基于ZigBee無線通信技術的城軌交通軸溫監測系統研究

牛園園

（江蘇省徐州技師學院，江蘇 徐州 221000）

1 ZigBee 無線通信技術概述

ZigBee是IEEE 802.15.4技術的商業名稱[1]。近年來，ZigBee無線通信技術已經被廣泛應用于各個領域，具有許多優點。當其用于睡眠模式時，傳輸功率僅為1 mW，能夠在一定程度上達到節電能耗的作用，而且延遲較短，僅15 ms就能夠在第一時間內激活睡眠工作狀態，完成設備搜索任務，滿足不同行業的基本需求[2]。

ZigBee的優勢在于擁有較大的網絡容納能力，僅需要一個星型的ZigBee網絡就能夠承載254個子節點和1個主節點，而且在數據傳輸過程中通過碰撞避免模式，能夠在一定程度上有效避免發生競爭和沖突，說明了ZigBee通信技術的可靠性[3-5]。此外，在安全方面ZigBee提供了一種循環冗余校驗方法，通過AES-128數據信息的加密模式，使每一個數據信息均能夠在一定程度上確定最佳屬性。

2 基于ZigBee無線通信技術城軌交通軸溫監測系統的總體設計

對基于ZigBee無線通信技術的城軌交通軸溫監測系統而言，其主要由上位機和下位機兩個部分組成。上位機是一臺終端個人計算機（Personal Computer，PC），主要負責溫度數據的實時監測和信息存儲。下位機主要由多個軸溫數據信息采集節點構成，主要負責溫度數據量值的采集和數據信息的有效傳輸等。

溫度采集終端在接收到協調器傳輸的信號后進行網絡訪問操作，成功訪問網絡后將連接至溫度采集終端，在滿足實際需求的情況下對系統進行初始化。通過ZigBee無線網絡將溫度數據信息定期傳輸至系統對應的協調器內，協調器將獲取的溫度數據信息進行操作處理。若溫度參數高于設定的閾值，則將會觸發警備裝備，此時需要協調器及時處理溫度量值數據信息，再將其通過串口通信模式傳輸至PC設備終端，從而使得相關工作人員可以實時監測系統溫度。

3 基于ZigBee無線通信技術城軌交通軸溫監測系統的硬件設計

3.1 無線通信模塊設計

ZigBee無線通信技術的城軌交通軸溫監測系統終端選擇CC2530，其電路圖如圖1所示，基本構成包括射頻功率放大電路、晶體振蕩電路以及電容裝置等，所涉及的電容裝置為濾波電容裝置和故障消除電容裝置，在實際應用過程中能夠增強芯片的工作穩定性[6]。晶體振蕩電路由32 MHz晶振Y1、32.768 kHz晶振Y2以及多個負載電容裝置構成。其中，Y1與XOSC32M_Q1和XOSC32M_Q2相關聯，負責高速晶振；Y2與引腳P2_3和P2_4相關聯，負責提供低速時鐘源。

圖1 CC2530電路圖

3.2 溫度采集功能電路設計

在城軌交通軸溫監測系統的溫度采集功能電路設計中，DS18B20可以作為系統內部的模擬溫度傳感器和數據信號處理裝置，在進行數據信息傳輸的過程中與CC2530通信，從而在設定區域范圍內實現溫度采集功能。考慮到該系統僅需要進行單點溫度采集，因此本文將采用外部電源供電模式。基本溫度采集電路如圖2所示。

對于城軌交通軸溫監測系統的溫度采集電路，通過DS18B20采集溫度測量的實驗對象，并將獲取的溫度數據信息傳遞至CC2530端，然后將該數據信息作為系統的信號輸入端。為了使DS18B20能夠執行精確的溫度轉換功能，I/O端口必須確保轉換周期內的電源供應，然后與CC2530相結合，在一定條件下實現溫度的采集功能。

