基于ZigBee的高速公路機電設備監(jiān)測系統(tǒng)設計

李 通， 于軍琪， 周 建， 張燚雯

（1 西安建筑科技大學， 陜西西安 710055；2 電子科技大學，四川成都 611731）

0 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)和科學信息技術的迅速發(fā)展，高速公路機電設備的大型化、連續(xù)化、高速化和自動化在帶來效率提高、成本降低，能源節(jié)約的同時，設備故障的潛在可能性和方式也相應增加。一旦發(fā)生故障，就有可能導致整個交通網的癱瘓，造成巨大的經濟損失、重大的人員傷亡。高速公路機電設備投資大、技術復雜；分布的點多、線長、面廣、故障率高、修復時間緊、更新速度快，給管理與維護工作帶來了一定難度。因此，如何建立一套行之有效的機電設備管理與維護模式，是高速公路管理者關心的課題。一種好的無線監(jiān)測方式會使高速公路機電系統(tǒng)更快速、更有效地運行，是有效防止因機電設施故障引發(fā)交通事故的直接措施，便于智能管理。對于機電設備的長期使用和提高設備的使用效率具有重大的現(xiàn)實意義。

1 高速公路機電系統(tǒng)的介紹

機電系統(tǒng)是發(fā)揮道路設施交通功能的主要輔助系統(tǒng)，是對高速公路實施現(xiàn)代化管理的主要工具，能幫助實現(xiàn)高速公路的實時管理以及數(shù)據(jù)管理。機電系統(tǒng)是包含多個子系統(tǒng)，以電子、電氣、控制、通信、機械和交通工程等技術為基礎的綜合性大系統(tǒng)，它由監(jiān)控、收費、通信、照明、供配電和隧道安全運行保障等子系統(tǒng)組成[1]。子系統(tǒng)內部和各子系統(tǒng)間由通信網聯(lián)系，系統(tǒng)組成如圖1所示。其中，監(jiān)控和收費系統(tǒng)大都為計算機控制系統(tǒng)，通過光纜數(shù)字通信連結成遠程計算機網絡，各網絡間信息共享。

圖1 高速公路機電系統(tǒng)組成

2 基于ZigBee的機電監(jiān)測系統(tǒng)設計

由于高速公路延伸長，機電設備分布相對比較集中，較多的機電設備都分布在收費場地，高速公路進出口，隧道等地方，這些地方各自的距離都相距較遠。所以選擇在這些機電設備相對集中的地方建立無線傳感器網絡，以數(shù)據(jù)為中心，將采集數(shù)據(jù)集中到現(xiàn)場中心，然后通過遠距離無線傳輸方式傳送到高速公路監(jiān)控中心，如圖2所示。

圖2 高速公路監(jiān)控系統(tǒng)原理圖

收費場監(jiān)控點、高架橋監(jiān)控點、隧道監(jiān)控點等其他分布在高速公路上的監(jiān)控點都是由無線傳感器網絡構成的無線監(jiān)控網絡，在這樣一個監(jiān)控網絡中，是由很多個監(jiān)控節(jié)點構成，監(jiān)控節(jié)點負責采集需要的數(shù)據(jù)，比如機電設備運行的環(huán)境參數(shù)，或者某些關鍵電路板的供電電壓，運行電流等，有很多分布在機電設備周圍的這樣的采集節(jié)點，這些采集節(jié)點將采集到的數(shù)據(jù)再上傳到無線網絡的匯集點，也就是協(xié)調中心，協(xié)調中心再通過遠距離無線傳輸方式將本監(jiān)控網絡的數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控中心，如圖3所示。

圖3 監(jiān)控系統(tǒng)的網絡體系結構

采集節(jié)點是一個具有處理能力的微型節(jié)點，它具有一定的處理能力、存儲能力和通信能力。在無線傳感器網絡中，傳感器節(jié)點主要是采集自身配備的傳感器得到的信息，還能協(xié)同其他節(jié)點完成相關的任務。

監(jiān)測終端節(jié)點是無線傳感器網絡[2]的基本單元，是構成整個網絡的最基本的元素，節(jié)點穩(wěn)定是整個網絡運行可靠的最基本的保證。在本系統(tǒng)中，要求終端節(jié)點負責獲取環(huán)境參數(shù)、對數(shù)據(jù)進行預處理、路由響應以及指令響應等功能。節(jié)點上的傳感器主要是完成獲取設備運行環(huán)境參數(shù)，比如溫度、濕度、壓力、振動等，并通過模數(shù)轉換器把這些信息轉換成數(shù)字的形式。節(jié)點上的微處理器則可以對模數(shù)轉換器得到的數(shù)據(jù)進行初步處理，封裝成統(tǒng)一的幀格式，并控制無線傳輸模塊的工作——信息傳輸部分及讀取接收信息；另外，節(jié)點上的電源部分也是節(jié)點設計的重點，因為終端節(jié)點一般是用電池供電，所以節(jié)省能耗是電源設計甚至是整個系統(tǒng)設計的重點。

