基于ZigBee技術高速動車組溫濕度監測系統設計

王秋鵬

（西安鐵路職業技術學院陜西西安710026）

在我國社會經濟不斷發展的過程中，高鐵技術也在不斷的進步和發展，在此過程中人們的生活水平和質量也在不斷的提高，高速動車組也朝著自動、高速且舒適的方向發展，人們在乘坐列車過程中的安全性和舒適性也成為了人們出行的重點內容。在人們對乘車環境和質量需求量不斷增大的過程中，其自我保護意識也在不斷的提高。高速動車組在運行時候的車廂是封閉式的空間，要想使高速動車組車內的乘坐舒適，就要保證車內環境的良好性。對列車乘坐舒適性影響的主要因素較為復雜，比如車內的光亮、振動、溫度、濕度、噪聲、氣壓及空氣質量等，對這些因素在影響人們乘坐舒適性的過程中進行研究，能夠對現代高速列車是否能夠滿足人們乘車舒適性需求提供了基礎，對高速動車組溫濕度監測系統的研究尤為重要。

1 系統的總體方案設計

1.1 系統的總體結構

本文將高速動車組作為研究對象進行研究，提出以ZigBee技術為基礎的高速動車組溫濕度監測系統。系統將單片機作為微控制器，將MC12532作為射頻收發芯片，將SHT作為溫濕度傳感器的系統硬件核心，從而創建高速動車組溫濕度監測系統[1]。

在ZigBee無線通信網絡中，終端設備的主要目的就是負責數據收集，節點之間無法通信，設備信息也無法進行轉發。不同路由節點都具備終端設備節點，其主要目的就是能夠實現相應數據的轉發。協調器節點在上位機管理中心處，其能夠進行無線網絡的維護和管理。路由器節點中存在溫濕度傳感器，其能夠實現節點溫濕度數據的收集[2]。圖1為基于ZigBee技術的高速動車組溫濕度監測系統的設計方案。

圖1 基于ZigBee技術的高速動車組溫濕度監測系統的設計方案

溫濕度監測系統的主要功能包括：

其一，實現數據的實時收集。上位機監控界面能夠設置數據的采樣時間間隔，實現數據收集及發送的啟動或者停止，并且對數據進行實時收集；

其二，實現數據的實時顯示和分析處理。在協調節點接收到其中測點溫濕度數據之后，能夠利用串口通信實現上位機轉發，上位機界面能夠顯示溫濕度數字和圖形，并且還能夠分析溫濕度數據并且對其進行計算，以此得到良好的數據[3]；

其三，對數據保存過程中的溫濕度最大值、平均值和最小值進行查看；

其四，對數據保存過程中的溫濕度數據結果和曲線進行查看[4]。

1.2 ZigBee協調器節點

在設計的系統中，ZigBee協調器節點能夠實現ZigBee無線通信網絡的管理，并且還能夠接受從不同終端設備和路由器等節點中的溫濕度數據，之后轉發到上位機中全面處理。其中心節點為協調器，在網絡中具有重要的作用。圖2為協調器節點和路由器節點，其中的大圓為協調器無線信號覆蓋的范圍，并且路由器能夠和協調器相互的通信。但是在這個范圍之外的節點要想和協調器節點進行通信，就要通過與其他路由器節點通過多條傳輸方式實現[5]。

圖2 協調器節點和路由器節點連接

1.3 上位機監控界面

本文設計的系統主要通過圖像化編程語言實現上位機監控系統的設計，并且還能夠對系統參數進行設置。對檢測點溫濕度數據進行收集及處理，之后將結果轉化成為用戶能夠方便觀察和查詢的信息。為了能夠實現協調器和上位機之間的相互通信，計算機串口參數等于協調器穿口參數，上位機監控界面具有系統功能設置、系統控制和檢測等功能[6]。

2 系統的硬件設計

系統的硬件模塊控制核心為C82621，其能夠和射頻收發芯片MC之間通過串行外部設備接口進行通信，和溫濕度傳感器利用相應接口得到溫濕度數據，利用串行接口和上位機進行相互通信[7]，圖3為系統硬件設計的框圖。

