基于ZigBee的高速公路机电设备监测系统设计

李 通， 于军琪， 周 建， 张燚雯

（1 西安建筑科技大学， 陕西西安 710055；2 电子科技大学，四川成都 611731）

0 引言

随着现代工业和科学信息技术的迅速发展，高速公路机电设备的大型化、连续化、高速化和自动化在带来效率提高、成本降低，能源节约的同时，设备故障的潜在可能性和方式也相应增加。一旦发生故障，就有可能导致整个交通网的瘫痪，造成巨大的经济损失、重大的人员伤亡。高速公路机电设备投资大、技术复杂；分布的点多、线长、面广、故障率高、修复时间紧、更新速度快，给管理与维护工作带来了一定难度。因此，如何建立一套行之有效的机电设备管理与维护模式，是高速公路管理者关心的课题。一种好的无线监测方式会使高速公路机电系统更快速、更有效地运行，是有效防止因机电设施故障引发交通事故的直接措施，便于智能管理。对于机电设备的长期使用和提高设备的使用效率具有重大的现实意义。

1 高速公路机电系统的介绍

机电系统是发挥道路设施交通功能的主要辅助系统，是对高速公路实施现代化管理的主要工具，能帮助实现高速公路的实时管理以及数据管理。机电系统是包含多个子系统，以电子、电气、控制、通信、机械和交通工程等技术为基础的综合性大系统，它由监控、收费、通信、照明、供配电和隧道安全运行保障等子系统组成[1]。子系统内部和各子系统间由通信网联系，系统组成如图1所示。其中，监控和收费系统大都为计算机控制系统，通过光缆数字通信连结成远程计算机网络，各网络间信息共享。

图1 高速公路机电系统组成

2 基于ZigBee的机电监测系统设计

由于高速公路延伸长，机电设备分布相对比较集中，较多的机电设备都分布在收费场地，高速公路进出口，隧道等地方，这些地方各自的距离都相距较远。所以选择在这些机电设备相对集中的地方建立无线传感器网络，以数据为中心，将采集数据集中到现场中心，然后通过远距离无线传输方式传送到高速公路监控中心，如图2所示。

图2 高速公路监控系统原理图

收费场监控点、高架桥监控点、隧道监控点等其他分布在高速公路上的监控点都是由无线传感器网络构成的无线监控网络，在这样一个监控网络中，是由很多个监控节点构成，监控节点负责采集需要的数据，比如机电设备运行的环境参数，或者某些关键电路板的供电电压，运行电流等，有很多分布在机电设备周围的这样的采集节点，这些采集节点将采集到的数据再上传到无线网络的汇集点，也就是协调中心，协调中心再通过远距离无线传输方式将本监控网络的数据发送到监控中心，如图3所示。

图3 监控系统的网络体系结构

采集节点是一个具有处理能力的微型节点，它具有一定的处理能力、存储能力和通信能力。在无线传感器网络中，传感器节点主要是采集自身配备的传感器得到的信息，还能协同其他节点完成相关的任务。

监测终端节点是无线传感器网络[2]的基本单元，是构成整个网络的最基本的元素，节点稳定是整个网络运行可靠的最基本的保证。在本系统中，要求终端节点负责获取环境参数、对数据进行预处理、路由响应以及指令响应等功能。节点上的传感器主要是完成获取设备运行环境参数，比如温度、湿度、压力、振动等，并通过模数转换器把这些信息转换成数字的形式。节点上的微处理器则可以对模数转换器得到的数据进行初步处理，封装成统一的帧格式，并控制无线传输模块的工作——信息传输部分及读取接收信息；另外，节点上的电源部分也是节点设计的重点，因为终端节点一般是用电池供电，所以节省能耗是电源设计甚至是整个系统设计的重点。

传感器网络节点的硬件设计主要包含4个部分：传感器模块、微处理器模块、无线收发器模块以及电源模块，如图4所示。

图4 监测系统终端节点硬件结构

传感器节点可以在一个节点上连接多种传感器，同时监测多种参数，也可以只用一个传感器监测一种参数。传感器节点按其功能可以大致分为两种：一种是用来监测数据的，即用来获取机电设备运行状态的节点；另一种是基点，就是兼顾路由功能。两种节点实现的主要功能不同，同时硬件设计也有一定的差异。

3 硬件设计

由于节点往往是用电池来供电，而且常期处于无人监管的环境下工作，被安置在工作区域后，就少有人干预，所以节点的微处理器应该满足高稳定性、低消耗以及小体积的原则。根据这个原则，本设计采用TI公司推出的单片、低功耗、多频段、超高频射频芯片CC2530。

由于在高速公路机电设备的故障中，很大一部分表现为芯片故障或者线路故障，通常表现为电流急剧增大，而出现芯片故障的原因则通常因为环境因素的改变如温度等，所以监测终端节点往往会配备温度传感器与电流传感器，由于CC2530自带了温度传感器，所以下面介绍一下电流的监测电路设计，

电流传感器所依据的工作原理主要是霍尔效应[5]，当原边导线经过电流传感器时，原边电流I1会产生磁力线，原边磁力线集中在磁芯周围，内置在磁芯气隙中的霍尔电极可产生和原边磁力线成正比的大小仅几毫伏的电压，电子电路可把这个微小的信号转变成副边电流I2，并存在以下关系式：

NP·I1=NS·I2

其中I1为初级电流，NP初级匝数，I2次级电流，NS次级匝数。 I2通常很小，只有100～400 mA。如果输出电流经过测量电阻RM，则可以得到一个与原边电流成正比的大小为几伏的输出电压信号，将电压信号送到CC2530内部进行模数转换就可以算出原边的电流。在本系统中，选用的电流传感器为HBV025B，电路图如图5所示。