傳感器網絡節(jié)點的硬件設計主要包含4個部分：傳感器模塊、微處理器模塊、無線收發(fā)器模塊以及電源模塊，如圖4所示。

圖4 監(jiān)測系統(tǒng)終端節(jié)點硬件結構

傳感器節(jié)點可以在一個節(jié)點上連接多種傳感器，同時監(jiān)測多種參數(shù)，也可以只用一個傳感器監(jiān)測一種參數(shù)。傳感器節(jié)點按其功能可以大致分為兩種：一種是用來監(jiān)測數(shù)據(jù)的，即用來獲取機電設備運行狀態(tài)的節(jié)點；另一種是基點，就是兼顧路由功能。兩種節(jié)點實現(xiàn)的主要功能不同，同時硬件設計也有一定的差異。

3 硬件設計

由于節(jié)點往往是用電池來供電，而且常期處于無人監(jiān)管的環(huán)境下工作，被安置在工作區(qū)域后，就少有人干預，所以節(jié)點的微處理器應該滿足高穩(wěn)定性、低消耗以及小體積的原則。根據(jù)這個原則，本設計采用TI公司推出的單片、低功耗、多頻段、超高頻射頻芯片CC2530。

由于在高速公路機電設備的故障中，很大一部分表現(xiàn)為芯片故障或者線路故障，通常表現(xiàn)為電流急劇增大，而出現(xiàn)芯片故障的原因則通常因為環(huán)境因素的改變如溫度等，所以監(jiān)測終端節(jié)點往往會配備溫度傳感器與電流傳感器，由于CC2530自帶了溫度傳感器，所以下面介紹一下電流的監(jiān)測電路設計，

電流傳感器所依據(jù)的工作原理主要是霍爾效應[5]，當原邊導線經過電流傳感器時，原邊電流I1會產生磁力線，原邊磁力線集中在磁芯周圍，內置在磁芯氣隙中的霍爾電極可產生和原邊磁力線成正比的大小僅幾毫伏的電壓，電子電路可把這個微小的信號轉變成副邊電流I2，并存在以下關系式：

NP·I1=NS·I2

其中I1為初級電流，NP初級匝數(shù)，I2次級電流，NS次級匝數(shù)。 I2通常很小，只有100～400 mA。如果輸出電流經過測量電阻RM，則可以得到一個與原邊電流成正比的大小為幾伏的輸出電壓信號，將電壓信號送到CC2530內部進行模數(shù)轉換就可以算出原邊的電流。在本系統(tǒng)中，選用的電流傳感器為HBV025B，電路圖如圖5所示。

4 軟件設計

在整個系統(tǒng)中，監(jiān)測設備采用無線聯(lián)網方式，監(jiān)測設備之間采用ZigBee無線方式進行信息的無線傳輸，通過芯片射頻部分組織無線自組織網絡[6]，由匯聚節(jié)點完成與基站（網關節(jié)點）的通信。傳輸?shù)浆F(xiàn)場監(jiān)測中心點，從現(xiàn)場中心到管理中心采用Internet的方式，實現(xiàn)信息的遠程交互。

圖5 電流監(jiān)測終端的電路設計

WEB管理系統(tǒng)是采用B/S結構進行開發(fā)的，這樣用戶可以通過瀏覽器進行瀏覽操作[7]，本軟件系統(tǒng)是基于LAMP（Linux+Apache+Mysql+Perl/PHP/Python）[8]平臺開發(fā)完成的。

整個應用系統(tǒng)的功能框圖如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)功能框圖

從框圖可以看出，整個系統(tǒng)分為4大模塊：設備管理、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)備份、管理員設置。

用戶在進入系統(tǒng)前要進行驗證登陸，在如圖7所示的界面輸入用戶名和密碼，確定用戶是否有進入系統(tǒng)的權利。

圖7 系統(tǒng)登陸界面

用戶登陸流程如圖8所示。

圖8 用戶登陸流程圖

用戶進入系統(tǒng)登陸頁面后，輸入用戶名和密碼，經過和數(shù)據(jù)庫的信息進行比對，完全一致就進入系統(tǒng)，進行相關管理，如果出現(xiàn)不相符的狀況，就出現(xiàn)警告信息，要求用戶重新輸入，當輸入次數(shù)超過3次時，鎖定該用戶，如果要解鎖賬號，需和系統(tǒng)管理員聯(lián)系，管理員經過身份核對后，可以決定是否解鎖該賬號。

