車載無線溫度智能監測系統

謝晉飛，靳 鴻，史曉軍

（1.中北大學 儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，太原030051；2.晉西工業集團有限責任公司，太原030027）

隨著我國綜合國力和地區影響力的不斷提升，無論在在地區維穩，還是在反恐治安中，履帶式車輛都扮演著極其重要的角色。 目前在履帶式車輛的動態參數研究方面，數據采集與數據分析往往被分割開來，如文獻[1]對發動機支撐載荷變化數據進行采集分析，先將數據采集到存儲讀數盒，采集結束后再將讀數盒的數據讀取到上位機進行分析。 文獻[2]基于總線技術的網絡化設計，對履帶式裝甲車輛電氣系統進行模塊劃分，作為總線上的節點，對裝甲車輛電氣系統進行實時、快速、準確地檢測。 文獻[3]提出了一種裝甲裝備訓練遠程監控系統架構，實現了裝甲裝備訓練信息數字化遠程監控。 文獻[4]針對傳統的裝甲車輛電氣設備檢測的缺陷，利用CAN 總線構建了網絡化檢測系統。 該系統將待檢測子系統作為總線上的節點，以C8051F040 單片機為控制單元，通過相應接口電路連接到待測節點，并將數據處理結果通過CAN 總線上傳到上位機，實現對裝甲車輛電氣系統的實時監測。

在此融合物聯網創新技術，設計了履帶式車輛無線溫度智能監測系統，采用無線分布式傳感器網絡對溫度數據進行實時采集、監測。

1 系統設計方案

所設計的車載無線溫度智能監測系統，融合物聯網技術，通過人機智能交互界面對履帶式車輛艙內的溫度參數進行讀取、分析，測試終端的傳感器通過分布式拓撲網絡結構進行部署，取代傳統測試依靠線纜傳輸數據，大大提高艙內電子設備的可集成度，從而優化了整車的信息傳輸系統，擴展整個監測系統的空間。 履帶式車輛內部機構復雜，溫度參數直接體現艙內環境舒適狀況，監測艙內的溫度變化狀況可以直觀地告訴車內人員所處環境的溫度變化情況，提高駕駛體驗和工作效率。

該系統的整體設計方案如下：前端溫度采集節點構成艙內無線傳感網絡，將采集的艙內溫度數據通過ZigBee 協議匯總到協調器接收終端，數據接收終端再將獲取的溫度數據通過串口上傳到樹莓派，樹莓派可根據需要設計適合車輛的人機交互界面，車內人員可以通過車載顯示屏的人機交互界面進行溫度數據的獲取和分析，溫度數據同樣可以通過WiFi 傳輸到遠程控制中心，對艙內的溫度數據進行存儲和分析。 車載無線溫度智能監測系統結構如圖1 所示。

圖1 車載無線溫度智能監測系統結構Fig.1 Structure of vehicle-mounted wireless temperature intelligent monitoring system

1.1 前端溫度采集節點模塊設計

前端溫度采集節點由8051 內核及其外圍電路、溫度傳感器、CC2530 模塊（傳送）、電源模塊構成，設計框圖如圖2 所示。

圖2 前端溫度采集節點Fig.2 Front-end temperature acquisition node

前端溫度采集節點加入網絡后，周期性控制傳感器采集數據通過CC2530 的RF 收發器發送至協調器。 當收到上位機系統發來的指令數據，則對數據進行解析，并執行相應的操作。不同的CC2530 模塊具有不同的節點網絡容量，功放與耗能最高的情況下可以包含200～255 個節點[5]，完全可以滿足履帶式車輛艙內的溫度監測需求。

1.2 上位機數據處理模塊設計

上位機數據處理模塊核心部分由樹莓派3B+、車載顯示屏內嵌人機互動界面、CC2530 模塊 （接收）、電源模塊、串口通信模塊和遠程PC 端構成。 其中，樹莓派與顯示屏通過HDMI 接口連接，實現顯示屏的供電和數據傳輸；樹莓派與CC2530 模塊之間采用USB 串口連接，實現數據和控制指令的傳輸。

當協調器收到終端發送的傳感器數據，首先對數據進行驗證提取，并且在協調器中對各個終端的數據進行整理， 將所有數據組合成一個數據包，通過周期性事件，將數據通過串口通信模塊發送到上位機樹莓派系統， 電源模塊給予協調器和樹莓派5 V 供電。上位機數據處理模塊設計框圖如圖3 所示。

