基于Zigbee 客车车内环境系统的设计

张云翔， 谢应广， 刘 莉， 陈子锟， 雷钦文， 彭石林

（长沙理工大学 物理与电子科学学院， 长沙410114）

0 引 言

近年来，随着客车技术的高速发展。 人们在出行时，综合考虑往往会选择乘坐客车，最先进的高铁客车还是普通的公交客车都是人们出行常选择出行方式。 而当客车行驶一段时间之后，客车车内的环境可能发生改变，这些环境因素包括温度、湿度、气体、灯光等。 而这些环境因素会在不知不觉中影响到旅客的心情及身体健康状况，进而造成客车安全事故［1］。 为了保障旅客的出行安全，构造良好的车内环境就显得极其重要。 为此设计了一款监控客车车内环境Zigbee 系统，该系统能够对客车环境实时监控，具有数据收集和存储等功能。

从国家校企合作政策沿革看，“校企合作”一直是国家政策关注的重大问题。特别是《行动计划》对“优质校”校企合作目标任务的要求，足以说明国家教育政策扶优培强、以点带面的意旨。之所以校企合作要素在国家职业教育政策中占有非常重要的比重，是因为职业教育政策是为实现“中国梦”培养所需职业人才的制度保证。教育顶层设计给予了高中职和“优质校”建设体系完整、任务明确、保障有力的国策支持。

1 无线通讯技术的选择

物联网时代，无线通讯技术已越来越多的被运用到了各种场景与环境。 比如手机的移动通信，智能手环，共享单车，无线定位，智能安防等。 根据不同领域与特性，研究及应用所用到的无线物联网技术往往不同，主要分为红外技术、蓝牙技术、WiFi 技术、Zigbee 技术等。

Zigbee 技术作为一种智能无线通信技术，与其他无线通信技术相比，具有操作难度低、网络连接简单快捷、所需能耗少，性价比高等优点［2］。 与蓝牙技术相比Zigbee 完全是开源免费的，并且支持大量的网络节点和多种网络拓扑结构，能够有效的防止网络阻塞，保证节点数据之间的正常传输。 Zigbee 的功耗低，在不需要的时候可以保持休眠状态，相比于其他无线设备寿命更长，耐久度也强，相比于其他的无线技术，其传输距离也比较长，一个网络中能够容纳多个节点。 因此，本文使用Zigbee 技术来组建系统环境。

2 客车车内系统总体设计

2.1 系统设计

客车车内系统包括无线传感网络、客车控制平台、远距离地面操作中心。 图1 为Zigbee 客车监控控制系统的主要结构图。

Laparoscopic surgery for colorectal cancer is increasing rapidly, particularly among elderly patients. However, neither the safety nor the effectiveness of laparoscopic surgery in this demographic has yet been determined.

（1）车载无线传感网络。 Zigbee 车载无线网络主要由Zigbee 终端节点、路由器节点、Zigbee 协调节点组成［3］。 其中Zigbee 终端单元放置于车内不易触碰到的位置，上面连接的各类传感器可以实时的收集数据，并通过中间节点发送给协调器节点，Zigbee 协调器节点安装于驾驶监控室内，通过RS232 串口与车载监控平台进行数据通信。

图1 Zigbee 系统的主要结构图Fig. 1 Main structure of ZigBee system

系统监视中心的程序包括：显示控制界面信息、调试相应的配置、储存工作运行数据和LabVIEW 界面。

地下水是一种浓度较稀的溶液，它由常见离子（钙、镁、钠，重碳酸根、硫酸根、氯根）、微量组分（如氟、溴、碘、硼等）和气体组成（如氮、二氧化碳、甲烷等）。一定化学成分的地下水是一定的地质环境下的产物，地下水化学成分是指地下水中所含的有机的和无机的化学成分。