3.3 溫度顯示電路設計

在城軌交通軸溫監測系統的溫度顯示電路設計過程中，LCD1602具有（1～11）×104h的半衰周期。目前最常用的是8段式數字顯示裝置，包括10個管腳，每個段位對應1個管腳，其余的顯示管可以用來顯示數據信息傳輸的公共終端[8,9]。8段式數字顯示裝置在一定應用情況下能直接顯示時間、日期以及溫度等相應量值信息，具有較強的直觀性。

4 ZigBee無線通信技術城軌交通軸溫監測系統的軟件設計

4.1 Z-Stack協議棧設計

ZigBee無線通信技術的城軌交通軸溫監測系統軟件部分的設計主要以Z-Stack協議棧為核心，在滿足整個系統應用需求的前提下調用封裝完成的功能函數數據包，從而順利完成調試工作，實現系統網絡的有效傳輸。Z-Stack協議棧的基本工作主要為系統初始化和實體操作運行。在系統程序運行的應用開發中，需要調用lininitasks（）函數構建任務包，同時對其中包括的全部任務Task ID分配唯一的標識符。若在項目運行過程中涉及多個事件同時發生的情況，那么系統會根據事件設置的優先級進行依次操作。

4.2 溫度采集終端設計

當城軌交通軸溫監測系統的溫度采集數據終端啟動電源后，其將會自動掃描周圍區域范圍內的相關網絡，同時向網絡發起請求。若有網絡應答成功后，DS18B20將采集溫度數據信息，然后將獲取的溫度數據放置于系統的緩存區域內。系統終端裝置通過調用SendPeriodicMessage（）函數與協調裝置傳輸數據信息，此時上位機能夠同時實時監測城軌交通軸溫的4個終端，并分別定義4個終端，便于后期識別。

4.3 上位機監測設計

城軌交通軸溫監測系統的上位機界面由溫度顯示模塊、數據量值圖像模塊以及數據存儲模塊構成。對于溫度顯示模塊而言，其在實際應用過程中能夠同時實時監測4個終端的溫度數據信息，設置周期為1 s。若溫度參數高于設定的閾值，則將會觸發警備裝備[10]。對于數據量值圖像模塊而言，其依照4個終端的溫度數據信息變化情況進行實時的曲線繪制，從而在一定程度上能夠讓相關工作人員直觀地監測到不同時間段內溫度的變化情況[11]。對于數據存儲模塊而言，其能夠存儲歷史顯示的數據信息，便于管理人員分析和匯總城軌交通軸溫的變化情況。在上位機監測設計中，主要以C++為語言基礎，應用IVIFC類庫結合Iocomp控件實現溫度顯示和圖像繪制，通過調用Serialport函數設置串口參數量值，從而在滿足需求的條件下實現系統上位機與下位機之間的數據通信傳輸。

5 ZigBee無線通信技術的城軌交通軸溫監測系統測試分析

對于ZigBee無線通信技術的城軌交通軸溫監測系統而言，其在系統測試階段根據城軌的基本情況及周邊環境的實際現狀，在實驗室內模擬出系統裝置在現場的實際應用環境。首先，啟動城軌軸溫監測系統的上位機程序。其次，設置與協調裝置通信時應用的串行端口號。當設置完成后需要獲取協調裝置的溫度數據信息參數，單擊自動刷新功能，此時4個終端的溫度將會呈降低趨勢，然后繪制對應的溫度變化情況圖。最后，經過試驗測試，城軌軸溫監測系統的上位機程序運用穩定，ZigBee無線通信裝置采集的溫度數據信息正常。當測試距離設置為100 m時，溫度數據傳輸正常，無異常情況發生，符合城軌的軸溫基本需求。

6 結 論

針對城市軌道運輸的特點和時代發展的需求，設計了基于ZigBee無線通信技術的城軌交通軸溫監測系統。該系統應用溫度傳感器DS18B20檢測城軌軸溫，同時通過ZigBee無線通信技術傳輸獲取的溫度數據信息，最終由串口通信模塊將監測的溫度情況傳輸至終端顯示界面。城軌交通軸溫監測系統在實際應用過程中能夠更加精準地保證車輛的軸溫處于正常范圍內，在一定程度上使得城市軌道交通更加安全。