圖3 上位機數據處理模塊Fig.3 Upper computer data processing module

2 硬件電路設計

2.1 溫度傳感器

根據系統需要所選用的DSl8B20 型溫度傳感器，是美國Dallas 半導體公司的一種智能數字溫度傳感器，是目前市面上最常用也是性價比最高的溫度傳感器。 DSl8B20 的優點之一就是讀出或寫入數據均采用單總線接口，這樣就大大簡化了系統電路連接。DSl8B20 工作的能量由總線提供，無需外接電源， 也是DSl8B20 適合ZigBee 網絡的一個突出優點。DSl8B20 體積小，封裝形式多樣，可靠性高，非常適用于履帶式車輛內部長時間溫度監測。

DS18B20 傳感器有3 個引腳接線， 即地線、供電線和數據線。 根據DS18B20 的使用說明，分別與CC2530 模塊的GND、P0.7 和3.3 V 引腳連接， 其路線如圖4 所示。 在供電線與數據線之間接入電壓拉低電阻，防止燒毀器件[6]，使數據傳輸穩定，其阻值為4.7 kΩ。

圖4 DS18B20 與CC2530 模塊接線圖Fig.4 DS18B20 and CC2530 module wiring diagram

2.2 CC2530 無線通信模塊

該系統數據采集與收發主控采用CC2530 無線通信模塊。 其使用一個單周期的8051 兼容內核，包括許多不同的外設，允許應用程序設計者開發先進的應用。CC2530 設備系列提供了一個IEEE 802.15.4兼容無線收發器。RF 內核控制模擬無線模塊。除此之外，其自身還提供了一個接口用于連接外設，這使得無線設備的操作與工作方式更加多樣化。CC2530 模塊除了電源供電之外還可以使用干電池供電，在功率合適的情況下可以工作數月之久，是組建無線傳感網絡的最佳模塊。

CC2530 的Flash 容量可以選擇，有32，64，128 kB，這些Flash 可以允許應用程序保存必要的數據，以保證這些數據在設備重啟后可用。 使用該功能，就可以保存具體網絡參數，當系統再次上電后，就可以直接加入網絡，進行數據采集工作，從而為車載無線傳感網絡的間歇重啟工作提供了保障。CC2530芯片及其外圍電路如圖5 所示。

圖5 CC2530 芯片及其外圍電路Fig.5 CC2530 chip and its peripheral circuit

2.3 串口通信模塊

該系統中，協調器模塊與樹莓派采用USB 串口通信模塊，實現數據和控制指令的傳輸。 USB 轉串口芯片是電路的核心部分，提供USB 和串口的橋轉換， 它分別由3 個部分組成——USB 轉串口芯片PL2303，PL2303 晶振，PL2303 外圍電路。 串口通信模塊電路如圖6 所示。

圖6 串口通信模塊電路Fig.6 Serial communication module circuit

USB 串口相比于其他串口具有很多的優勢[7]。在設備上使用時可以熱插拔[8]，不需要關機再開機等動作；USB 串口采用全雙工數據傳輸，速度更快，5根線路中2 根用于發送數據，另外2 根用于接收數據，還有1 根是地線，可以同步全速地進行讀寫操作。

2.4 樹莓派

上位機數據處理模塊主控采用樹莓派3B+微型電腦系統作為控制核心，樹莓派的實際尺寸只有信用卡大小，但具有與電腦相同的功能。3B+型樹莓派配置了一枚64 位1.4 GHz 四核ARM Cortex-A53 處理器，并板載了2.4，5 GHz 的雙頻無線網卡，支持藍牙4.2 傳輸。 B+型樹莓派具有很多接口， 如4 個USB 2.0 接口、HDMI 接口、網線接口等，同時配有512 MB RAM 和40 個通用輸入/輸出口。 使用樹莓派作為上位機主控，可以根據設計需要完成上層應用的開發，連接底層硬件與上層應用，是實現物聯網云控制和云管理的最佳主控選擇[9]。樹莓派3B+微型系統實物如圖7 所示。

3 軟件協議設計

3.1 監測節點數據采集程序設計

圖7 樹莓派3B+微型系統實物Fig.7 Raspberry Pi 3B+ micro system object

該系統監測節點數據采集程序通過嵌入式系統開發工具IAR 軟件進行編寫與下載。 IAR 編程與下載環境如圖8 所示。

圖8 IAR 編程與下載環境Fig.8 IAR programming and download environment

IAR 支持眾多知名半導體公司的微處理器，包括CC2530 模塊中的8051 內核。 在編譯與下載之前，需要將DS18B20 溫度傳感器的C++庫函數文件移植到系統工程文件中，在主函數中直接調用溫度讀取函數，就可以實現節點模塊對溫度數據的采集。