7）喷洒、负压环保控制系统：运输车卸料半封闭系统、臂架封闭系统、卸料点封闭系统，通过除臭剂机内自动喷洒、异味负压收集实现布料过程的异味控制。

2.2 模拟系统

在地市级传统媒体中，由于新媒体发展迅猛，新媒体从业人员一部分是传统媒体岗位流转过来，这些传统媒体从业人员思维固定化，对新媒体技术的接受度及了解度较差；另一部分人员由运维的公司采取企业化管理模式，由于工资待遇低，招聘条件相应放低，人员流动频繁，部分新媒体从业人员对传统媒体业务知识及技能缺乏培训，是造成传统媒体和新媒体融合停滞不前的主要原因。

图2 系统模拟连接图Fig. 2 System simulation connection diagram

3 系统硬件设计

在整个客车车内系统中，硬件作为功能实现的基础，具有十分重要的作用。 根据不同的功能实现硬件不同的设计。 无线网络建立采用的是高集成的CC2530 芯片，其内部结构复杂，高频电路利用集成电路技术进行大量集成，组网功能更加强大，且芯片体积小。 Zigbee 模块选用的无线通信芯片是兼容Zigbee 2007 协议的CC2530 芯片［4］。 新一代Zigbee在IEEE 802.15.4 协议上建立，它定义了MAC 层和物理层的通信规范，支持Zigbee RF4CE 标准。 而传感器使用市场上一些主流的传感设备，容易获取，安全稳定且价格不贵。

系统采用一个协调器、相应的路由器以及携带或连接多种传感器的终端，终端的数量可以根据客车内空间的大小适当增减。 系统模拟连接图如图2 所示。

3.1 基于CC2530 的Zigbee 通信模块的设计

客车控制平台由工控PC 和ZigBee 协调器模块组成。 监控中心提供系统信息、远程控制、存储、数据管理等功能的人机界面，并能实时监控整个客车内系统的运行状态。 PC 通过无线网络采集车辆的状态数据，并将车内环境功耗、光照、速度等数据发送到地面监控指挥中心，并向客车车内节点发送控制命令［5］。 车辆内部单元根据这些指令控制相应的设备，以满足随需应变系统的要求。 实时控制和监控车内状况。

（3）远距离地面操作中心。 采集获得的实时数据通过网络实时发送到远距离地面操作中心，管理员可以在这里对客车车内运行状况进行观察与控制。 为了使客车高效、安全运行，地面监控部分必须对所有客车运行情况有清楚了解。 地面监控中心与客车监控平台的无线网络连接成功后，就会实时接收数据、存储数据并以特定形式显示到屏幕。

图3 CC2530 核心系统Fig. 3 CC2530 core system

3.2 传感节点的设计

本系统可以使用多种传感器设备，后续还可以增加其他传感器，这里主要介绍本系统所用的关键传感器模块。

（1）温湿度传感器模块。 本系统采用DHT11数字温湿度传感器来完成对客车车内系统的实现，DHT11 程序采用模块化编程思想，只需要调用温度读取函数即可，方便且移植性好。 当DHT11 传感器检测到温湿度超过给定的值，可以实时的在车内环境监控界面上显示当前温湿度的具体数值，超过设定的阈值即刻报警。 客车司机可以根据报警提示对客车上空调进行控制，系统也可以实现超阈值对环境的调控，减少车内温湿度对乘客的不良影响。

首先依次对协调器模块和终端模块进行上电，上电后会对整个系统进行初始化操作并构建整个无线网络，在网络搭建成功后，协调器与路由器的功能是一致的。 这时协调器将会发出信号请求给需要入网的节点单元，需要入网终端节点收到相应的请求后会请求加入到创建协调网络中，且生成自己网络地址这时网络基本建成。 然后连接好传感器就可以采集外界收集来的数据，通过无线传感网络将数据发送给转接和收集模块，收集模块通过串口连接到PC 机，这些数据通过转化显示在监控中心的控制界面上。 系统建网设计流程如图4 所示。

