基于物聯網技術的列車環境監測系統設計

王銳，吳紫薇

（長春軌道客車股份有限公司 信息化部，長春 130062）

目前，國內的旅客列車正向著高速、自動和舒適的方向迅速發展，人們關注的目光更多地放到車廂內部環境的舒適性上來。而且，現代列車的發展使其與傳統列車相比有著新的難題，尤其是大幅提升的行車速度，使得旅客列車的安全檢測已經成為鐵路運輸研究中的重要課題之一［1］。

物聯網技術及無線傳感器網絡技術的出現，在信息的無線傳輸、低廉的使用成本，以及網絡自適應等方面表現出較大的優勢，十分適用于旅客列車運行中環境信息的采集和傳輸上。在旅客列車環境信息監測方面開展相關的研究，對于提高國內鐵路運行信息化水平有非常重要的意義。

1 基于ZigBee的無線傳感器網絡

1.1 ZigBee技術簡介

ZigBee技術是目前應用最為廣泛的一種近距離的無線通信技術。其基于IEEE 802.15.4協議，并提供了完整的通信協議棧。ZigBee技術具有協議棧復雜度較低的特點，而且具備硬件簡單、設備價格低，支持休眠狀態、系統功耗低，傳輸速率適中等特點。基于ZigBee技術的設備通信距離可達百米以上，且斷網自組能力較強［3］。

ZigBee技術在進行數據收發時可以在不同的通信頻道上進行選擇，最常用的是2.4GHz的通用頻道，在美國可以選擇915MHz的通信頻道，在歐洲也可以選擇使用868MHz的通信頻道。采用標準的ZigBee協議在2.4GHz頻段上的最高速率可以達到250kbps，而在其它兩個頻段上的最高頻率也可以達到20kbps和40kbps。因此，ZigBee技術在嵌入式設備組網的應用中可以很好的滿足數據傳輸的需要。

1.2 ZigBee網絡拓撲結構

在ZigBee技術規范中可以支持3種不同的拓撲結構，分別是星形拓撲、樹形拓撲和網狀拓撲［4］。其中，星形拓撲實現最為簡單，但是網絡可靠性低，通信距離短，魯棒性差。樹形拓撲通過增加了路由節點，大大提高了通信的距離，可靠性有所提升，但是總體魯棒性還是不能很好的滿足應用的需求。本文所設計的列車環境監控系統必須保證系統的穩定，因此選用了最為復雜的網狀拓撲結果作為終端組網的通信鏈路。網狀拓撲可以完全實現點對點的通信，在網絡中的某條通信鏈路發生故障的時候，可以自動切換其他鏈路，保證通信的可靠［5］。網狀拓撲結構如圖1所示。

圖1 ZigBee網狀拓撲結構

2 系統的設計

2.1 系統設計總體目標

本文中設計的監測系統的主要功能是通過建立無線傳輸網絡，傳輸旅客列車車廂區域內采集的溫度、氣壓、濕度、一氧化碳等環境參數數據，實現對列車車廂內環境狀態變化的實時監測，確保旅客列車舒適安全運行［6］。因此，本文中設計的監測系統采用了基于ZigBee的無線傳輸網絡，可以方便的完成列車上的數據采集、傳輸工作，可靠性強。系統的總體架構如圖2所示。

圖2 系統總體架構圖

2.2 硬件系統設計

整個系統由ZigBee無線網絡傳輸模塊和基于ARM CPU的控制模塊組成。其中，ZigBee無線網絡傳輸模塊主要完成信息的采集和無線傳輸的核心模塊，由協調節點、路由節點和終端傳感器節點組成。ZigBee網絡協調節點是嵌入在ARM CPU的控制模塊上的，作為無線通信接口，實現ZigBee網絡與ARM CPU控制模塊的互聯。

ZigBee無線網絡傳輸模塊上電后，開始建立無線通信網絡；網絡建立成功后，傳感器節點將通過溫度傳感器、濕度傳感器、速度傳感器、氣壓傳感器和一氧化碳傳感器等一系列傳感器對旅客列車車廂內的環境狀態數據進行采集；然后傳感器節點將采集的溫度、濕度、氣壓和一氧化碳等數據經過低功耗射頻模塊發送出去，經ZigBee無線傳輸網絡傳輸后，最終到達控制器節點，控制器節點接收數據，并進行處理及顯示，實現對旅客列車車廂內部環境參數進行實時的監測。另外，控制器可以根據目前的車廂狀態，向各個無線節點下達控制指令，無線節點可以具體做出空調的開關、溫濕度的調節等具體控制工作。

2.2.1 ZigBee無線網絡傳輸模塊設計

無線網絡傳輸模塊主要負責系統的數據采集、傳輸工作，由協調節點、路由節點和終端傳感器節點組成［7］。ZigBee無線網絡傳輸模塊功能框圖如圖3所示。

圖3 ZigBee無線網絡通信模塊

在本系統的采集終端中選擇了TI公司的ZigBee單芯片解決方案CC2430芯片，CC2430上系統資源豐富，并且具有較高的處理性能。C2430芯片內部內置了一個加強型的8051單片機，并集成了一個2.4GHz的DSSH射頻收發器，目前CC2430已經成為最為主流的ZigBee組網解決方案［8］。CC2430的典型電路如圖4所示。

