基于Zigbee 客車車內(nèi)環(huán)境系統(tǒng)的設(shè)計

張云翔， 謝應(yīng)廣， 劉 莉， 陳子錕， 雷欽文， 彭石林

（長沙理工大學(xué) 物理與電子科學(xué)學(xué)院， 長沙410114）

0 引 言

近年來，隨著客車技術(shù)的高速發(fā)展。 人們在出行時，綜合考慮往往會選擇乘坐客車，最先進(jìn)的高鐵客車還是普通的公交客車都是人們出行常選擇出行方式。 而當(dāng)客車行駛一段時間之后，客車車內(nèi)的環(huán)境可能發(fā)生改變，這些環(huán)境因素包括溫度、濕度、氣體、燈光等。 而這些環(huán)境因素會在不知不覺中影響到旅客的心情及身體健康狀況，進(jìn)而造成客車安全事故［1］。 為了保障旅客的出行安全，構(gòu)造良好的車內(nèi)環(huán)境就顯得極其重要。 為此設(shè)計了一款監(jiān)控客車車內(nèi)環(huán)境Zigbee 系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)蛙嚟h(huán)境實(shí)時監(jiān)控，具有數(shù)據(jù)收集和存儲等功能。

從國家校企合作政策沿革看，“校企合作”一直是國家政策關(guān)注的重大問題。特別是《行動計劃》對“優(yōu)質(zhì)校”校企合作目標(biāo)任務(wù)的要求，足以說明國家教育政策扶優(yōu)培強(qiáng)、以點(diǎn)帶面的意旨。之所以校企合作要素在國家職業(yè)教育政策中占有非常重要的比重，是因?yàn)槁殬I(yè)教育政策是為實(shí)現(xiàn)“中國夢”培養(yǎng)所需職業(yè)人才的制度保證。教育頂層設(shè)計給予了高中職和“優(yōu)質(zhì)校”建設(shè)體系完整、任務(wù)明確、保障有力的國策支持。

1 無線通訊技術(shù)的選擇

物聯(lián)網(wǎng)時代，無線通訊技術(shù)已越來越多的被運(yùn)用到了各種場景與環(huán)境。 比如手機(jī)的移動通信，智能手環(huán)，共享單車，無線定位，智能安防等。 根據(jù)不同領(lǐng)域與特性，研究及應(yīng)用所用到的無線物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)往往不同，主要分為紅外技術(shù)、藍(lán)牙技術(shù)、WiFi 技術(shù)、Zigbee 技術(shù)等。

Zigbee 技術(shù)作為一種智能無線通信技術(shù)，與其他無線通信技術(shù)相比，具有操作難度低、網(wǎng)絡(luò)連接簡單快捷、所需能耗少，性價比高等優(yōu)點(diǎn)［2］。 與藍(lán)牙技術(shù)相比Zigbee 完全是開源免費(fèi)的，并且支持大量的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，能夠有效的防止網(wǎng)絡(luò)阻塞，保證節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)之間的正常傳輸。 Zigbee 的功耗低，在不需要的時候可以保持休眠狀態(tài)，相比于其他無線設(shè)備壽命更長，耐久度也強(qiáng)，相比于其他的無線技術(shù)，其傳輸距離也比較長，一個網(wǎng)絡(luò)中能夠容納多個節(jié)點(diǎn)。 因此，本文使用Zigbee 技術(shù)來組建系統(tǒng)環(huán)境。

2 客車車內(nèi)系統(tǒng)總體設(shè)計

2.1 系統(tǒng)設(shè)計

客車車內(nèi)系統(tǒng)包括無線傳感網(wǎng)絡(luò)、客車控制平臺、遠(yuǎn)距離地面操作中心。 圖1 為Zigbee 客車監(jiān)控控制系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)圖。

Laparoscopic surgery for colorectal cancer is increasing rapidly, particularly among elderly patients. However, neither the safety nor the effectiveness of laparoscopic surgery in this demographic has yet been determined.

