鐵路計量專用無線溫濕度記錄系統研究

劉偉棟 上海鐵路局科研所

鐵路計量實驗室環境溫濕度控制與管理是影響鐵路計量器具檢定質量的重要因素，為保證日常檢定工作的順利進行，需要解決的問題是如何加強對檢定環境溫度與濕度的監測，如果溫度超出規定范圍不但會對測量數據產生影響，而且如果這種變化未被察覺還會造成嚴重的測量數據錯誤導致檢定數據無效的發生。某些對檢定環境溫濕度要求很高的計量器具（如長度的兩米測長機），如果檢定時溫度沒有達到規程的要求或在檢定的過程中溫度的波動發生了較大的變化，就會使檢定的數據出現較大的偏差。隨著鐵路事業的蓬勃發展，該系統具有一定的實用價值和廣泛的應用前景。

1 系統總體方案設計

根據鐵路計量檢定規程和相關通用計量檢定規程開展檢定時的溫度、濕度和溫度每小時波動的要求，確定系統的溫度、濕度的測量范圍、準確度和分辨率。

選擇專用的溫濕度傳感器、單片機、LED顯示模塊和無線發射模塊組成N個測量單元；選擇無線接收模塊和串口等組成數據采集轉送器。系統總體框圖如圖1。

系統采用一個溫濕度傳感器對溫、濕度進行分別測量。基于此設想裝置的基本工作原理是：溫濕度傳感器采集到信號送入單片機，由LED顯示器實時顯示環境的溫度、濕度，并通過無線數據傳輸模塊傳到上位機（PC機），通過Delphi軟件輸入用戶需設定的溫、濕度上下限和溫度每小時波動值，當溫、濕度和溫度每小時波動超限時啟動報警裝置報警。

圖1 系統總體框圖

2 硬件系統的設計與實現

2.1 溫濕度傳感器

SHT15是一種新型單片集成的溫濕度傳感器，外圍電路十分簡單，傳感器的數字輸出是通過數字接口直接連到微處理器上去，便于進行系統設計。

SHT15是瑞士Sensirion公司推出的基于CMOSens技術的新型溫濕度傳感器，具有極高的可靠性與卓越的長期穩定性。傳感器包括一個電容式聚合體測濕元件和一個能隙式測溫元件，并與一個14位的A/D轉換器以及串行接口電路在同一芯片上實現無縫連接。因此，該產品具有品質卓越、超快響應、抗干擾能力強、性價比極高等優點。SHT15溫濕度傳感器系統框圖如圖2。

圖2 SHT15溫濕度傳感器系統框圖

SHT15測量精度高，采用片內穩壓電路使得測量精度不受電壓變化影響，溫度測量精度為±0.3℃(在25℃時)，濕度測量精度為±2%RH(20%～80%RH)。SHT15 功耗極低，2.4～5.5 V寬電壓供電，測量時電流550 μA，平均為28 μA，休眠時為3 μA。SHT15互換性好，不需要重新校正，方便后期系統維護。

2.2 單片機

STC12系列單片機是美國STC公司在8051單片機標準內核結構基礎上對芯片內核進行了較大改進后推出的一個增強型的8051的單片機，具有很多很強的新功能。

STC 12LE5608AD系列單片機的主要性能是：工作電壓3.6 V～2.2 V，工作頻率范圍 0～35 MHz，用戶程序空間 8 k，片上集成了768字節RAM。

選擇此款單片機的理由是加密性強，無法解密；超強抗干擾；1個時鐘/機器周期，可用低頻晶振，大幅降低EMI；超低功耗；在系統可編程，無需編程器，無需仿真器，可遠程升級。單片機引腳如圖3所示。

圖3 單片機引腳圖

2.3 LED顯示模塊

常見的數碼管由七個條狀和一個點狀發光二極管管芯制成，稱為七段數碼管（如圖4所示）。根據其結構的不同，可分為共陽極數碼管和共陰極數碼管兩種。

圖4 七段數碼管原理圖

本系統采用的是LED數碼管。LED數碼管中各段發光二極管的伏安特性和普通二極管類似，只是正向壓降較大，正向電阻也較大。在一定范圍內，其正向電流與發光亮度成正比。由于常規的數碼管起輝電流只有1～2 mA，最大極限電流也只有10～30 mA，所以它的輸入端在5 V電源或高于TTL高電平(3.5 V)的電路信號相接時，一定要串加限流電阻，以免損壞器件。

