基于ZigBee的高速動車組車內溫濕度監測系統設計

莊華勇，伍川輝

（西南交通大學機械工程學院，四川 成都 610031）

0 引 言

近年來，我國的高速鐵路事業飛速發展，多條高鐵客運專線陸續開通。隨著人們的生活水平日益提高，旅客對高鐵乘坐舒適性的要求也與日俱增[1]。其中溫濕度舒適度是衡量旅客乘坐舒適性的一個重要指標，溫濕度監測系統能對列車運行過程中的溫濕度實時監測，為分析車內溫濕度現狀、研究車內溫濕度與舒適性的關系提供試驗依據，對改善旅客乘坐舒適性起著重要的作用。以中國南車集團四方機車車輛廠的CRH2型高速動車組為例，列車采取8節車廂編組，全長204.9m，每節車廂兩端均有電動門，使之成為獨立空間[2]。本文介紹的基于ZigBee的溫濕度監測系統采樣點布置靈活，可在車內任意位置放置，數據傳輸要求每個發送的數據包都必須等待接收方的確認信息，建立起可靠的數據通信模式，解決了傳統方式現場鋪設線纜造成的車廂門不能關閉、距離受限、信號受電磁干擾而變得不穩定等問題，具有成本低、干擾小、傳輸穩定、安全性高等特點。

1 系統方案設計

監測系統的設計方案是以51單片機C8051F021為微控制器，通過SPI的接口方式與射頻收發芯片MC13193相連，數字式溫濕度傳感器SHT21通過I2C接口方式與C8051F021通信傳輸溫濕度數據。監測系統應用ZigBee無線網絡技術采用樹簇型拓撲結構實現數據的無線收發。樹簇型網絡中包括協調器、路由器節點和終端設備節點。終端設備完成溫濕度數據的采集，并通過路由器節點轉發至協調器，路由器節點完成數據的路由功能[3]。網絡中只有一個協調器，協調器將所有的溫濕度數據通過串口方式傳輸給上位機進行處理及顯示。系統總體設計方案如圖1所示。

圖1 系統方案設計框圖

2 硬件設計

C8051F021為硬件模塊的控制核心，它與射頻收發芯片MC13193之間的通信依靠4線串行外部設備接口（SPI）完成，與溫濕度傳感器SHT21之間通過I2C接口獲取溫濕度數據，通過RS232串行接口實現與上位機的通信，其硬件設計框圖如圖2所示。

2.1 硬件選取

微控制器（MCU）選用Silicon公司的C8051F021單片機，C8051F021是完全集成的混合信號系統級MCU芯片，具有64KB可在系統編程的Flash存儲器和4352（4096+256）KB的片內RAM。自帶所需的SPI、SMBus/I2C和兩個UART串行接口。

圖2 硬件設計框圖

射頻收發芯片選用Freescale公司的MC13193，包含完整的IEEE802.15.4標準物理層（PHY）調制解調器，用于支持IEEE802.15.4標準所規定的點對點、星狀和網狀網絡通信。MC13193射頻收發器集成了低噪聲放大器、1.0mW功率放大器、電壓控制振蕩器、穩壓器以及全擴頻調制解調器，可通過編程實現在2.4GHz頻段內16個可選通道中的1個通道傳輸數據[4]。

溫濕度傳感器選用SHT21，是一個全新設計的精密傳感器芯片。配有電容式相對濕度傳感器和能隙溫度傳感器，包含一個放大器、A/D轉換器、OTP內存和數字處理單元。芯片封裝采用包塑成型工藝，具有優異的抗老化和抵抗周圍環境不良影響的特性，保證產品的長期穩定性。采用DFN3-0封裝方式，占用空間小，便于直接焊接在印制板上。傳感器經過完全標定，提供I2C數字接口，數字通信可大大降低功耗。

2.2 PCB板設計

氣體的相對濕度，在很大程度上依賴于溫度。測量濕度時，應盡可能保證所有測量同一濕度的傳感器在同一溫度下工作，設計電路時采取措施將熱傳遞的影響減至最小。因此在印刷電路板SHT21附近處加入銑削狹縫設計，減小熱傳遞。設計示意圖如圖3所示。

圖3 傳感器處印刷線路板設計示意圖

在無線通信系統中，天線的作用非常重要。MC13193工作在2.4GHz，天線尺寸較小，可以直接制作在印刷電路板上，采用雙天線配置，既有RX天線又有TX天線，成本低，效果好。設計時RX天線和TX天線分別繪制于印刷電路板上的頂層與底層，上下形成鏡像對稱，從接收輸入引腳RFIN+、RFIN-和差動PA輸出引腳PAO+、PAO-引出的天線也應在各自層上形成對稱。雙天線的設計原理如圖4所示。在接收端，RX天線交流耦合到差動RFIN輸入端，兩個電容器隨同電感器L1一起與網絡匹配。電感器L2和L3通過一個電容器交流耦合接地，組成一個頻率陷阱。在發送端，TX天線連接到差動PAO輸出端，電感器L4和L5提供直流偏壓到VDDA，但對于交流是隔離的[4]。