（1）車載無線傳感網(wǎng)絡(luò)。 Zigbee 車載無線網(wǎng)絡(luò)主要由Zigbee 終端節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)、Zigbee 協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)組成［3］。 其中Zigbee 終端單元放置于車內(nèi)不易觸碰到的位置，上面連接的各類傳感器可以實(shí)時的收集數(shù)據(jù)，并通過中間節(jié)點(diǎn)發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，Zigbee 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)安裝于駕駛監(jiān)控室內(nèi)，通過RS232 串口與車載監(jiān)控平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

圖1 Zigbee 系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Main structure of ZigBee system

系統(tǒng)監(jiān)視中心的程序包括：顯示控制界面信息、調(diào)試相應(yīng)的配置、儲存工作運(yùn)行數(shù)據(jù)和LabVIEW 界面。

地下水是一種濃度較稀的溶液，它由常見離子（鈣、鎂、鈉，重碳酸根、硫酸根、氯根）、微量組分（如氟、溴、碘、硼等）和氣體組成（如氮、二氧化碳、甲烷等）。一定化學(xué)成分的地下水是一定的地質(zhì)環(huán)境下的產(chǎn)物，地下水化學(xué)成分是指地下水中所含的有機(jī)的和無機(jī)的化學(xué)成分。

7）噴灑、負(fù)壓環(huán)保控制系統(tǒng)：運(yùn)輸車卸料半封閉系統(tǒng)、臂架封閉系統(tǒng)、卸料點(diǎn)封閉系統(tǒng)，通過除臭劑機(jī)內(nèi)自動噴灑、異味負(fù)壓收集實(shí)現(xiàn)布料過程的異味控制。

2.2 模擬系統(tǒng)

在地市級傳統(tǒng)媒體中，由于新媒體發(fā)展迅猛，新媒體從業(yè)人員一部分是傳統(tǒng)媒體崗位流轉(zhuǎn)過來，這些傳統(tǒng)媒體從業(yè)人員思維固定化，對新媒體技術(shù)的接受度及了解度較差；另一部分人員由運(yùn)維的公司采取企業(yè)化管理模式，由于工資待遇低，招聘條件相應(yīng)放低，人員流動頻繁，部分新媒體從業(yè)人員對傳統(tǒng)媒體業(yè)務(wù)知識及技能缺乏培訓(xùn)，是造成傳統(tǒng)媒體和新媒體融合停滯不前的主要原因。

圖2 系統(tǒng)模擬連接圖Fig. 2 System simulation connection diagram

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

在整個客車車內(nèi)系統(tǒng)中，硬件作為功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，具有十分重要的作用。 根據(jù)不同的功能實(shí)現(xiàn)硬件不同的設(shè)計。 無線網(wǎng)絡(luò)建立采用的是高集成的CC2530 芯片，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，高頻電路利用集成電路技術(shù)進(jìn)行大量集成，組網(wǎng)功能更加強(qiáng)大，且芯片體積小。 Zigbee 模塊選用的無線通信芯片是兼容Zigbee 2007 協(xié)議的CC2530 芯片［4］。 新一代Zigbee在IEEE 802.15.4 協(xié)議上建立，它定義了MAC 層和物理層的通信規(guī)范，支持Zigbee RF4CE 標(biāo)準(zhǔn)。 而傳感器使用市場上一些主流的傳感設(shè)備，容易獲取，安全穩(wěn)定且價格不貴。

系統(tǒng)采用一個協(xié)調(diào)器、相應(yīng)的路由器以及攜帶或連接多種傳感器的終端，終端的數(shù)量可以根據(jù)客車內(nèi)空間的大小適當(dāng)增減。 系統(tǒng)模擬連接圖如圖2 所示。

3.1 基于CC2530 的Zigbee 通信模塊的設(shè)計

客車控制平臺由工控PC 和ZigBee 協(xié)調(diào)器模塊組成。 監(jiān)控中心提供系統(tǒng)信息、遠(yuǎn)程控制、存儲、數(shù)據(jù)管理等功能的人機(jī)界面，并能實(shí)時監(jiān)控整個客車內(nèi)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。 PC 通過無線網(wǎng)絡(luò)采集車輛的狀態(tài)數(shù)據(jù)，并將車內(nèi)環(huán)境功耗、光照、速度等數(shù)據(jù)發(fā)送到地面監(jiān)控指揮中心，并向客車車內(nèi)節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制命令［5］。 車輛內(nèi)部單元根據(jù)這些指令控制相應(yīng)的設(shè)備，以滿足隨需應(yīng)變系統(tǒng)的要求。 實(shí)時控制和監(jiān)控車內(nèi)狀況。

