方案設(shè)計框圖

2 硬件設(shè)計

C8051F021為硬件模塊的控制核心，它與射頻收發(fā)芯片MC13193之間的通信依靠4線串行外部設(shè)備接口（SPI）完成，與溫濕度傳感器SHT21之間通過I2C接口獲取溫濕度數(shù)據(jù)，通過RS232串行接口實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信，其硬件設(shè)計框圖如圖2所示。

2.1 硬件選取

微控制器（MCU）選用Silicon公司的C8051F021單片機(jī)，C8051F021是完全集成的混合信號系統(tǒng)級MCU芯片，具有64KB可在系統(tǒng)編程的Flash存儲器和4352（4096+256）KB的片內(nèi)RAM。自帶所需的SPI、SMBus/I2C和兩個UART串行接口。

圖2 硬件設(shè)計框圖

射頻收發(fā)芯片選用Freescale公司的MC13193，包含完整的IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)物理層（PHY）調(diào)制解調(diào)器，用于支持IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的點(diǎn)對點(diǎn)、星狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)通信。MC13193射頻收發(fā)器集成了低噪聲放大器、1.0mW功率放大器、電壓控制振蕩器、穩(wěn)壓器以及全擴(kuò)頻調(diào)制解調(diào)器，可通過編程實(shí)現(xiàn)在2.4GHz頻段內(nèi)16個可選通道中的1個通道傳輸數(shù)據(jù)[4]。

溫濕度傳感器選用SHT21，是一個全新設(shè)計的精密傳感器芯片。配有電容式相對濕度傳感器和能隙溫度傳感器，包含一個放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、OTP內(nèi)存和數(shù)字處理單元。芯片封裝采用包塑成型工藝，具有優(yōu)異的抗老化和抵抗周圍環(huán)境不良影響的特性，保證產(chǎn)品的長期穩(wěn)定性。采用DFN3-0封裝方式，占用空間小，便于直接焊接在印制板上。傳感器經(jīng)過完全標(biāo)定，提供I2C數(shù)字接口，數(shù)字通信可大大降低功耗。

2.2 PCB板設(shè)計

氣體的相對濕度，在很大程度上依賴于溫度。測量濕度時，應(yīng)盡可能保證所有測量同一濕度的傳感器在同一溫度下工作，設(shè)計電路時采取措施將熱傳遞的影響減至最小。因此在印刷電路板SHT21附近處加入銑削狹縫設(shè)計，減小熱傳遞。設(shè)計示意圖如圖3所示。

圖3 傳感器處印刷線路板設(shè)計示意圖

在無線通信系統(tǒng)中，天線的作用非常重要。MC13193工作在2.4GHz，天線尺寸較小，可以直接制作在印刷電路板上，采用雙天線配置，既有RX天線又有TX天線，成本低，效果好。設(shè)計時RX天線和TX天線分別繪制于印刷電路板上的頂層與底層，上下形成鏡像對稱，從接收輸入引腳RFIN+、RFIN-和差動PA輸出引腳PAO+、PAO-引出的天線也應(yīng)在各自層上形成對稱。雙天線的設(shè)計原理如圖4所示。在接收端，RX天線交流耦合到差動RFIN輸入端，兩個電容器隨同電感器L1一起與網(wǎng)絡(luò)匹配。電感器L2和L3通過一個電容器交流耦合接地，組成一個頻率陷阱。在發(fā)送端，TX天線連接到差動PAO輸出端，電感器L4和L5提供直流偏壓到VDDA，但對于交流是隔離的[4]。

圖4 天線設(shè)計原理圖

3 軟件設(shè)計

3.1 ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)程序設(shè)計

程序主要包括ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)和上位機(jī)監(jiān)控界面兩部分。以Keil作為單片機(jī)的集成開發(fā)環(huán)境，以圖形化編程語言LabVIEW作為系統(tǒng)監(jiān)控界面的設(shè)計。

圖5 協(xié)調(diào)器流程圖

ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)程序主要包括協(xié)調(diào)器、路由器、和終端設(shè)備設(shè)計。協(xié)調(diào)器作為整個網(wǎng)絡(luò)的核心，起著至關(guān)重要的作用，主要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的組建、管理、數(shù)據(jù)的處理等。工作過程是：上電后初始化軟硬件，使能MCU和RF收發(fā)器，然后按照能量掃描方式不斷搜索頻段范圍內(nèi)的信道，選擇其中能量最弱的信道標(biāo)識為自己的信道。當(dāng)有節(jié)點(diǎn)申請加入網(wǎng)絡(luò)時，協(xié)調(diào)器便會分配一個網(wǎng)絡(luò)地址給節(jié)點(diǎn)，構(gòu)成新的網(wǎng)絡(luò)[5-6]。協(xié)調(diào)器的程序流程如圖5所示。

