基于ZigBee無(wú)線通信技術(shù)的城軌交通軸溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

牛園園

（江蘇省徐州技師學(xué)院，江蘇 徐州 221000）

1 ZigBee 無(wú)線通信技術(shù)概述

ZigBee是IEEE 802.15.4技術(shù)的商業(yè)名稱[1]。近年來(lái)，ZigBee無(wú)線通信技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，具有許多優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)其用于睡眠模式時(shí)，傳輸功率僅為1 mW，能夠在一定程度上達(dá)到節(jié)電能耗的作用，而且延遲較短，僅15 ms就能夠在第一時(shí)間內(nèi)激活睡眠工作狀態(tài)，完成設(shè)備搜索任務(wù)，滿足不同行業(yè)的基本需求[2]。

ZigBee的優(yōu)勢(shì)在于擁有較大的網(wǎng)絡(luò)容納能力，僅需要一個(gè)星型的ZigBee網(wǎng)絡(luò)就能夠承載254個(gè)子節(jié)點(diǎn)和1個(gè)主節(jié)點(diǎn)，而且在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中通過(guò)碰撞避免模式，能夠在一定程度上有效避免發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)和沖突，說(shuō)明了ZigBee通信技術(shù)的可靠性[3-5]。此外，在安全方面ZigBee提供了一種循環(huán)冗余校驗(yàn)方法，通過(guò)AES-128數(shù)據(jù)信息的加密模式，使每一個(gè)數(shù)據(jù)信息均能夠在一定程度上確定最佳屬性。

2 基于ZigBee無(wú)線通信技術(shù)城軌交通軸溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

對(duì)基于ZigBee無(wú)線通信技術(shù)的城軌交通軸溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)而言，其主要由上位機(jī)和下位機(jī)兩個(gè)部分組成。上位機(jī)是一臺(tái)終端個(gè)人計(jì)算機(jī)（Personal Computer，PC），主要負(fù)責(zé)溫度數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和信息存儲(chǔ)。下位機(jī)主要由多個(gè)軸溫?cái)?shù)據(jù)信息采集節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，主要負(fù)責(zé)溫度數(shù)據(jù)量值的采集和數(shù)據(jù)信息的有效傳輸?shù)取?/p>

溫度采集終端在接收到協(xié)調(diào)器傳輸?shù)男盘?hào)后進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)操作，成功訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)后將連接至溫度采集終端，在滿足實(shí)際需求的情況下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化。通過(guò)ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將溫度數(shù)據(jù)信息定期傳輸至系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的協(xié)調(diào)器內(nèi)，協(xié)調(diào)器將獲取的溫度數(shù)據(jù)信息進(jìn)行操作處理。若溫度參數(shù)高于設(shè)定的閾值，則將會(huì)觸發(fā)警備裝備，此時(shí)需要協(xié)調(diào)器及時(shí)處理溫度量值數(shù)據(jù)信息，再將其通過(guò)串口通信模式傳輸至PC設(shè)備終端，從而使得相關(guān)工作人員可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)溫度。

3 基于ZigBee無(wú)線通信技術(shù)城軌交通軸溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

3.1 無(wú)線通信模塊設(shè)計(jì)

ZigBee無(wú)線通信技術(shù)的城軌交通軸溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)終端選擇CC2530，其電路圖如圖1所示，基本構(gòu)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(shí)際應(yīng)用過(guò)程中能夠增強(qiáng)芯片的工作穩(wěn)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(gè)負(fù)載電容裝置構(gòu)成。其中，Y1與XOSC32M_Q1和XOSC32M_Q2相關(guān)聯(lián)，負(fù)責(zé)高速晶振；Y2與引腳P2_3和P2_4相關(guān)聯(lián)，負(fù)責(zé)提供低速時(shí)鐘源。

圖1 CC2530電路圖

3.2 溫度采集功能電路設(shè)計(jì)

在城軌交通軸溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的溫度采集功能電路設(shè)計(jì)中，DS18B20可以作為系統(tǒng)內(nèi)部的模擬溫度傳感器和數(shù)據(jù)信號(hào)處理裝置，在進(jìn)行數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)倪^(guò)程中與CC2530通信，從而在設(shè)定區(qū)域范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)溫度采集功能?？紤]到該系統(tǒng)僅需要進(jìn)行單點(diǎn)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(duì)于城軌交通軸溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的溫度采集電路，通過(guò)DS18B20采集溫度測(cè)量的實(shí)驗(yàn)對(duì)象，并將獲取的溫度數(shù)據(jù)信息傳遞至CC2530端，然后將該數(shù)據(jù)信息作為系統(tǒng)的信號(hào)輸入端。為了使DS18B20能夠執(zhí)行精確的溫度轉(zhuǎn)換功能，I/O端口必須確保轉(zhuǎn)換周期內(nèi)的電源供應(yīng)，然后與CC2530相結(jié)合，在一定條件下實(shí)現(xiàn)溫度的采集功能。

3.3 溫度顯示電路設(shè)計(jì)

在城軌交通軸溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的溫度顯示電路設(shè)計(jì)過(guò)程中，LCD1602具有（1～11）×104h的半衰周期。目前最常用的是8段式數(shù)字顯示裝置，包括10個(gè)管腳，每個(gè)段位對(duì)應(yīng)1個(gè)管腳，其余的顯示管可以用來(lái)顯示數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)墓步K端[8,9]。8段式數(shù)字顯示裝置在一定應(yīng)用情況下能直接顯示時(shí)間、日期以及溫度等相應(yīng)量值信息，具有較強(qiáng)的直觀性。