LED數碼管的主要特點如下：

(1)能在低電壓、小電流條件下驅動發光，能與CMOS、ITL電路兼容。

(2)發光響應時間極短（＜0．1μs），高頻特性好，單色性好，亮度高。

(3)體積小，重量輕，抗沖擊性能好。

(4)壽命長，使用壽命在10萬小時以上，甚至可達100萬小時。成本低。

因此它被廣泛用作數字儀器儀表、數控裝置、計算機的數顯器件。

2.4 報警模塊

系統中設有狀態報警功能，以便提醒操作人員注意或采取措施。其方法就是把計算機采集的數據與該參數上下限可設定值進行比較，如果高于上限值（或低于下限值）則進行報警，否則就作為采樣的正常值，進行顯示。

報警模塊由聲光報警電路構成。分別采用三極管驅動蜂鳴器和高亮度發光二極管。當某個傳感器節點的溫度或者濕度超過設定限時，單片機會發出報警信號。圖5是一個簡單的使用三極管驅動的蜂鳴音報警電路。

圖5 三極管驅動的峰鳴音報警電路

2.5 無線傳輸模塊

無線傳輸模塊負責與PC機進行無線通信，發送溫濕度數據，該模塊功耗相對比較大。其中，采用的調制方式、發射功率等都是影響能量消耗的關鍵因素。為了使整個系統達到低功耗的設計意圖，我們選擇了ZigBee技術的無線通信模塊。

ZigBee技術是一種低功耗、低成本、低速率、近距離、高容量、高安全、免執照頻段的雙向無線通信技術。工作頻率范圍是2.400～2.4865 GHz，采用直接序列擴頻方式，數據速率達250 kbps。相鄰節點間傳輸范圍一般介于10～100 m之間，增加發射功率，可增加到l～3 km。本監測系統采取的是星狀結構，監測中心節點為主節點，而傳感器節點為子節點。

本系統采用的是美國DIGI公司生產的一款ZigBee無線模塊，頻率：2.4 GHz，供電電壓：3.3V～3.4 V，傳輸最大距離：1.6 km，傳輸數據速率：1200～230400 bps，工作電流：295 mA（@3.3V，發送），45mA（@3.3V，接收）。

3 軟件系統的設計與實現

3.1 下位機主要軟件設計

本系統用c語言編程，軟件采用模塊化結構程序設計方式，總體程序框圖如圖6所示。

圖6 總體程序流程圖

具體流程為：單片機上電復位，程序開始執行，初始化單片機端口，為驅動溫濕度模塊、Zigbee模塊作準備。初始化顯示模塊，用來顯示接收到的溫濕度數據。采集當前的溫濕度數據，如果沒有采集到數據，或由于外界干擾導致讀取錯誤，則返回繼續讀取。采集到的溫濕度數據經過相應的數據轉換后送到Zigbee發送模塊進行數據傳輸，Zigbee接收模塊接收溫濕度數據，如果沒有接收完，則繼續接收。接收完數據經過數據處理，傳送數據到顯示模塊進行顯示。

3.2 系統主要界面設計

數據采集處理采用Delphi編程語言，完成對站點、日期、時間、溫濕度、溫濕度報警上下限、溫度每小時波動范圍的設定。溫度數據由SQL語言編寫的數據庫進行存儲，并按站點對溫濕度數據進行處理。

4 技術條件

整個系統由若干個無線傳感器節點和一個監測中心節點組成。其中無線傳感器節點分布于需要測量的區域，對環境溫濕度進行測量，然后通過ZigBee無線模塊將數據發射出去，并且可以通過開關選擇是否將溫濕度值用LED顯示。監控中心節點負責接收傳感器節點的數據，并對數據進行綜合處理，將各個傳感器節點的信息應用軟件顯示在PC機上，并可以設定溫濕度的上下限值和溫度每小時波動值，超限時發出報警信號。

5 技術指標與要求

依據JJG 874-2007《溫度指示控制儀檢定規程》和 JJF 1076-2001《濕度傳感器校準規范》對鐵路計量檢測無線溫濕度記錄系統按系統確定的溫濕度測量范圍、準確度和分辨率指標進行校準。系統技術指標見表1。

表1 系統技術指標

6 結束語

本系統的設計結合了高速鐵路的現代化發展方向，能滿足對鐵路計量檢定工作越來越高的要求。借助高精度的溫濕度傳感器，可以實時顯示計量實驗室環境的溫度和濕度，在溫濕度以及溫度每小時波動超限時發出聲光報警，并通過ZigBee無線傳輸技術將數據傳輸到監測中心。作為一個低功耗、低成本、抗干擾性強的鐵路計量專用溫濕度記錄系統，隨著高速鐵路技術的成熟和發展，將成為現代計量部門環境溫濕度最理想的監控、管理系統。