牛園園

（江蘇省徐州技師學院，江蘇 徐州 221000）

1 ZigBee 無線通信技術概述

ZigBee是IEEE 802.15.4技術的商業(yè)名稱[1]。近年來，ZigBee無線通信技術已經被廣泛應用于各個領域，具有許多優(yōu)點。當其用于睡眠模式時，傳輸功率僅為1 mW，能夠在一定程度上達到節(jié)電能耗的作用，而且延遲較短，僅15 ms就能夠在第一時間內激活睡眠工作狀態(tài)，完成設備搜索任務，滿足不同行業(yè)的基本需求[2]。

ZigBee的優(yōu)勢在于擁有較大的網絡容納能力，僅需要一個星型的ZigBee網絡就能夠承載254個子節(jié)點和1個主節(jié)點，而且在數據傳輸過程中通過碰撞避免模式，能夠在一定程度上有效避免發(fā)生競爭和沖突，說明了ZigBee通信技術的可靠性[3-5]。此外，在安全方面ZigBee提供了一種循環(huán)冗余校驗方法，通過AES-128數據信息的加密模式，使每一個數據信息均能夠在一定程度上確定最佳屬性。

2 基于ZigBee無線通信技術城軌交通軸溫監(jiān)測系統(tǒng)的總體設計

對基于ZigBee無線通信技術的城軌交通軸溫監(jiān)測系統(tǒng)而言，其主要由上位機和下位機兩個部分組成。上位機是一臺終端個人計算機（Personal Computer，PC），主要負責溫度數據的實時監(jiān)測和信息存儲。下位機主要由多個軸溫數據信息采集節(jié)點構成，主要負責溫度數據量值的采集和數據信息的有效傳輸等。

溫度采集終端在接收到協(xié)調器傳輸的信號后進行網絡訪問操作，成功訪問網絡后將連接至溫度采集終端，在滿足實際需求的情況下對系統(tǒng)進行初始化。通過ZigBee無線網絡將溫度數據信息定期傳輸至系統(tǒng)對應的協(xié)調器內，協(xié)調器將獲取的溫度數據信息進行操作處理。若溫度參數高于設定的閾值，則將會觸發(fā)警備裝備，此時需要協(xié)調器及時處理溫度量值數據信息，再將其通過串口通信模式傳輸至PC設備終端，從而使得相關工作人員可以實時監(jiān)測系統(tǒng)溫度。

3 基于ZigBee無線通信技術城軌交通軸溫監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設計

3.1 無線通信模塊設計

ZigBee無線通信技術的城軌交通軸溫監(jiān)測系統(tǒng)終端選擇CC2530，其電路圖如圖1所示，基本構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，在實際應用過程中能夠增強芯片的工作穩(wěn)定性[6]。晶體振蕩電路由32 MHz晶振Y1、32.768 kHz晶振Y2以及多個負載電容裝置構成。其中，Y1與XOSC32M_Q1和XOSC32M_Q2相關聯(lián)，負責高速晶振；Y2與引腳P2_3和P2_4相關聯(lián)，負責提供低速時鐘源。

圖1 CC2530電路圖

3.2 溫度采集功能電路設計

在城軌交通軸溫監(jiān)測系統(tǒng)的溫度采集功能電路設計中，DS18B20可以作為系統(tǒng)內部的模擬溫度傳感器和數據信號處理裝置，在進行數據信息傳輸的過程中與CC2530通信，從而在設定區(qū)域范圍內實現(xiàn)溫度采集功能?？紤]到該系統(tǒng)僅需要進行單點溫度采集，因此本文將采用外部電源供電模式?；緶囟炔杉娐啡鐖D2所示。

對于城軌交通軸溫監(jiān)測系統(tǒng)的溫度采集電路，通過DS18B20采集溫度測量的實驗對象，并將獲取的溫度數據信息傳遞至CC2530端，然后將該數據信息作為系統(tǒng)的信號輸入端。為了使DS18B20能夠執(zhí)行精確的溫度轉換功能，I/O端口必須確保轉換周期內的電源供應，然后與CC2530相結合，在一定條件下實現(xiàn)溫度的采集功能。

3.3 溫度顯示電路設計

在城軌交通軸溫監(jiān)測系統(tǒng)的溫度顯示電路設計過程中，LCD1602具有（1～11）×104h的半衰周期。目前最常用的是8段式數字顯示裝置，包括10個管腳，每個段位對應1個管腳，其余的顯示管可以用來顯示數據信息傳輸的公共終端[8,9]。8段式數字顯示裝置在一定應用情況下能直接顯示時間、日期以及溫度等相應量值信息，具有較強的直觀性。

