基于ZigBee的接觸網無線溫度監(jiān)控系統(tǒng)

蔣 濤 ，田廣闊 ，湯鈺鵬 ，王保華

（1.濟南鐵路局職教處，山東濟南250001；2.北京交通大學電氣工程學院，北京100044）

隨著軌道交通事業(yè)的飛速發(fā)展，鐵路接觸網供電對安全性和可靠性的要求也越來越高。在列車提速過程中，大電流的使用越來越廣泛。由于大電流的存在，電流引起的溫度過高致線路損壞問題非常顯著，因此有必要對接觸網的線夾連接處進行溫度監(jiān)測。線夾連接點的數目眾多，且分布不規(guī)律。傳統(tǒng)的有線傳輸溫度的方式因布線不便、功耗較大，不適合接觸網測溫的場合。目前無線傳輸溫度的方式是接觸網環(huán)境下測溫的理想選擇。溫度無線傳輸依賴于無線通信技術。無線通信技術中廣泛使用的是ZigBee技術。Zigbee以強大的組網能力與低功耗、低成本、短時延、安全可靠等性能，在眾多無線通信技術中脫穎而出，成為無線測溫系統(tǒng)的核心。結合接觸網的工程實際，本文設計出基于ZigBee的無線溫度采集系統(tǒng)，為接觸網的安全穩(wěn)定運行保駕護航。

1 系統(tǒng)架構

ZigBee傳輸網絡有星狀、樹狀、網狀等3種網絡拓撲，如圖1所示。星狀拓撲是最簡單的拓撲結構，它由一個協調器和一系列終端節(jié)點構成，每一個終端節(jié)點只能和協調器進行數據通信。節(jié)點之間數據路由途經唯一，可由IEEE 802.15.4的協議層實現其功能。樹狀網絡包括一個協調者、一系列路由器和終端節(jié)點構成，可以實現數據多個層級的傳輸。網狀拓撲與樹狀拓撲結構類似，但有更加靈活的信息路由規(guī)則。出于對成本和功耗的考慮，工程實踐中選擇的是星狀網拓撲。星狀網的終端節(jié)點負責采集數據并傳送給協調器，協調器負責接收終端節(jié)點發(fā)來的數據，并與監(jiān)控終端通信。

圖1 ZigBee傳輸網絡拓撲

實際設計的整體測溫結構以星狀網拓撲為基本模型，并由一個協調器和若干測溫點組建無線溫度傳輸網絡。系統(tǒng)處在正常運行狀態(tài)時，首先測量點進行溫度檢測，繼而將溫度值無線傳輸至協調器。監(jiān)控終端通過串行口協議訪問協調器，獲取溫度值，然后主控芯片使能LCD將溫度值顯示出來。整體運行框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)整體運行框圖

2 硬件設計

2.1 測溫裝置的設計

測溫裝置采用模塊化的結構設計，由主控制器與射頻模塊、T730溫度傳感器模塊、電源模塊構成，最后對各個模塊進行集成化處理，并集中在一塊電路板上，最終通過外殼包裝形成可以固定在接觸網上的裝置。測溫裝置的功能是進行溫度值的實時采集處理和無線傳輸。測溫裝置硬件網絡拓撲如圖3所示。

圖3 測溫裝置硬件網絡拓撲

2.1.1 主控制器與射頻模塊

該模塊以CC2530射頻芯片為核心。CC2530是基于ZigBee/IEEE 802.15.4標準的新一代SoC芯片，用以將協調器和一系列測溫點聯系起來，進而組建成傳感器網絡。CC2530嵌入標準的增強型805l CPU和工作頻段為2.4 GHz的RF收發(fā)器，包含定時器、串口、A/D轉換器等豐富的資源。CC2530憑借其組網能力、無線通信能力、抗干擾能力與低功耗、高靈敏度等卓越的性能，成為接觸網無線測溫系統(tǒng)的理想選擇。CC2530的電路原理圖如圖4所示。