3.3 客车控制平台硬件

客车通信模块主要实现Zigbee 网络的通信功能。 作为Zigbee 通信设备，主要用于完成建立客车内网络、维护网络运行、发送和接收数据等功能；作为Zigbee 终端设备中的一种控制装置，可以实现对设备的控制、传感器的监控和数据的采集。 客车车内系统主要由CC2530 芯片来实现通信连接和开发运用，其原理图如图3 所示。

4 系统软件设计

4.1 开发环境

本系统选择的是Zigbee CC2530 芯片，应用开发工具釆用的是IAR Embedded Workbench （简称IAR EW）软件。 IAR 作为ARM 的开发工具，能够支持多种语言，对各种不同芯片都具有较好的兼容性［6］。

4.2 系统建设计流程

（2）气体传感器模块。 在车内系统终端上插接由二氧化锡（SnO2）制作而成的气体传感器MQ-135。 MQ-135 气体传感器是一款价格便宜且有多种应用的气体传感器，对氦气、硫化物、苯系蒸汽等对人体健康有害的气体敏感度高。 当客车内有害气体超过车内设定的给定值，气体传感器的开关信号DO处于低电平，就会报警，提示乘客打开窗户。 当有害气体没有超过设定值，气体传感器的开关信号DO处于高电平。

图4 系统建网设计流程Fig. 4 System networking design process

4.3 监控软件设计

（2）客车控制平台。 客车监控平台主要是接受Zigbee 协调器所上传的数据，将数据分类存储显示。同时也负责监控Zigbee 车载无线网络建立、连接和运行情况。

（1）显示控制界面信息。 显示监控程序包括状态信息、车内的气体、温度和湿度，当达到设定的阈值，产生报警、Zigbee 配置读取网络ID 号码、波系数、网络地址和MAC 模块Zigbee 的地址等。

（2）调式相应的配置。 调试相应的配置程序设置包括设置串口，读取并配置Zigbee 以及调试灯灭。通过串口配置接口设置适当的串口配置参数。 通过Zigbee 配置读取网络ID 号码、波特率系数、网络地址和MAC 模块Zigbee 的地址，还可以对车内的灯光进行测试，确定灯光的亮灭及灯光的光亮程度。

（3）储存工作运行数据。 在系统正常工作中，将接收来自下位机的温湿度信息，气体和报警信息及时的保存到数据库中，方便用户导出和打印信息。

其三，政府部门要加大扶持力度，发挥带头作用，深入田间地头指导农民，通过身体力行，让农民对生态环境保护有直观的认识，并积极效仿。此外，政府还要重视农业示范基地建设，对示范田的土壤、农产品的质量以及试验田的周围环境都要进行调查、分析，充分发挥农业生产示范田的标榜作用。

（4）LabVIEW 界面。 在本系统中，上位机主要作用是接收终端发送来的数据，利用图形界面实时显示，采用LabVIEW 做上位机监控界面的主界面。 系统运行过程中，没出现任何情况，上位机界面正常显示各项数据情况。 当遇见系统报警提示时，操作人员可以发送相应的命令，针对终端上的客车单元设备进行有效控制。 LabVIEW 车载监控界面如图5 所示。

图5 设计车载监控界面的前面板Fig. 5 Design the front panel of vehicle monitoring interface

5 结束语

阅读与研究了大量相关文献，并了解了现有客车车内系统中选用的无线通信技术，并进行了比较，最终确定使用Zigbee 无线物联网传感器技术进行系统开发。 系统利用最新Zigbee 协议栈组成系统网络，理解无线通信、传感器、单片机技术及其在控制系统中的应用。 同时，也使得所设计的系统能够与时俱进。 在论文中，首先对系统整体做出设计后，分别对系统的软硬件进行了分析与设计，并设计了上位机监控界面，来实时的监控客车车内环境。 所开发的客车车内系统具有方便安装、方便网络扩展和方便管理等特点。 目前系统仍存在不足之处，比如系统开发中可以使用5G 技术来进行远程通信、还可以精简协议栈代码以提高系统的运行效率等。