4 ZigBee無線通信技術城軌交通軸溫監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設計

4.1 Z-Stack協(xié)議棧設計

ZigBee無線通信技術的城軌交通軸溫監(jiān)測系統(tǒng)軟件部分的設計主要以Z-Stack協(xié)議棧為核心，在滿足整個系統(tǒng)應用需求的前提下調用封裝完成的功能函數數據包，從而順利完成調試工作，實現(xiàn)系統(tǒng)網絡的有效傳輸。Z-Stack協(xié)議棧的基本工作主要為系統(tǒng)初始化和實體操作運行。在系統(tǒng)程序運行的應用開發(fā)中，需要調用lininitasks（）函數構建任務包，同時對其中包括的全部任務Task ID分配唯一的標識符。若在項目運行過程中涉及多個事件同時發(fā)生的情況，那么系統(tǒng)會根據事件設置的優(yōu)先級進行依次操作。

4.2 溫度采集終端設計

當城軌交通軸溫監(jiān)測系統(tǒng)的溫度采集數據終端啟動電源后，其將會自動掃描周圍區(qū)域范圍內的相關網絡，同時向網絡發(fā)起請求。若有網絡應答成功后，DS18B20將采集溫度數據信息，然后將獲取的溫度數據放置于系統(tǒng)的緩存區(qū)域內。系統(tǒng)終端裝置通過調用SendPeriodicMessage（）函數與協(xié)調裝置傳輸數據信息，此時上位機能夠同時實時監(jiān)測城軌交通軸溫的4個終端，并分別定義4個終端，便于后期識別。

4.3 上位機監(jiān)測設計

城軌交通軸溫監(jiān)測系統(tǒng)的上位機界面由溫度顯示模塊、數據量值圖像模塊以及數據存儲模塊構成。對于溫度顯示模塊而言，其在實際應用過程中能夠同時實時監(jiān)測4個終端的溫度數據信息，設置周期為1 s。若溫度參數高于設定的閾值，則將會觸發(fā)警備裝備[10]。對于數據量值圖像模塊而言，其依照4個終端的溫度數據信息變化情況進行實時的曲線繪制，從而在一定程度上能夠讓相關工作人員直觀地監(jiān)測到不同時間段內溫度的變化情況[11]。對于數據存儲模塊而言，其能夠存儲歷史顯示的數據信息，便于管理人員分析和匯總城軌交通軸溫的變化情況。在上位機監(jiān)測設計中，主要以C++為語言基礎，應用IVIFC類庫結合Iocomp控件實現(xiàn)溫度顯示和圖像繪制，通過調用Serialport函數設置串口參數量值，從而在滿足需求的條件下實現(xiàn)系統(tǒng)上位機與下位機之間的數據通信傳輸。

5 ZigBee無線通信技術的城軌交通軸溫監(jiān)測系統(tǒng)測試分析

對于ZigBee無線通信技術的城軌交通軸溫監(jiān)測系統(tǒng)而言，其在系統(tǒng)測試階段根據城軌的基本情況及周邊環(huán)境的實際現(xiàn)狀，在實驗室內模擬出系統(tǒng)裝置在現(xiàn)場的實際應用環(huán)境。首先，啟動城軌軸溫監(jiān)測系統(tǒng)的上位機程序。其次，設置與協(xié)調裝置通信時應用的串行端口號。當設置完成后需要獲取協(xié)調裝置的溫度數據信息參數，單擊自動刷新功能，此時4個終端的溫度將會呈降低趨勢，然后繪制對應的溫度變化情況圖。最后，經過試驗測試，城軌軸溫監(jiān)測系統(tǒng)的上位機程序運用穩(wěn)定，ZigBee無線通信裝置采集的溫度數據信息正常。當測試距離設置為100 m時，溫度數據傳輸正常，無異常情況發(fā)生，符合城軌的軸溫基本需求。

6 結 論

針對城市軌道運輸的特點和時代發(fā)展的需求，設計了基于ZigBee無線通信技術的城軌交通軸溫監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)應用溫度傳感器DS18B20檢測城軌軸溫，同時通過ZigBee無線通信技術傳輸獲取的溫度數據信息，最終由串口通信模塊將監(jiān)測的溫度情況傳輸至終端顯示界面。城軌交通軸溫監(jiān)測系統(tǒng)在實際應用過程中能夠更加精準地保證車輛的軸溫處于正常范圍內，在一定程度上使得城市軌道交通更加安全。