基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的列車環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)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(nèi)的旅客列車正向著高速、自動和舒適的方向迅速發(fā)展，人們關(guān)注的目光更多地放到車廂內(nèi)部環(huán)境的舒適性上來。而且，現(xiàn)代列車的發(fā)展使其與傳統(tǒng)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(jīng)成為鐵路運輸研究中的重要課題之一［1］。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的出現(xiàn)，在信息的無線傳輸、低廉的使用成本，以及網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)等方面表現(xiàn)出較大的優(yōu)勢，十分適用于旅客列車運行中環(huán)境信息的采集和傳輸上。在旅客列車環(huán)境信息監(jiān)測方面開展相關(guān)的研究，對于提高國內(nèi)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(wǎng)絡(luò)

1.1 ZigBee技術(shù)簡介

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

ZigBee技術(shù)在進行數(shù)據(jù)收發(fā)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(xié)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(shù)在嵌入式設(shè)備組網(wǎng)的應(yīng)用中可以很好的滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?/p>

1.2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

在ZigBee技術(shù)規(guī)范中可以支持3種不同的拓撲結(jié)構(gòu)，分別是星形拓撲、樹形拓撲和網(wǎng)狀拓撲［4］。其中，星形拓撲實現(xiàn)最為簡單，但是網(wǎng)絡(luò)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(jié)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(yīng)用的需求。本文所設(shè)計的列車環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)必須保證系統(tǒng)的穩(wěn)定，因此選用了最為復雜的網(wǎng)狀拓撲結(jié)果作為終端組網(wǎng)的通信鏈路。網(wǎng)狀拓撲可以完全實現(xiàn)點對點的通信，在網(wǎng)絡(luò)中的某條通信鏈路發(fā)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(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 ZigBee網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 系統(tǒng)設(shè)計總體目標

本文中設(shè)計的監(jiān)測系統(tǒng)的主要功能是通過建立無線傳輸網(wǎng)絡(luò)，傳輸旅客列車車廂區(qū)域內(nèi)采集的溫度、氣壓、濕度、一氧化碳等環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對列車車廂內(nèi)環(huán)境狀態(tài)變化的實時監(jiān)測，確保旅客列車舒適安全運行［6］。因此，本文中設(shè)計的監(jiān)測系統(tǒng)采用了基于ZigBee的無線傳輸網(wǎng)絡(luò)，可以方便的完成列車上的數(shù)據(jù)采集、傳輸工作，可靠性強。系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

2.2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

整個系統(tǒng)由ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊和基于ARM CPU的控制模塊組成。其中，ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊主要完成信息的采集和無線傳輸?shù)暮诵哪K，由協(xié)調(diào)節(jié)點、路由節(jié)點和終端傳感器節(jié)點組成。ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)節(jié)點是嵌入在ARM CPU的控制模塊上的，作為無線通信接口，實現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)與ARM CPU控制模塊的互聯(lián)。

ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊上電后，開始建立無線通信網(wǎng)絡(luò)；網(wǎng)絡(luò)建立成功后，傳感器節(jié)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(nèi)的環(huán)境狀態(tài)數(shù)據(jù)進行采集；然后傳感器節(jié)點將采集的溫度、濕度、氣壓和一氧化碳等數(shù)據(jù)經(jīng)過低功耗射頻模塊發(fā)送出去，經(jīng)ZigBee無線傳輸網(wǎng)絡(luò)傳輸后，最終到達控制器節(jié)點，控制器節(jié)點接收數(shù)據(jù)，并進行處理及顯示，實現(xiàn)對旅客列車車廂內(nèi)部環(huán)境參數(shù)進行實時的監(jiān)測。另外，控制器可以根據(jù)目前的車廂狀態(tài)，向各個無線節(jié)點下達控制指令，無線節(jié)點可以具體做出空調(diào)的開關(guān)、溫濕度的調(diào)節(jié)等具體控制工作。

2.2.1 ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊設(shè)計

無線網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊主要負責系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、傳輸工作，由協(xié)調(diào)節(jié)點、路由節(jié)點和終端傳感器節(jié)點組成［7］。ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊功能框圖如圖3所示。

圖3 ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)通信模塊

在本系統(tǒng)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(tǒng)資源豐富，并且具有較高的處理性能。C2430芯片內(nèi)部內(nèi)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(fā)器，目前CC2430已經(jīng)成為最為主流的ZigBee組網(wǎng)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(shè)計

（1）為了獲取列車上的溫度和濕度數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)設(shè)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(shù)，包含一個14位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，通過串行進口同外部處理器相連。SHT11在出廠前都經(jīng)過了非常嚴格的校準標定并在內(nèi)部OTP內(nèi)存中保存校準系數(shù)，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(tǒng)設(shè)計中選用了MPXA6115A氣壓傳感器來采集列車車廂內(nèi)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(wěn)定可靠的高精度、高靈敏的ME2-CO傳感器。ME2-CO廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域的一氧化碳氣體檢測，具有非常好的重復性和穩(wěn)定性。ME2-CO的外圍電路設(shè)計如圖7所示，ME2-CO在檢測到一氧化碳氣體后會發(fā)出微弱的電信號，經(jīng)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(guān)系。