在樹簇型網(wǎng)絡(luò)中，路由器和終端設(shè)備都作為協(xié)調(diào)器的子節(jié)點(diǎn)。路由器節(jié)點(diǎn)和終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)上電后首先進(jìn)行初始化，其過程如協(xié)調(diào)器的初始化。初始化完后，子節(jié)點(diǎn)發(fā)送入網(wǎng)請求，路由器的入網(wǎng)流程如同終端設(shè)備。路由器入網(wǎng)成功后，則一直等待終端設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)信號，接收到信號后，路由器則將溫濕度數(shù)據(jù)無線傳輸給協(xié)調(diào)器。路由器主要負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)器和終端設(shè)備間的可靠數(shù)據(jù)傳輸。終端設(shè)備入網(wǎng)成功后，根據(jù)程序中對數(shù)據(jù)采集時間間隔的設(shè)置，如果到了數(shù)據(jù)采集時間，終端設(shè)備進(jìn)入中斷，相應(yīng)傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理與傳輸，數(shù)據(jù)傳輸完后，進(jìn)入休眠模式。路由器和終端設(shè)備子節(jié)點(diǎn)的程序流程如圖6所示。

圖6 路由器和終端設(shè)備流程圖

圖7 某測點(diǎn)測試結(jié)果圖

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計

高速動車組車內(nèi)溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)的上位機(jī)監(jiān)控界面采用圖形化的編程語言LabVIEW軟件編寫。實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置、監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)的采集與處理,實(shí)時顯示各采集點(diǎn)的IEEE號和溫濕度數(shù)據(jù)。在進(jìn)行PC機(jī)和無線采集模塊串行通信前，首先配置好串口使計算機(jī)串口的各種參數(shù)設(shè)置與無線收發(fā)模塊的串口參數(shù)保持一致，以能夠正確的通信[7]。

3.2.1 系統(tǒng)設(shè)置

（1）用戶可根據(jù)高速動車的常規(guī)要求或具體情況，設(shè)置溫濕度的上限與下限，進(jìn)行預(yù)警；

（2）設(shè)置高速動車溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)溫度、濕度的采樣時間與次數(shù)；

（3）設(shè)置或修改進(jìn)入溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的口令與密碼；

（4）對溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)中計算機(jī)的當(dāng)前日期與時間校準(zhǔn)，使監(jiān)控數(shù)據(jù)與監(jiān)控時間建立對應(yīng)關(guān)系；

（5）溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)存入存儲介質(zhì)，以便長期保存查詢。

3.2.2 系統(tǒng)監(jiān)測與控制

（1）控制各監(jiān)測點(diǎn)溫濕度數(shù)據(jù)采集的開始與停止；

（2）實(shí)時監(jiān)測各測點(diǎn)的溫濕度現(xiàn)狀、溫濕度舒適度，以圖形和數(shù)字方式實(shí)時顯示；

（3）控制是否保存當(dāng)前監(jiān)測的溫濕度數(shù)據(jù)；

（4）可查看保存數(shù)據(jù)時間段內(nèi)的溫濕度走勢曲線及溫濕度數(shù)據(jù)報表；

（5）可查看保存數(shù)據(jù)時間段內(nèi)的溫濕度數(shù)據(jù)的最高值、最低值和平均值等。

4 試驗(yàn)結(jié)果

溫度和濕度均是緩慢變化的信號，根據(jù)GB/T 18204.13-2000和GB/T 18204.14-2000中對列車車內(nèi)溫度、濕度規(guī)定的監(jiān)測檢驗(yàn)方法，每5 s進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集，每5min為一個時間段分析數(shù)據(jù)，用該時間段的60個數(shù)據(jù)的有效值來衡量溫度、濕度的舒適度，并統(tǒng)計其數(shù)據(jù)規(guī)律[8-9]。

圖7為高速動車組車內(nèi)某測點(diǎn)6分鐘內(nèi)的溫濕度數(shù)據(jù)測試結(jié)果，依據(jù)溫度、濕度舒適度等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，可以看出此測點(diǎn)處溫度舒適度為25.46℃，屬于“非常舒適”，濕度舒適度為67.56%RH，屬于“還算舒適”[10]。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計的基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高速動車組車內(nèi)溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)能滿足溫濕度的實(shí)時監(jiān)測以及溫濕度舒適度的實(shí)時評價，對改善高速動車組乘坐舒適性起著重要的作用。此設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、性價比高，具有較大的實(shí)用意義。

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