4 ZigBee無(wú)線通信技術(shù)城軌交通軸溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

4.1 Z-Stack協(xié)議棧設(shè)計(jì)

ZigBee無(wú)線通信技術(shù)的城軌交通軸溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計(jì)主要以Z-Stack協(xié)議棧為核心，在滿足整個(gè)系統(tǒng)應(yīng)用需求的前提下調(diào)用封裝完成的功能函數(shù)數(shù)據(jù)包，從而順利完成調(diào)試工作，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的有效傳輸。Z-Stack協(xié)議棧的基本工作主要為系統(tǒng)初始化和實(shí)體操作運(yùn)行。在系統(tǒng)程序運(yùn)行的應(yīng)用開(kāi)發(fā)中，需要調(diào)用lininitasks（）函數(shù)構(gòu)建任務(wù)包，同時(shí)對(duì)其中包括的全部任務(wù)Task ID分配唯一的標(biāo)識(shí)符。若在項(xiàng)目運(yùn)行過(guò)程中涉及多個(gè)事件同時(shí)發(fā)生的情況，那么系統(tǒng)會(huì)根據(jù)事件設(shè)置的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行依次操作。

4.2 溫度采集終端設(shè)計(jì)

當(dāng)城軌交通軸溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的溫度采集數(shù)據(jù)終端啟動(dòng)電源后，其將會(huì)自動(dòng)掃描周圍區(qū)域范圍內(nèi)的相關(guān)網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)向網(wǎng)絡(luò)發(fā)起請(qǐng)求。若有網(wǎng)絡(luò)應(yīng)答成功后，DS18B20將采集溫度數(shù)據(jù)信息，然后將獲取的溫度數(shù)據(jù)放置于系統(tǒng)的緩存區(qū)域內(nèi)。系統(tǒng)終端裝置通過(guò)調(diào)用SendPeriodicMessage（）函數(shù)與協(xié)調(diào)裝置傳輸數(shù)據(jù)信息，此時(shí)上位機(jī)能夠同時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)城軌交通軸溫的4個(gè)終端，并分別定義4個(gè)終端，便于后期識(shí)別。

4.3 上位機(jī)監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)

城軌交通軸溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的上位機(jī)界面由溫度顯示模塊、數(shù)據(jù)量值圖像模塊以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊構(gòu)成。對(duì)于溫度顯示模塊而言，其在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中能夠同時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)4個(gè)終端的溫度數(shù)據(jù)信息，設(shè)置周期為1 s。若溫度參數(shù)高于設(shè)定的閾值，則將會(huì)觸發(fā)警備裝備[10]。對(duì)于數(shù)據(jù)量值圖像模塊而言，其依照4個(gè)終端的溫度數(shù)據(jù)信息變化情況進(jìn)行實(shí)時(shí)的曲線繪制，從而在一定程度上能夠讓相關(guān)工作人員直觀地監(jiān)測(cè)到不同時(shí)間段內(nèi)溫度的變化情況[11]。對(duì)于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊而言，其能夠存儲(chǔ)歷史顯示的數(shù)據(jù)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(jī)監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)中，主要以C++為語(yǔ)言基礎(chǔ)，應(yīng)用IVIFC類庫(kù)結(jié)合Iocomp控件實(shí)現(xiàn)溫度顯示和圖像繪制，通過(guò)調(diào)用Serialport函數(shù)設(shè)置串口參數(shù)量值，從而在滿足需求的條件下實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)上位機(jī)與下位機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信傳輸。

5 ZigBee無(wú)線通信技術(shù)的城軌交通軸溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)試分析

對(duì)于ZigBee無(wú)線通信技術(shù)的城軌交通軸溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)而言，其在系統(tǒng)測(cè)試階段根據(jù)城軌的基本情況及周邊環(huán)境的實(shí)際現(xiàn)狀，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬出系統(tǒng)裝置在現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境。首先，啟動(dòng)城軌軸溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的上位機(jī)程序。其次，設(shè)置與協(xié)調(diào)裝置通信時(shí)應(yīng)用的串行端口號(hào)。當(dāng)設(shè)置完成后需要獲取協(xié)調(diào)裝置的溫度數(shù)據(jù)信息參數(shù)，單擊自動(dòng)刷新功能，此時(shí)4個(gè)終端的溫度將會(huì)呈降低趨勢(shì)，然后繪制對(duì)應(yīng)的溫度變化情況圖。最后，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)測(cè)試，城軌軸溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的上位機(jī)程序運(yùn)用穩(wěn)定，ZigBee無(wú)線通信裝置采集的溫度數(shù)據(jù)信息正常。當(dāng)測(cè)試距離設(shè)置為100 m時(shí)，溫度數(shù)據(jù)傳輸正常，無(wú)異常情況發(fā)生，符合城軌的軸溫基本需求。

6 結(jié) 論

針對(duì)城市軌道運(yùn)輸?shù)奶攸c(diǎn)和時(shí)代發(fā)展的需求，設(shè)計(jì)了基于ZigBee無(wú)線通信技術(shù)的城軌交通軸溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)應(yīng)用溫度傳感器DS18B20檢測(cè)城軌軸溫，同時(shí)通過(guò)ZigBee無(wú)線通信技術(shù)傳輸獲取的溫度數(shù)據(jù)信息，最終由串口通信模塊將監(jiān)測(cè)的溫度情況傳輸至終端顯示界面。城軌交通軸溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中能夠更加精準(zhǔn)地保證車輛的軸溫處于正常范圍內(nèi)，在一定程度上使得城市軌道交通更加安全。