（3）遠(yuǎn)距離地面操作中心。 采集獲得的實(shí)時數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時發(fā)送到遠(yuǎn)距離地面操作中心，管理員可以在這里對客車車內(nèi)運(yùn)行狀況進(jìn)行觀察與控制。 為了使客車高效、安全運(yùn)行，地面監(jiān)控部分必須對所有客車運(yùn)行情況有清楚了解。 地面監(jiān)控中心與客車監(jiān)控平臺的無線網(wǎng)絡(luò)連接成功后，就會實(shí)時接收數(shù)據(jù)、存儲數(shù)據(jù)并以特定形式顯示到屏幕。

圖3 CC2530 核心系統(tǒng)Fig. 3 CC2530 core system

3.2 傳感節(jié)點(diǎn)的設(shè)計

本系統(tǒng)可以使用多種傳感器設(shè)備，后續(xù)還可以增加其他傳感器，這里主要介紹本系統(tǒng)所用的關(guān)鍵傳感器模塊。

（1）溫濕度傳感器模塊。 本系統(tǒng)采用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器來完成對客車車內(nèi)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，DHT11 程序采用模塊化編程思想，只需要調(diào)用溫度讀取函數(shù)即可，方便且移植性好。 當(dāng)DHT11 傳感器檢測到溫濕度超過給定的值，可以實(shí)時的在車內(nèi)環(huán)境監(jiān)控界面上顯示當(dāng)前溫濕度的具體數(shù)值，超過設(shè)定的閾值即刻報警。 客車司機(jī)可以根據(jù)報警提示對客車上空調(diào)進(jìn)行控制，系統(tǒng)也可以實(shí)現(xiàn)超閾值對環(huán)境的調(diào)控，減少車內(nèi)溫濕度對乘客的不良影響。

首先依次對協(xié)調(diào)器模塊和終端模塊進(jìn)行上電，上電后會對整個系統(tǒng)進(jìn)行初始化操作并構(gòu)建整個無線網(wǎng)絡(luò)，在網(wǎng)絡(luò)搭建成功后，協(xié)調(diào)器與路由器的功能是一致的。 這時協(xié)調(diào)器將會發(fā)出信號請求給需要入網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)單元，需要入網(wǎng)終端節(jié)點(diǎn)收到相應(yīng)的請求后會請求加入到創(chuàng)建協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)中，且生成自己網(wǎng)絡(luò)地址這時網(wǎng)絡(luò)基本建成。 然后連接好傳感器就可以采集外界收集來的數(shù)據(jù)，通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送給轉(zhuǎn)接和收集模塊，收集模塊通過串口連接到PC 機(jī)，這些數(shù)據(jù)通過轉(zhuǎn)化顯示在監(jiān)控中心的控制界面上。 系統(tǒng)建網(wǎng)設(shè)計流程如圖4 所示。

3.3 客車控制平臺硬件

客車通信模塊主要實(shí)現(xiàn)Zigbee 網(wǎng)絡(luò)的通信功能。 作為Zigbee 通信設(shè)備，主要用于完成建立客車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)、維護(hù)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行、發(fā)送和接收數(shù)據(jù)等功能；作為Zigbee 終端設(shè)備中的一種控制裝置，可以實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的控制、傳感器的監(jiān)控和數(shù)據(jù)的采集。 客車車內(nèi)系統(tǒng)主要由CC2530 芯片來實(shí)現(xiàn)通信連接和開發(fā)運(yùn)用，其原理圖如圖3 所示。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1 開發(fā)環(huán)境

本系統(tǒng)選擇的是Zigbee CC2530 芯片，應(yīng)用開發(fā)工具釆用的是IAR Embedded Workbench （簡稱IAR EW）軟件。 IAR 作為ARM 的開發(fā)工具，能夠支持多種語言，對各種不同芯片都具有較好的兼容性［6］。

4.2 系統(tǒng)建設(shè)計流程

（2）氣體傳感器模塊。 在車內(nèi)系統(tǒng)終端上插接由二氧化錫（SnO2）制作而成的氣體傳感器MQ-135。 MQ-135 氣體傳感器是一款價格便宜且有多種應(yīng)用的氣體傳感器，對氦氣、硫化物、苯系蒸汽等對人體健康有害的氣體敏感度高。 當(dāng)客車內(nèi)有害氣體超過車內(nèi)設(shè)定的給定值，氣體傳感器的開關(guān)信號DO處于低電平，就會報警，提示乘客打開窗戶。 當(dāng)有害氣體沒有超過設(shè)定值，氣體傳感器的開關(guān)信號DO處于高電平。

