基于物联网技术的列车环境监测系统设计

王锐，吴紫薇

（长春轨道客车股份有限公司 信息化部，长春 130062）

目前，国内的旅客列车正向着高速、自动和舒适的方向迅速发展，人们关注的目光更多地放到车厢内部环境的舒适性上来。而且，现代列车的发展使其与传统列车相比有着新的难题，尤其是大幅提升的行车速度，使得旅客列车的安全检测已经成为铁路运输研究中的重要课题之一［1］。

物联网技术及无线传感器网络技术的出现，在信息的无线传输、低廉的使用成本，以及网络自适应等方面表现出较大的优势，十分适用于旅客列车运行中环境信息的采集和传输上。在旅客列车环境信息监测方面开展相关的研究，对于提高国内铁路运行信息化水平有非常重要的意义。

1 基于ZigBee的无线传感器网络

1.1 ZigBee技术简介

ZigBee技术是目前应用最为广泛的一种近距离的无线通信技术。其基于IEEE 802.15.4协议，并提供了完整的通信协议栈。ZigBee技术具有协议栈复杂度较低的特点，而且具备硬件简单、设备价格低，支持休眠状态、系统功耗低，传输速率适中等特点。基于ZigBee技术的设备通信距离可达百米以上，且断网自组能力较强［3］。

ZigBee技术在进行数据收发时可以在不同的通信频道上进行选择，最常用的是2.4GHz的通用频道，在美国可以选择915MHz的通信频道，在欧洲也可以选择使用868MHz的通信频道。采用标准的ZigBee协议在2.4GHz频段上的最高速率可以达到250kbps，而在其它两个频段上的最高频率也可以达到20kbps和40kbps。因此，ZigBee技术在嵌入式设备组网的应用中可以很好的满足数据传输的需要。

1.2 ZigBee网络拓扑结构

在ZigBee技术规范中可以支持3种不同的拓扑结构，分别是星形拓扑、树形拓扑和网状拓扑［4］。其中，星形拓扑实现最为简单，但是网络可靠性低，通信距离短，鲁棒性差。树形拓扑通过增加了路由节点，大大提高了通信的距离，可靠性有所提升，但是总体鲁棒性还是不能很好的满足应用的需求。本文所设计的列车环境监控系统必须保证系统的稳定，因此选用了最为复杂的网状拓扑结果作为终端组网的通信链路。网状拓扑可以完全实现点对点的通信，在网络中的某条通信链路发生故障的时候，可以自动切换其他链路，保证通信的可靠［5］。网状拓扑结构如图1所示。

图1 ZigBee网状拓扑结构

2 系统的设计

2.1 系统设计总体目标

本文中设计的监测系统的主要功能是通过建立无线传输网络，传输旅客列车车厢区域内采集的温度、气压、湿度、一氧化碳等环境参数数据，实现对列车车厢内环境状态变化的实时监测，确保旅客列车舒适安全运行［6］。因此，本文中设计的监测系统采用了基于ZigBee的无线传输网络，可以方便的完成列车上的数据采集、传输工作，可靠性强。系统的总体架构如图2所示。

图2 系统总体架构图

2.2 硬件系统设计

整个系统由ZigBee无线网络传输模块和基于ARM CPU的控制模块组成。其中，ZigBee无线网络传输模块主要完成信息的采集和无线传输的核心模块，由协调节点、路由节点和终端传感器节点组成。ZigBee网络协调节点是嵌入在ARM CPU的控制模块上的，作为无线通信接口，实现ZigBee网络与ARM CPU控制模块的互联。

ZigBee无线网络传输模块上电后，开始建立无线通信网络；网络建立成功后，传感器节点将通过温度传感器、湿度传感器、速度传感器、气压传感器和一氧化碳传感器等一系列传感器对旅客列车车厢内的环境状态数据进行采集；然后传感器节点将采集的温度、湿度、气压和一氧化碳等数据经过低功耗射频模块发送出去，经ZigBee无线传输网络传输后，最终到达控制器节点，控制器节点接收数据，并进行处理及显示，实现对旅客列车车厢内部环境参数进行实时的监测。另外，控制器可以根据目前的车厢状态，向各个无线节点下达控制指令，无线节点可以具体做出空调的开关、温湿度的调节等具体控制工作。

2.2.1 ZigBee无线网络传输模块设计

无线网络传输模块主要负责系统的数据采集、传输工作，由协调节点、路由节点和终端传感器节点组成［7］。ZigBee无线网络传输模块功能框图如图3所示。

图3 ZigBee无线网络通信模块

在本系统的采集终端中选择了TI公司的ZigBee单芯片解决方案CC2430芯片，CC2430上系统资源丰富，并且具有较高的处理性能。C2430芯片内部内置了一个加强型的8051单片机，并集成了一个2.4GHz的DSSH射频收发器，目前CC2430已经成为最为主流的ZigBee组网解决方案［8］。CC2430的典型电路如图4所示。

