铁路计量专用无线温湿度记录系统研究

刘伟栋 上海铁路局科研所

铁路计量实验室环境温湿度控制与管理是影响铁路计量器具检定质量的重要因素，为保证日常检定工作的顺利进行，需要解决的问题是如何加强对检定环境温度与湿度的监测，如果温度超出规定范围不但会对测量数据产生影响，而且如果这种变化未被察觉还会造成严重的测量数据错误导致检定数据无效的发生。某些对检定环境温湿度要求很高的计量器具（如长度的两米测长机），如果检定时温度没有达到规程的要求或在检定的过程中温度的波动发生了较大的变化，就会使检定的数据出现较大的偏差。随着铁路事业的蓬勃发展，该系统具有一定的实用价值和广泛的应用前景。

1 系统总体方案设计

根据铁路计量检定规程和相关通用计量检定规程开展检定时的温度、湿度和温度每小时波动的要求，确定系统的温度、湿度的测量范围、准确度和分辨率。

选择专用的温湿度传感器、单片机、LED显示模块和无线发射模块组成N个测量单元；选择无线接收模块和串口等组成数据采集转送器。系统总体框图如图1。

系统采用一个温湿度传感器对温、湿度进行分别测量。基于此设想装置的基本工作原理是：温湿度传感器采集到信号送入单片机，由LED显示器实时显示环境的温度、湿度，并通过无线数据传输模块传到上位机（PC机），通过Delphi软件输入用户需设定的温、湿度上下限和温度每小时波动值，当温、湿度和温度每小时波动超限时启动报警装置报警。

图1 系统总体框图

2 硬件系统的设计与实现

2.1 温湿度传感器

SHT15是一种新型单片集成的温湿度传感器，外围电路十分简单，传感器的数字输出是通过数字接口直接连到微处理器上去，便于进行系统设计。

SHT15是瑞士Sensirion公司推出的基于CMOSens技术的新型温湿度传感器，具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电容式聚合体测湿元件和一个能隙式测温元件，并与一个14位的A/D转换器以及串行接口电路在同一芯片上实现无缝连接。因此，该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。SHT15温湿度传感器系统框图如图2。

图2 SHT15温湿度传感器系统框图

SHT15测量精度高，采用片内稳压电路使得测量精度不受电压变化影响，温度测量精度为±0.3℃(在25℃时)，湿度测量精度为±2%RH(20%～80%RH)。SHT15 功耗极低，2.4～5.5 V宽电压供电，测量时电流550 μA，平均为28 μA，休眠时为3 μA。SHT15互换性好，不需要重新校正，方便后期系统维护。

2.2 单片机

STC12系列单片机是美国STC公司在8051单片机标准内核结构基础上对芯片内核进行了较大改进后推出的一个增强型的8051的单片机，具有很多很强的新功能。

STC 12LE5608AD系列单片机的主要性能是：工作电压3.6 V～2.2 V，工作频率范围 0～35 MHz，用户程序空间 8 k，片上集成了768字节RAM。

选择此款单片机的理由是加密性强，无法解密；超强抗干扰；1个时钟/机器周期，可用低频晶振，大幅降低EMI；超低功耗；在系统可编程，无需编程器，无需仿真器，可远程升级。单片机引脚如图3所示。

图3 单片机引脚图

2.3 LED显示模块

常见的数码管由七个条状和一个点状发光二极管管芯制成，称为七段数码管（如图4所示）。根据其结构的不同，可分为共阳极数码管和共阴极数码管两种。

图4 七段数码管原理图

本系统采用的是LED数码管。LED数码管中各段发光二极管的伏安特性和普通二极管类似，只是正向压降较大，正向电阻也较大。在一定范围内，其正向电流与发光亮度成正比。由于常规的数码管起辉电流只有1～2 mA，最大极限电流也只有10～30 mA，所以它的输入端在5 V电源或高于TTL高电平(3.5 V)的电路信号相接时，一定要串加限流电阻，以免损坏器件。