圖4 系統(tǒng)建網(wǎng)設(shè)計流程Fig. 4 System networking design process

4.3 監(jiān)控軟件設(shè)計

（2）客車控制平臺。 客車監(jiān)控平臺主要是接受Zigbee 協(xié)調(diào)器所上傳的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)分類存儲顯示。同時也負(fù)責(zé)監(jiān)控Zigbee 車載無線網(wǎng)絡(luò)建立、連接和運(yùn)行情況。

（1）顯示控制界面信息。 顯示監(jiān)控程序包括狀態(tài)信息、車內(nèi)的氣體、溫度和濕度，當(dāng)達(dá)到設(shè)定的閾值，產(chǎn)生報警、Zigbee 配置讀取網(wǎng)絡(luò)ID 號碼、波系數(shù)、網(wǎng)絡(luò)地址和MAC 模塊Zigbee 的地址等。

（2）調(diào)式相應(yīng)的配置。 調(diào)試相應(yīng)的配置程序設(shè)置包括設(shè)置串口，讀取并配置Zigbee 以及調(diào)試燈滅。通過串口配置接口設(shè)置適當(dāng)?shù)拇谂渲脜?shù)。 通過Zigbee 配置讀取網(wǎng)絡(luò)ID 號碼、波特率系數(shù)、網(wǎng)絡(luò)地址和MAC 模塊Zigbee 的地址，還可以對車內(nèi)的燈光進(jìn)行測試，確定燈光的亮滅及燈光的光亮程度。

（3）儲存工作運(yùn)行數(shù)據(jù)。 在系統(tǒng)正常工作中，將接收來自下位機(jī)的溫濕度信息，氣體和報警信息及時的保存到數(shù)據(jù)庫中，方便用戶導(dǎo)出和打印信息。

其三，政府部門要加大扶持力度，發(fā)揮帶頭作用，深入田間地頭指導(dǎo)農(nóng)民，通過身體力行，讓農(nóng)民對生態(tài)環(huán)境保護(hù)有直觀的認(rèn)識，并積極效仿。此外，政府還要重視農(nóng)業(yè)示范基地建設(shè)，對示范田的土壤、農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量以及試驗(yàn)田的周圍環(huán)境都要進(jìn)行調(diào)查、分析，充分發(fā)揮農(nóng)業(yè)生產(chǎn)示范田的標(biāo)榜作用。

（4）LabVIEW 界面。 在本系統(tǒng)中，上位機(jī)主要作用是接收終端發(fā)送來的數(shù)據(jù)，利用圖形界面實(shí)時顯示，采用LabVIEW 做上位機(jī)監(jiān)控界面的主界面。 系統(tǒng)運(yùn)行過程中，沒出現(xiàn)任何情況，上位機(jī)界面正常顯示各項(xiàng)數(shù)據(jù)情況。 當(dāng)遇見系統(tǒng)報警提示時，操作人員可以發(fā)送相應(yīng)的命令，針對終端上的客車單元設(shè)備進(jìn)行有效控制。 LabVIEW 車載監(jiān)控界面如圖5 所示。

圖5 設(shè)計車載監(jiān)控界面的前面板Fig. 5 Design the front panel of vehicle monitoring interface

5 結(jié)束語

閱讀與研究了大量相關(guān)文獻(xiàn)，并了解了現(xiàn)有客車車內(nèi)系統(tǒng)中選用的無線通信技術(shù)，并進(jìn)行了比較，最終確定使用Zigbee 無線物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)。 系統(tǒng)利用最新Zigbee 協(xié)議棧組成系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，理解無線通信、傳感器、單片機(jī)技術(shù)及其在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。 同時，也使得所設(shè)計的系統(tǒng)能夠與時俱進(jìn)。 在論文中，首先對系統(tǒng)整體做出設(shè)計后，分別對系統(tǒng)的軟硬件進(jìn)行了分析與設(shè)計，并設(shè)計了上位機(jī)監(jiān)控界面，來實(shí)時的監(jiān)控客車車內(nèi)環(huán)境。 所開發(fā)的客車車內(nèi)系統(tǒng)具有方便安裝、方便網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展和方便管理等特點(diǎn)。 目前系統(tǒng)仍存在不足之處，比如系統(tǒng)開發(fā)中可以使用5G 技術(shù)來進(jìn)行遠(yuǎn)程通信、還可以精簡協(xié)議棧代碼以提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率等。