圖7 ME2-CO傳感器外圍電路圖

2.2.3 顯示電路設(shè)計

在本系統(tǒng)中，為了能夠?qū)崟r顯示列車車廂的數(shù)據(jù)信息，設(shè)計中采用了液晶觸摸屏作為列車車廂的數(shù)據(jù)顯示及空調(diào)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(shè)計時，選取了ADS7843作為控制器，通過其內(nèi)部的12bit高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器對觸摸屏采集的數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)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(diào)控制電路設(shè)計

為了控制車廂內(nèi)的環(huán)境溫度和濕度，本系統(tǒng)設(shè)計中采用了調(diào)速電機控制模塊，從而達到對空調(diào)蒸發(fā)器、冷凝器和換氣風扇的調(diào)節(jié)控制。這部分電路如圖9所示，終端傳感器節(jié)點的CC2430處理器收到控制指令后，調(diào)用內(nèi)置的調(diào)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(diào)的調(diào)速電機輸入電流，完成對空調(diào)調(diào)速電機的控制。

圖9 空調(diào)電機控制電路

2.3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

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

2.3.1 協(xié)調(diào)器節(jié)點程序設(shè)計

本系統(tǒng)中協(xié)調(diào)器節(jié)點軟件部分設(shè)計采用了模塊化的思路，通過ARM CPU處理器控制ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器節(jié)點初始化系統(tǒng)并啟動數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，之后掃描網(wǎng)絡(luò)中的終端節(jié)點等待其加入，在數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)建好后保證網(wǎng)絡(luò)的正常運行。

當一個協(xié)調(diào)器設(shè)備啟動之后，調(diào)用操作系統(tǒng)OSAL中的設(shè)備啟動函數(shù)進行網(wǎng)絡(luò)的組建工作，并將自己在網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備類型定義為協(xié)調(diào)器，這樣就標志著自己作為網(wǎng)絡(luò)的控制設(shè)備來進行網(wǎng)絡(luò)的維護工作，賦予標志位NodeType=COORDINATOR。在完成了初始化工作之后，協(xié)調(diào)器設(shè)備還需要對網(wǎng)絡(luò)的標識符、超級幀命令、工作信道和信標幀等具體的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進行定義和配置工作，在完成了網(wǎng)絡(luò)環(huán)境參數(shù)的配置之后，調(diào)用OSAL中的函數(shù)來確定網(wǎng)絡(luò)的建立成功，并等待其他設(shè)備的入網(wǎng)工作。Zig-Bee網(wǎng)絡(luò)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(jié)點程序設(shè)計

在終端傳感器節(jié)點設(shè)備的軟件設(shè)計中需要完成以下幾個功能：搜索網(wǎng)絡(luò)和加入網(wǎng)絡(luò)、發(fā)起綁定請求、數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收、開關(guān)空調(diào)、調(diào)節(jié)氣壓和顯示器的控制等。終端節(jié)點的程序流程圖如圖11所示。

圖11 終端節(jié)點軟件流程圖

同協(xié)調(diào)器設(shè)備類似的ZigBee終端設(shè)備在上電之后，也需要啟動OSAL操作系統(tǒng)進行設(shè)備的啟動和初始化工作，對當前的硬件設(shè)備狀態(tài)進行查詢和配置，對硬件上面的參數(shù)寄存器進行初始化。之后ZigBee終端設(shè)備需要對附近的網(wǎng)絡(luò)進行搜索和發(fā)現(xiàn)，向ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器設(shè)備發(fā)送入網(wǎng)申請，并等待答復。在核準入網(wǎng)之后，進一步發(fā)送設(shè)備綁定請求，進行網(wǎng)絡(luò)地址的綁定工作，在協(xié)調(diào)器更新網(wǎng)絡(luò)設(shè)備綁定表之后，會返回一個綁定成功的命令，之后ZigBee終端設(shè)備就可以按照相應(yīng)的地址發(fā)送數(shù)據(jù)了。在本系統(tǒng)中，ZigBee網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備的主要工作是將連接在終端設(shè)備上的傳感器采集的數(shù)據(jù)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)進行發(fā)送，并接受協(xié)調(diào)器發(fā)來的控制命令，對空調(diào)電機進行調(diào)速控制，或者將相應(yīng)的數(shù)據(jù)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(wù)的時候，設(shè)備處于空閑狀態(tài)，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(wù)時在進行喚醒。

3 結(jié)論

本文在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，選用多種傳感器來采集列車中的環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)，并利用CC2430芯片構(gòu)建了一個網(wǎng)狀拓撲結(jié)果的無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，在此網(wǎng)絡(luò)中進行環(huán)境數(shù)據(jù)的傳輸，實現(xiàn)了對旅客列車環(huán)境的智能監(jiān)控。通過合理的設(shè)計軟硬件系統(tǒng)，系統(tǒng)可以實現(xiàn)長時、穩(wěn)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(yīng)用前景。