圖4 CC2430典型電路圖

2.2.2 傳感器的選擇、設計

（1）為了獲取列車上的溫度和濕度數據，本系統設計中選擇了集成度高的SHT11溫濕度傳感器芯片。SHT11采用了CMOSens技術，包含一個14位的模數轉換器，通過串行進口同外部處理器相連。SHT11在出廠前都經過了非常嚴格的校準標定并在內部OTP內存中保存校準系數，在測量時可以保證溫度測量精度為±0.5oC，濕度在0%～100%RH［9］。SHT11的外圍電路及其同CC2430的接口電路如圖5所示。

圖5 SHT11與CC2430模塊連接圖

（2）本系統設計中選用了MPXA6115A氣壓傳感器來采集列車車廂內的絕對氣壓。MPXA6115是飛思卡爾公司出品的高精度硅氣壓傳感器，可以測量的范圍是15kPa到115kPa。MPXA6115的外圍接口電路以及同CC2430的連接電路圖如圖6所示。

圖6 MPXA6115外圍電路圖

（3）一氧化碳傳感器采用了穩定可靠的高精度、高靈敏的ME2-CO傳感器。ME2-CO廣泛應用于工業領域的一氧化碳氣體檢測，具有非常好的重復性和穩定性。ME2-CO的外圍電路設計如圖7所示，ME2-CO在檢測到一氧化碳氣體后會發出微弱的電信號，經過LM358放大電路后通過P0.6端口輸入到CC2430中進行后需處理，輸出的電壓同一氧化碳的濃度成正比例關系。

圖7 ME2-CO傳感器外圍電路圖

2.2.3 顯示電路設計

在本系統中，為了能夠實時顯示列車車廂的數據信息，設計中采用了液晶觸摸屏作為列車車廂的數據顯示及空調控制單元。液晶顯示觸摸控制電路如圖8所示。在對這部分進行設計時，選取了ADS7843作為控制器，通過其內部的12bit高精度模數轉換器對觸摸屏采集的數據進行轉換，得到觸摸點的XY坐標信息。

圖8 液晶顯示部分電路圖

2.2.4 空調控制電路設計

為了控制車廂內的環境溫度和濕度，本系統設計中采用了調速電機控制模塊，從而達到對空調蒸發器、冷凝器和換氣風扇的調節控制。這部分電路如圖9所示，終端傳感器節點的CC2430處理器收到控制指令后，調用內置的調速程序在P0.0端口輸出信號，通過光電耦合器隔離后，直接控制空調的調速電機輸入電流，完成對空調調速電機的控制。

圖9 空調電機控制電路

2.3 軟件系統設計

本文采用了CC2430的廠商TI公司提供的IAR EW作為相應的軟件開發平臺。IAR開發編譯環境的代碼優化率高，界面友好，功能強大，為用戶的開發提供了高效率的開發平臺，降低開發的時間和成本。

2.3.1 協調器節點程序設計

本系統中協調器節點軟件部分設計采用了模塊化的思路，通過ARM CPU處理器控制ZigBee網絡中的協調器節點初始化系統并啟動數據傳輸網絡，之后掃描網絡中的終端節點等待其加入，在數據傳輸網絡建好后保證網絡的正常運行。

當一個協調器設備啟動之后，調用操作系統OSAL中的設備啟動函數進行網絡的組建工作，并將自己在網絡中的設備類型定義為協調器，這樣就標志著自己作為網絡的控制設備來進行網絡的維護工作，賦予標志位NodeType=COORDINATOR。在完成了初始化工作之后，協調器設備還需要對網絡的標識符、超級幀命令、工作信道和信標幀等具體的網絡參數進行定義和配置工作，在完成了網絡環境參數的配置之后，調用OSAL中的函數來確定網絡的建立成功，并等待其他設備的入網工作。Zig-Bee網絡的組建流程如圖10所示。

圖10 主程序流程圖

2.3.2 終端傳感器節點程序設計

在終端傳感器節點設備的軟件設計中需要完成以下幾個功能：搜索網絡和加入網絡、發起綁定請求、數據的發送和接收、開關空調、調節氣壓和顯示器的控制等。終端節點的程序流程圖如圖11所示。

圖11 終端節點軟件流程圖

同協調器設備類似的ZigBee終端設備在上電之后，也需要啟動OSAL操作系統進行設備的啟動和初始化工作，對當前的硬件設備狀態進行查詢和配置，對硬件上面的參數寄存器進行初始化。之后ZigBee終端設備需要對附近的網絡進行搜索和發現，向ZigBee網絡協調器設備發送入網申請，并等待答復。在核準入網之后，進一步發送設備綁定請求，進行網絡地址的綁定工作，在協調器更新網絡設備綁定表之后，會返回一個綁定成功的命令，之后ZigBee終端設備就可以按照相應的地址發送數據了。在本系統中，ZigBee網絡終端設備的主要工作是將連接在終端設備上的傳感器采集的數據通過ZigBee網絡進行發送，并接受協調器發來的控制命令，對空調電機進行調速控制，或者將相應的數據信息顯示在LCD顯示屏上面，方便列車乘客的查閱。在沒有任何工作任務的時候，設備處于空閑狀態，這時候，需要進入到睡眠模式，降低模塊的電量消耗，等待有任務時在進行喚醒。

3 結論

本文在物聯網技術的基礎上，選用多種傳感器來采集列車中的環境參數數據，并利用CC2430芯片構建了一個網狀拓撲結果的無線數據傳輸網絡，在此網絡中進行環境數據的傳輸，實現了對旅客列車環境的智能監控。通過合理的設計軟硬件系統，系統可以實現長時、穩定、可靠的運行，在實際的旅客列車運行保障中具有廣泛的應用前景。