圖3 系統硬件設計的框圖

使用MC射頻收發芯片，其具有較為完整的標準物理層調制解調器，從而人實現規定星狀、點對點及網狀網絡通信，MC收發器實現了功率放大器、低噪聲放大器、穩定器、電壓控制振蕩器的集成，能夠利用編程實現可選通道及通道的數據傳輸。

溫濕度傳感器的型號為SHT，其是一種現代化的精密傳感器芯片。芯片封裝使用包塑成型技術，其能夠有效抵抗周圍環境及抗老化的優點，從而有效保障產品長期的穩定性[8]。

氣體濕度都是根據溫度決定的，在對濕度進行測量的進行測量的過程中，要盡可能的保證對同時間的濕度傳感器在同溫度進行測量，在設計電路的時候要使用一定的措施降低熱傳遞影響。所以，要在印刷電路板附近設計銑削狹縫，從而有效降低熱傳遞。圖4為傳感器印刷線路板的設計圖。在無線通信過程中，天線具有重要的作用。在其工作過程中，無線具有較小的尺寸，能夠直接設置到印刷電路板中，通過天線進行配置的成本較低，效果良好[9]。圖5為雙天線的設計原理。

圖4 傳感器印刷線路板的設計圖

圖5 雙天線的設計圖

3 系統的軟件設計

3.1 無線網絡設計

在無線網絡設置過程中的重點部分主要包括上位機監控和無線網絡。無線網絡的設計又分為終端、協調器和路由器3者，其系統的核心內容主要為協調器，在系統運行中作用作為重要，能夠實現網絡數據的分析和處理，還能夠對網絡數據進行管理。系統在運行過程中，首先實現系統硬件和軟件的初始化，使RF及MCU收發器能夠利用能量掃描搜索頻段的范圍，自身的信道為能量掃描過程中較弱的信道，如果在網絡中有節點想要接入，那么協調器就要根據自身實際情況實現網絡分配，在允許條件下路由器就能夠匯入終端設備和網絡流程。如果外來系統想要和網絡連接，那么就要等待數據傳送，路由器在此過程中的目的是實現協調器和終端數據的相互傳輸。網絡中的終端設備能夠根據程序數據收集時間到達數據采集時間就會自動中斷，在所有工作都做完之后自我休眠。圖6為協調器流程圖[10-11]，圖7為路由器流程圖。

圖6 協調器流程圖

3.2 軟件接口設計

本文提供的接口方式主要包括3種，以此能夠使系統中的應用程序能夠和系統各層之間的信息能夠相互交換，應用程序能夠使用服務原語對MAC層發送命令，還能夠利用接口實現信息的接受和確認。系統中的3個接口具備6個服務訪問點，呈現方式為C語言函數[12-13]，表1為服務訪問點的名稱和功能。

3.3 設計上位機軟件

在設計本文系統過程中，使用圖像化編程語言實現上位機監控界面的設計，以此能夠對整個系統的檢測點進行數據收集、實現參數的設置和數據分析處理，實現各收集點IEE號和溫濕度數據的收集。并且PC機和無限收集模塊與串行通信之前，要使串口參數等于無線收發模塊，從而能夠實現系統各層之間的正常通信[14]。

圖7 路由器流程圖

表1 服務訪問點的名稱和功能

4 系統的實驗

溫濕度都是緩慢變化變化，根據相應規定中對溫濕度規定的監測檢驗的方式，每5 s數據收集以此，每5 min對數據進行分析，使用此時間段中的數據有效值實現溫濕度舒適度的衡量，并且將數據的規律進行統計。圖8為高速動車組監測點6分鐘之內溫濕度數據的測試結果，根據溫濕度的舒適度等級對標準進行劃分，能夠看到此測點處溫濕度分別為25.45℃和67.56%RH，溫度舒適度為非常舒適，濕度舒適度為還算舒適[15-16]。

圖8 高速動車組監測點溫濕度數據的測試結果

5 結束語

通過以上描述表示，控制高速動車組溫濕度具有重要的作用，能夠進一步提高高速動車組的舒適程度，還能夠有效促進我國高速動車組的持續發展。使用ZigBee設計高速動車組溫濕度的監測，能夠為高速動車組舒適度的改進提供參考建議。