圖4 天線設計原理圖

3 軟件設計

3.1 ZigBee無線網絡程序設計

程序主要包括ZigBee無線網絡和上位機監控界面兩部分。以Keil作為單片機的集成開發環境，以圖形化編程語言LabVIEW作為系統監控界面的設計。

圖5 協調器流程圖

ZigBee無線網絡程序主要包括協調器、路由器、和終端設備設計。協調器作為整個網絡的核心，起著至關重要的作用，主要實現網絡的組建、管理、數據的處理等。工作過程是：上電后初始化軟硬件，使能MCU和RF收發器，然后按照能量掃描方式不斷搜索頻段范圍內的信道，選擇其中能量最弱的信道標識為自己的信道。當有節點申請加入網絡時，協調器便會分配一個網絡地址給節點，構成新的網絡[5-6]。協調器的程序流程如圖5所示。

在樹簇型網絡中，路由器和終端設備都作為協調器的子節點。路由器節點和終端設備節點上電后首先進行初始化，其過程如協調器的初始化。初始化完后，子節點發送入網請求，路由器的入網流程如同終端設備。路由器入網成功后，則一直等待終端設備傳輸數據信號，接收到信號后，路由器則將溫濕度數據無線傳輸給協調器。路由器主要負責協調器和終端設備間的可靠數據傳輸。終端設備入網成功后，根據程序中對數據采集時間間隔的設置，如果到了數據采集時間，終端設備進入中斷，相應傳感器進行數據采集、處理與傳輸，數據傳輸完后，進入休眠模式。路由器和終端設備子節點的程序流程如圖6所示。

圖6 路由器和終端設備流程圖

圖7 某測點測試結果圖

3.2 上位機軟件設計

高速動車組車內溫濕度監測系統的上位機監控界面采用圖形化的編程語言LabVIEW軟件編寫。實現對系統參數的設置、監測點數據的采集與處理,實時顯示各采集點的IEEE號和溫濕度數據。在進行PC機和無線采集模塊串行通信前，首先配置好串口使計算機串口的各種參數設置與無線收發模塊的串口參數保持一致，以能夠正確的通信[7]。

3.2.1 系統設置

（1）用戶可根據高速動車的常規要求或具體情況，設置溫濕度的上限與下限，進行預警；

（2）設置高速動車溫濕度監控系統溫度、濕度的采樣時間與次數；

（3）設置或修改進入溫濕度監控系統的口令與密碼；

（4）對溫濕度監控系統中計算機的當前日期與時間校準，使監控數據與監控時間建立對應關系；

（5）溫濕度監控系統數據存入存儲介質，以便長期保存查詢。

3.2.2 系統監測與控制

（1）控制各監測點溫濕度數據采集的開始與停止；

（2）實時監測各測點的溫濕度現狀、溫濕度舒適度，以圖形和數字方式實時顯示；

（3）控制是否保存當前監測的溫濕度數據；

（4）可查看保存數據時間段內的溫濕度走勢曲線及溫濕度數據報表；

（5）可查看保存數據時間段內的溫濕度數據的最高值、最低值和平均值等。

4 試驗結果

溫度和濕度均是緩慢變化的信號，根據GB/T 18204.13-2000和GB/T 18204.14-2000中對列車車內溫度、濕度規定的監測檢驗方法，每5 s進行一次數據采集，每5min為一個時間段分析數據，用該時間段的60個數據的有效值來衡量溫度、濕度的舒適度，并統計其數據規律[8-9]。

圖7為高速動車組車內某測點6分鐘內的溫濕度數據測試結果，依據溫度、濕度舒適度等級劃分標準，可以看出此測點處溫度舒適度為25.46℃，屬于“非常舒適”，濕度舒適度為67.56%RH，屬于“還算舒適”[10]。

5 結束語

本文設計的基于ZigBee無線網絡技術的高速動車組車內溫濕度監測系統能滿足溫濕度的實時監測以及溫濕度舒適度的實時評價，對改善高速動車組乘坐舒適性起著重要的作用。此設計結構簡單、可靠性高、抗干擾能力強、性價比高，具有較大的實用意義。

[1]馮曉芳.中國高速鐵路的發展與展望[J].工業技術，2009（1）：129-130.

[2]楊中平.漫話高速列車[M].北京：中國鐵道出版社，2009.

[3]郭淵博，楊奎武，趙儉.ZigBee技術與應用-CC2430設計、開發與實踐[M].北京：國防工業出版社，2010：7-8.

[4]瞿雷，劉盛德，胡咸斌.ZigBee技術與應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2007：227.

[5]高文華，康琳，柴婷婷，等.基于ZigBee的溫濕度監測系統[J].電子測量技術，2008，31（10）：122-124.

[6]張藝，廖俊必.基于ZigBee技術的無線環高測量儀系統[J].中國測試技術，2010，36（2）：59-62.

[7]徐小玲，李少彪，張福強.基于ZigBee的糧倉溫濕度監控系統設計[J].廣東石油化工學院學報，2011，21（4）：48-50.

[8]GB/T 18204.13—2000公共場所空氣溫度測定方法[S].北京：中國標準出版社，2000.

[9]GB/T 18204.14—2000公共場所空氣濕度測定方法[S].北京：中國標準出版社，2000.

[10]張忠箭，鄭曉娟，莫易敏.基于虛擬儀器技術的列車舒適度檢測與評價[J].中國水運，2006，4（8）：141-143.