編譯完成之后下載到對應的CC2530 模塊中，由于模塊自帶Flash，所以掉電后下載的程序不會丟失，如果想要更新模塊中的程序，直接通過IAR 下載覆蓋舊程序即可。

3.2 監測節點通信協議設計

該系統通過無線傳感器網絡技術WSN（wireless sensor networks）實現艙內溫度監測的獲取，采用分布式的方式將前端溫度采集節點部署在設定的網絡中，將采集到的溫度數據信息通過ZigBee 無線通信網絡匯聚到智能控制終端。 該技術具有自組織、大規模、可靠性高等特點。

該系統的通信協議主要基于Z-Stack 協議棧進行開發，樹莓派通過串口連接CC2530 協調器進行ZigBee 網絡的建立與管理， 前端溫度采集節點作為終端加入ZigBee 網絡， 協調器和樹莓派系統的控制中心對分布在艙內的前端溫度采集節點進行輪詢呼叫。 系統Z-Stack 協議棧啟動流程如圖9所示。

圖9 Z-Stack 協議棧啟動流程Fig.9 Startup flow chart of Z-stack protocol stack

3.3 車載智能監測終端軟件設計

智能監測終端軟件設計主要包括樹莓派登錄界面和監測界面，采用Python 語言可以實現其軟件程序的開發。

Python 語言擁有開源的第三方庫以及簡潔的語法規則，可以大幅縮短軟件開發周期，同時Python程序具有強大的兼容能力。PyQt5 是Python 與Qt 結合的產物， 是進行圖形界面設計最棒的庫之一，在PC 端上安裝完Python 后只需通過一些命令即可安裝PyQt5。 在Windows 上安裝PyQt5 后，會生成一個界面開發軟件Qt Designer。 Qt Designer 是一個PyQt5 的可視化界面編輯軟件， 它的作用是幫助用戶快速開發出界面文件，采用PyCharm 進行調控系統主程序的開發，可以大幅提升編程效率[10]。

樹莓派已安裝了Python 編譯器， 所以在PC 上采用PyCharm+PyQt5+Python 進行智能監測終端軟件的開發， 將編寫好的.py 源文件下載到樹莓派上，便可在樹莓派上執行所開發的軟件。 監測終端顯示界面工作流程如圖10 所示。

車載智能檢測系統設置有登錄界面，只有用戶名和密碼都正確才能進入系統，進一步提高了系統的安全性。 登錄界面如圖11 所示。

圖10 終端顯示界面工作流程Fig.10 Work flow chart of the terminal display interface

圖11 車載智能監測終端登錄界面Fig.11 Login interface of vehicle-mounted intelligent monitoring terminal

4 系統調試

將編譯好的ZigBee 協議棧下載到對應的CC2530 模塊，1 個作為協調器與車載樹莓派端連接，另設4 個終端節點作為溫度采集節點，將利用PyCharm+PyQt5+Python 編寫好的智能監測終端登錄界面、溫度數據采集界面的.py 文件打包發送到車載樹莓派，通過樹莓派系統自帶的Python 編譯器運行文件。

系統上電，4 個終端節點分散在實驗室的不同位置，模擬車輛艙內環境，可以適時地對改變其所處位置的溫度，通過車載樹莓派端直連的HDMI 顯示屏和WiFi 連接的遠程PC 端來觀察艙內溫度的變化趨勢。 監測的溫度數據直接存放在樹莓派系統中， 可以通過HDMI 顯示屏或遠程PC 端進入樹莓派系統文件夾進行查看。 遠程PC 端溫度監測界面、車載智能監測終端如圖12，圖13 所示。

5 結語

圖12 遠程PC 端溫度監測界面Fig.12 Remote PC temperature monitoring interface

圖13 車載智能監測終端Fig.13 Vehicle-mounted intelligent monitoring terminal

目前物聯網創新技術在各個領域擁有巨大的潛在應用價值。 在此依托嵌入式技術和無線傳感技術，闡述了履帶式車輛無線溫度智能監測系統的系統設計、硬件結構、軟件協議。 艙內人員可以通過樹莓派在HDMI 顯示屏上對艙內溫度數據進行采集、顯示、存儲；將樹莓派接入以太網，使用安裝在PC端的VNC 軟件對樹莓派進行遠程登錄，實現遠程艙內溫度監控。 在實驗室環境下模擬車輛艙內環境進行了監測系統整體功能驗證，結果表明該系統基本實現了設計的要求，對履帶式車輛動態參數研究具有一定的意義。