图4 CC2430典型电路图

2.2.2 传感器的选择、设计

（1）为了获取列车上的温度和湿度数据，本系统设计中选择了集成度高的SHT11温湿度传感器芯片。SHT11采用了CMOSens技术，包含一个14位的模数转换器，通过串行进口同外部处理器相连。SHT11在出厂前都经过了非常严格的校准标定并在内部OTP内存中保存校准系数，在测量时可以保证温度测量精度为±0.5oC，湿度在0%～100%RH［9］。SHT11的外围电路及其同CC2430的接口电路如图5所示。

图5 SHT11与CC2430模块连接图

（2）本系统设计中选用了MPXA6115A气压传感器来采集列车车厢内的绝对气压。MPXA6115是飞思卡尔公司出品的高精度硅气压传感器，可以测量的范围是15kPa到115kPa。MPXA6115的外围接口电路以及同CC2430的连接电路图如图6所示。

图6 MPXA6115外围电路图

（3）一氧化碳传感器采用了稳定可靠的高精度、高灵敏的ME2-CO传感器。ME2-CO广泛应用于工业领域的一氧化碳气体检测，具有非常好的重复性和稳定性。ME2-CO的外围电路设计如图7所示，ME2-CO在检测到一氧化碳气体后会发出微弱的电信号，经过LM358放大电路后通过P0.6端口输入到CC2430中进行后需处理，输出的电压同一氧化碳的浓度成正比例关系。

图7 ME2-CO传感器外围电路图

2.2.3 显示电路设计

在本系统中，为了能够实时显示列车车厢的数据信息，设计中采用了液晶触摸屏作为列车车厢的数据显示及空调控制单元。液晶显示触摸控制电路如图8所示。在对这部分进行设计时，选取了ADS7843作为控制器，通过其内部的12bit高精度模数转换器对触摸屏采集的数据进行转换，得到触摸点的XY坐标信息。

图8 液晶显示部分电路图

2.2.4 空调控制电路设计

为了控制车厢内的环境温度和湿度，本系统设计中采用了调速电机控制模块，从而达到对空调蒸发器、冷凝器和换气风扇的调节控制。这部分电路如图9所示，终端传感器节点的CC2430处理器收到控制指令后，调用内置的调速程序在P0.0端口输出信号，通过光电耦合器隔离后，直接控制空调的调速电机输入电流，完成对空调调速电机的控制。

图9 空调电机控制电路

2.3 软件系统设计

本文采用了CC2430的厂商TI公司提供的IAR EW作为相应的软件开发平台。IAR开发编译环境的代码优化率高，界面友好，功能强大，为用户的开发提供了高效率的开发平台，降低开发的时间和成本。

2.3.1 协调器节点程序设计

本系统中协调器节点软件部分设计采用了模块化的思路，通过ARM CPU处理器控制ZigBee网络中的协调器节点初始化系统并启动数据传输网络，之后扫描网络中的终端节点等待其加入，在数据传输网络建好后保证网络的正常运行。

当一个协调器设备启动之后，调用操作系统OSAL中的设备启动函数进行网络的组建工作，并将自己在网络中的设备类型定义为协调器，这样就标志着自己作为网络的控制设备来进行网络的维护工作，赋予标志位NodeType=COORDINATOR。在完成了初始化工作之后，协调器设备还需要对网络的标识符、超级帧命令、工作信道和信标帧等具体的网络参数进行定义和配置工作，在完成了网络环境参数的配置之后，调用OSAL中的函数来确定网络的建立成功，并等待其他设备的入网工作。Zig-Bee网络的组建流程如图10所示。

图10 主程序流程图

2.3.2 终端传感器节点程序设计

在终端传感器节点设备的软件设计中需要完成以下几个功能：搜索网络和加入网络、发起绑定请求、数据的发送和接收、开关空调、调节气压和显示器的控制等。终端节点的程序流程图如图11所示。

图11 终端节点软件流程图

同协调器设备类似的ZigBee终端设备在上电之后，也需要启动OSAL操作系统进行设备的启动和初始化工作，对当前的硬件设备状态进行查询和配置，对硬件上面的参数寄存器进行初始化。之后ZigBee终端设备需要对附近的网络进行搜索和发现，向ZigBee网络协调器设备发送入网申请，并等待答复。在核准入网之后，进一步发送设备绑定请求，进行网络地址的绑定工作，在协调器更新网络设备绑定表之后，会返回一个绑定成功的命令，之后ZigBee终端设备就可以按照相应的地址发送数据了。在本系统中，ZigBee网络终端设备的主要工作是将连接在终端设备上的传感器采集的数据通过ZigBee网络进行发送，并接受协调器发来的控制命令，对空调电机进行调速控制，或者将相应的数据信息显示在LCD显示屏上面，方便列车乘客的查阅。在没有任何工作任务的时候，设备处于空闲状态，这时候，需要进入到睡眠模式，降低模块的电量消耗，等待有任务时在进行唤醒。

3 结论

本文在物联网技术的基础上，选用多种传感器来采集列车中的环境参数数据，并利用CC2430芯片构建了一个网状拓扑结果的无线数据传输网络，在此网络中进行环境数据的传输，实现了对旅客列车环境的智能监控。通过合理的设计软硬件系统，系统可以实现长时、稳定、可靠的运行，在实际的旅客列车运行保障中具有广泛的应用前景。