4 软件设计

在整个系统中，监测设备采用无线联网方式，监测设备之间采用ZigBee无线方式进行信息的无线传输，通过芯片射频部分组织无线自组织网络[6]，由汇聚节点完成与基站（网关节点）的通信。传输到现场监测中心点，从现场中心到管理中心采用Internet的方式，实现信息的远程交互。

图5 电流监测终端的电路设计

WEB管理系统是采用B/S结构进行开发的，这样用户可以通过浏览器进行浏览操作[7]，本软件系统是基于LAMP（Linux+Apache+Mysql+Perl/PHP/Python）[8]平台开发完成的。

整个应用系统的功能框图如图6所示。

图6 系统功能框图

从框图可以看出，整个系统分为4大模块：设备管理、数据分析、数据备份、管理员设置。

用户在进入系统前要进行验证登陆，在如图7所示的界面输入用户名和密码，确定用户是否有进入系统的权利。

图7 系统登陆界面

用户登陆流程如图8所示。

图8 用户登陆流程图

用户进入系统登陆页面后，输入用户名和密码，经过和数据库的信息进行比对，完全一致就进入系统，进行相关管理，如果出现不相符的状况，就出现警告信息，要求用户重新输入，当输入次数超过3次时，锁定该用户，如果要解锁账号，需和系统管理员联系，管理员经过身份核对后，可以决定是否解锁该账号。

用户登陆系统后，可以看到如图9所示的画面。

用户进入系统首先看到是一份使用说明，简要介绍了系统的使用方法。右侧是系统的导航栏，是系统的4大功能模块的具体实现。

图9 系统主视图

（1）设备信息：列出所有设备的实时运行状况，也可以按条件列出设备信息，比如按设备名、类型、设备所在区域。

（2）添加设备：用户可以添加设备，添加信息包括设备的设备名、设备类型、所在区域和详细地点等。

（3）查找设备：可以按条件查找设备，将符合条件的所有设备列出来。在系统中可以按照设备名查找一个设备，也可以按照区域和类型查找，将某一区域和类型的设备都理出来，同样可以按照设备的运行状况查找，将运行正常或运行异常的设备列出来。

（4）设备运行状况：可以将某一设备、某一类型设备或者某一区域的设备在一段时间的运行曲线绘制出来。

（5）问题设备：将出现问题的设备单独列出来，可以尽快的发现问题设备，避免造成更加严重的问题。

（6）历史数据:在这里可以查看历史记录。

（7）数据备份及导入：用户可以备份数据据库里的所有信息，并且到处为EXCEL格式。

（8）用户注册：管理员可以在此添加新的用户，如图10所示，同上，后面带有红色星号的空格为必填项目。

图10 添加用户

（9）登陆日志：在登陆日志里记载了用户登陆系统的时间、IP，还可以进一步加入记录用户在系统中的操作信息，加强对用户行为的管理，保障系统的安全，如图11所示。

图11 用户登陆日志

5 实验研究

按照上述方案在室外搭建了一个短距离的实验平台，沿途布置了100个采集节点，编号为T1,T2,…,T100。由于CC2530自带温度传感器，所以每个节点都实现环境温度的采集，其中节点T100处安置了一台可变档800W/1200W/2000W的电暖器，T100采集电暖器运行时的电流。为了观察方便，在添加设备的时候并未添加所有的设备，只随意添加20个设备再加上T100，然后点出获取节点信息，在网页平台上可以立即观察到添加的21个节点的环境信息。网页1 min更新一次节点信息并自动保存，每隔20 min调节电暖器的档位，依次是800 W，1 200 W，2 000 W，调出历史数据，分别按顺序取出10组来观察，这里只列出T100的信息，如表1所示。

图12反映了T100返回的10组数据的变化情况，从图中可以看出，节点T100因为受到电暖器加热的原因温度在逐步上升，另外，在电暖器档位变化时，电流也发生变化。同时，温度和电流的变化也实时地反应在网站上，验证了该方案的可行性。

表1 节点T100返回的数据信息

图12 节点T100返回数据统计

6 结束语

本文介绍一种基于ZigBee技术的高速公路机电设备监测系统。采用ZigBee技术组建监测网络，由传感器+通讯模块组成各个监测终端，监测终端采集的信息汇集在汇集点再通过远距离无线传输方式传到远处的监控中心，监控中心利用基于LAMP平台开发的B/S结构应用程序发布监测数据，使用户能够通过访问监控网站直接观察整个机电系统的运行状况，并利用数据库对监测数据进行保存。最后，通过搭建实验平台验证了该方案的可行性。

[1] 刘剑锋．浅谈高速公路机电设备信息管理系统的设计与应用[J]．黑龙江交通科技,2010(7):186-188．

[2] 尹仕健．基于ZigBee技术的无线温湿度采集系统设计[J]．电子测试,2011(6):82-85．

[3] 龚怡恒．基于ZigBee技术的高速公路机电设备无线通信系统研究[J]．广东科技,2011,6(12):39-40．

[4] 张俊．基于分簇的无线传感器网络协议[J]．电子测试,2011(5):48-51．

[5] 王瑞峰．霍尔传感器在直流电流检测中的应用[J]．仪器仪表学报,2006,6(6):312-333．

[6] 张芳．基于无线传感器网络的机电监测系统的应用研究[D]．成都:电子科技大学,2008．

[7] 韩绍泽．一种基于B/S结构的监测系统研究[J]．计算机与数字工程,2011(1):81-83．

[8] 许宏科．基于B/S结构的高速公路机电设备维护费用预算系统设计与实现[J]．公路交通技术,2011,2(2):126-129．