2.1.2 傳感器模塊

T730溫度傳感器為數字型溫度傳感器，直接輸出的是數字量，它是通過IIC協議與CPU通信，使得溫度值的獲取和處理極大簡化。T730溫度傳感器感應的溫度范圍為-40～150°C，能夠測量的溫度上限較大，適合接觸網環(huán)境下的溫度測量。此外，傳感器的誤差范圍為±2.5°C，精度也滿足要求。

2.1.3 電源模塊

在電子類產品中，電源對系統(tǒng)的正常運行有著至關重要的作用。電源模塊的設計要求其具有安全、節(jié)能、可靠、穩(wěn)定等性能的要求。本裝置的電源設計在考慮常規(guī)的性能基礎上，更著重于節(jié)能環(huán)保理念。電源模塊不需要電池供電，其能量來源為電磁收集能。測溫裝置直接安裝在接觸網的線纜上，內置原邊線圈和副邊線圈，通過電磁感應原理獲得能量。這樣的設計使測溫裝置靈敏可靠、節(jié)能環(huán)保，且不需要更換電池，維護周期長，非常適合于接觸網環(huán)境。

2.2 協調器的設計

協調器由主控芯片和無線通信模塊構成，負責整個無線網絡的組建、管理。協調器是ZigBee數據傳輸網絡的中心，通過串行口協議與監(jiān)控終端進行通信。監(jiān)控終端以STM32為主控芯片，負責溫度值的處理與顯示。通信時，STM32的RX接CC2530的TX，STM32的TX接CC2530的RX，STM32的GND接CC2530的GND。其硬件網絡拓撲如圖5所示。

3 軟件設計

3.1 測溫點的設計

測溫節(jié)點程序流程如下：首先上電復位，初始化T730、無線通信協議棧、CC2530的看門狗、定時器等。之后在整個網絡范圍內搜索協調器，收到響應后對協調器發(fā)送連接請求，請求得到正確的響應，表示入網成功，獲得16位的網絡短地址。收到協調器的數據傳輸請求后，在SCMA-CA機制下，通過競爭到的信道向協調節(jié)點發(fā)送數據。數據采集的時間間隔為10秒，發(fā)送的同時開啟睡眠定時器。數據發(fā)送在發(fā)送函數里完成，函數里包含應用層（APL）與下層之間的參數和數據傳遞的算法。在算法中，先自頂而下將數據包幀格式化，然后添加數據包頭，在PHY層將數據發(fā)送。此外，還可以設計一個標識字，用以判斷發(fā)送是否成功。為降低功耗，測溫點的數據發(fā)送成功后立即進入睡眠狀態(tài)。同時測溫點的數據存儲單元有自動保存數據的功能。監(jiān)控終端可以在任何時候訪問保存的數據。流程圖如圖6所示。

圖4 CC2530電路原理圖

圖5 協調器的硬件網絡拓撲

圖6 測溫點流程圖

3.2 協調器的設計

系統(tǒng)上電后，首先初始化硬件和協議棧，之后掃描信道進行網絡查詢。當有測溫點發(fā)送入網請求時，讀取其地址并將地址保存在地址表中，然后協調器向測溫點發(fā)送確認信息，建立連接，之后系統(tǒng)進入工作模式。協調節(jié)點收集測溫點信息，對信息進行數據包處理，獲取溫度值真值，然后通過串口發(fā)送給監(jiān)控終端。流程圖如圖7所示。

4 結論

基于ZigBee技術的無線測溫系統(tǒng)可實時對接觸網的溫度敏感點進行監(jiān)測。測溫裝置小巧靈活，自由地分布在接觸網上，可建立嚴密的溫度監(jiān)測網絡。其作為無源設備，只需安裝好即可使用，維護簡單，環(huán)境適應性強。此系統(tǒng)將很好地服務于接觸網供電系統(tǒng)，并且有效地減少大電流作用下的線夾連接點過熱或燒損故障，成為保護接觸網安全穩(wěn)定運行的強有力防線。

圖7 協調器流程圖

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