LED数码管的主要特点如下：

(1)能在低电压、小电流条件下驱动发光，能与CMOS、ITL电路兼容。

(2)发光响应时间极短（＜0．1μs），高频特性好，单色性好，亮度高。

(3)体积小，重量轻，抗冲击性能好。

(4)寿命长，使用寿命在10万小时以上，甚至可达100万小时。成本低。

因此它被广泛用作数字仪器仪表、数控装置、计算机的数显器件。

2.4 报警模块

系统中设有状态报警功能，以便提醒操作人员注意或采取措施。其方法就是把计算机采集的数据与该参数上下限可设定值进行比较，如果高于上限值（或低于下限值）则进行报警，否则就作为采样的正常值，进行显示。

报警模块由声光报警电路构成。分别采用三极管驱动蜂鸣器和高亮度发光二极管。当某个传感器节点的温度或者湿度超过设定限时，单片机会发出报警信号。图5是一个简单的使用三极管驱动的蜂鸣音报警电路。

图5 三极管驱动的峰鸣音报警电路

2.5 无线传输模块

无线传输模块负责与PC机进行无线通信，发送温湿度数据，该模块功耗相对比较大。其中，采用的调制方式、发射功率等都是影响能量消耗的关键因素。为了使整个系统达到低功耗的设计意图，我们选择了ZigBee技术的无线通信模块。

ZigBee技术是一种低功耗、低成本、低速率、近距离、高容量、高安全、免执照频段的双向无线通信技术。工作频率范围是2.400～2.4865 GHz，采用直接序列扩频方式，数据速率达250 kbps。相邻节点间传输范围一般介于10～100 m之间，增加发射功率，可增加到l～3 km。本监测系统采取的是星状结构，监测中心节点为主节点，而传感器节点为子节点。

本系统采用的是美国DIGI公司生产的一款ZigBee无线模块，频率：2.4 GHz，供电电压：3.3V～3.4 V，传输最大距离：1.6 km，传输数据速率：1200～230400 bps，工作电流：295 mA（@3.3V，发送），45mA（@3.3V，接收）。

3 软件系统的设计与实现

3.1 下位机主要软件设计

本系统用c语言编程，软件采用模块化结构程序设计方式，总体程序框图如图6所示。

图6 总体程序流程图

具体流程为：单片机上电复位，程序开始执行，初始化单片机端口，为驱动温湿度模块、Zigbee模块作准备。初始化显示模块，用来显示接收到的温湿度数据。采集当前的温湿度数据，如果没有采集到数据，或由于外界干扰导致读取错误，则返回继续读取。采集到的温湿度数据经过相应的数据转换后送到Zigbee发送模块进行数据传输，Zigbee接收模块接收温湿度数据，如果没有接收完，则继续接收。接收完数据经过数据处理，传送数据到显示模块进行显示。

3.2 系统主要界面设计

数据采集处理采用Delphi编程语言，完成对站点、日期、时间、温湿度、温湿度报警上下限、温度每小时波动范围的设定。温度数据由SQL语言编写的数据库进行存储，并按站点对温湿度数据进行处理。

4 技术条件

整个系统由若干个无线传感器节点和一个监测中心节点组成。其中无线传感器节点分布于需要测量的区域，对环境温湿度进行测量，然后通过ZigBee无线模块将数据发射出去，并且可以通过开关选择是否将温湿度值用LED显示。监控中心节点负责接收传感器节点的数据，并对数据进行综合处理，将各个传感器节点的信息应用软件显示在PC机上，并可以设定温湿度的上下限值和温度每小时波动值，超限时发出报警信号。

5 技术指标与要求

依据JJG 874-2007《温度指示控制仪检定规程》和 JJF 1076-2001《湿度传感器校准规范》对铁路计量检测无线温湿度记录系统按系统确定的温湿度测量范围、准确度和分辨率指标进行校准。系统技术指标见表1。

表1 系统技术指标

6 结束语

本系统的设计结合了高速铁路的现代化发展方向，能满足对铁路计量检定工作越来越高的要求。借助高精度的温湿度传感器，可以实时显示计量实验室环境的温度和湿度，在温湿度以及温度每小时波动超限时发出声光报警，并通过ZigBee无线传输技术将数据传输到监测中心。作为一个低功耗、低成本、抗干扰性强的铁路计量专用温湿度记录系统，随着高速铁路技术的成熟和发展，将成为现代计量部门环境温湿度最理想的监控、管理系统。