用戶登陸系統(tǒng)后，可以看到如圖9所示的畫面。

用戶進入系統(tǒng)首先看到是一份使用說明，簡要介紹了系統(tǒng)的使用方法。右側是系統(tǒng)的導航欄，是系統(tǒng)的4大功能模塊的具體實現(xiàn)。

圖9 系統(tǒng)主視圖

（1）設備信息：列出所有設備的實時運行狀況，也可以按條件列出設備信息，比如按設備名、類型、設備所在區(qū)域。

（2）添加設備：用戶可以添加設備，添加信息包括設備的設備名、設備類型、所在區(qū)域和詳細地點等。

（3）查找設備：可以按條件查找設備，將符合條件的所有設備列出來。在系統(tǒng)中可以按照設備名查找一個設備，也可以按照區(qū)域和類型查找，將某一區(qū)域和類型的設備都理出來，同樣可以按照設備的運行狀況查找，將運行正常或運行異常的設備列出來。

（4）設備運行狀況：可以將某一設備、某一類型設備或者某一區(qū)域的設備在一段時間的運行曲線繪制出來。

（5）問題設備：將出現(xiàn)問題的設備單獨列出來，可以盡快的發(fā)現(xiàn)問題設備，避免造成更加嚴重的問題。

（6）歷史數(shù)據(jù):在這里可以查看歷史記錄。

（7）數(shù)據(jù)備份及導入：用戶可以備份數(shù)據(jù)據(jù)庫里的所有信息，并且到處為EXCEL格式。

（8）用戶注冊：管理員可以在此添加新的用戶，如圖10所示，同上，后面帶有紅色星號的空格為必填項目。

圖10 添加用戶

（9）登陸日志：在登陸日志里記載了用戶登陸系統(tǒng)的時間、IP，還可以進一步加入記錄用戶在系統(tǒng)中的操作信息，加強對用戶行為的管理，保障系統(tǒng)的安全，如圖11所示。

圖11 用戶登陸日志

5 實驗研究

按照上述方案在室外搭建了一個短距離的實驗平臺，沿途布置了100個采集節(jié)點，編號為T1,T2,…,T100。由于CC2530自帶溫度傳感器，所以每個節(jié)點都實現(xiàn)環(huán)境溫度的采集，其中節(jié)點T100處安置了一臺可變檔800W/1200W/2000W的電暖器，T100采集電暖器運行時的電流。為了觀察方便，在添加設備的時候并未添加所有的設備，只隨意添加20個設備再加上T100，然后點出獲取節(jié)點信息，在網頁平臺上可以立即觀察到添加的21個節(jié)點的環(huán)境信息。網頁1 min更新一次節(jié)點信息并自動保存，每隔20 min調節(jié)電暖器的檔位，依次是800 W，1 200 W，2 000 W，調出歷史數(shù)據(jù)，分別按順序取出10組來觀察，這里只列出T100的信息，如表1所示。

圖12反映了T100返回的10組數(shù)據(jù)的變化情況，從圖中可以看出，節(jié)點T100因為受到電暖器加熱的原因溫度在逐步上升，另外，在電暖器檔位變化時，電流也發(fā)生變化。同時，溫度和電流的變化也實時地反應在網站上，驗證了該方案的可行性。

表1 節(jié)點T100返回的數(shù)據(jù)信息

圖12 節(jié)點T100返回數(shù)據(jù)統(tǒng)計

6 結束語

本文介紹一種基于ZigBee技術的高速公路機電設備監(jiān)測系統(tǒng)。采用ZigBee技術組建監(jiān)測網絡，由傳感器+通訊模塊組成各個監(jiān)測終端，監(jiān)測終端采集的信息匯集在匯集點再通過遠距離無線傳輸方式傳到遠處的監(jiān)控中心，監(jiān)控中心利用基于LAMP平臺開發(fā)的B/S結構應用程序發(fā)布監(jiān)測數(shù)據(jù)，使用戶能夠通過訪問監(jiān)控網站直接觀察整個機電系統(tǒng)的運行狀況，并利用數(shù)據(jù)庫對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行保存。最后，通過搭建實驗平臺驗證了該方案的可行性。

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