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(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)精密機械與精密儀器系，安徽 合肥 230027)

利用無線模塊的列車軸承在線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

余文航，孔凡讓，張海濱，陸思良，沈長青

(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)精密機械與精密儀器系，安徽 合肥 230027)

鑒于道旁麥克風(fēng)采集的聲音信號受多普勒效應(yīng)及周圍噪聲影響而難以提取的缺陷，提出一種基于無線模塊的軸承在線監(jiān)測系統(tǒng)。通過振動傳感器在線采集軸承振動信號，利用無線模塊進行無線數(shù)據(jù)傳輸，最后對接收到的數(shù)據(jù)進行分析處理以確定是否有故障。主要從無線模塊選型、硬件電路實現(xiàn)、通信協(xié)議等幾個方面介紹了系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)過程。

軸承監(jiān)測；振動信號；無線模塊；無線數(shù)據(jù)傳輸

0 引言

鐵路運輸在交通運輸領(lǐng)域占有十分重要的地位，在國民經(jīng)濟建設(shè)中發(fā)揮著舉足輕重的作用，據(jù)統(tǒng)計，鐵路運輸每年承擔(dān)了全國旅客三分之一以上的運送量，完成了全國貨物運送量的55%[1]。然而，由于列車所處的環(huán)境差異很大，列車的軸承、車輪輪箍和轉(zhuǎn)向架等受到交變的作用力，常常會發(fā)生故障。這些故障對鐵路運輸造成的影響輕則是被迫停車，嚴(yán)重的則會導(dǎo)致列車出軌等嚴(yán)重事故。軸承故障是最常見最主要的列車故障類型[2]，因此，研究針對列車軸承的故障診斷與狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)具有重要意義。

根據(jù)故障診斷技術(shù)機理的不同，診斷軸承故障的常用方法有振動分析法、噪聲分析法、油樣分析法、溫度分析法和聲發(fā)射診斷等[3]。其中，油樣分析法僅僅適用于使用油潤滑的軸承故障診斷，對使用脂潤滑的軸承較困難；溫度分析法對于列車軸承的早期故障檢測能力弱；噪聲分析法優(yōu)點是可以進行無接觸測量，其弊端是難以從周圍環(huán)境中的各種其他噪聲中分離出軸承異常的聲音信號；聲發(fā)射診斷使用超聲波信號，檢測頻率更高，可以避開低頻源和噪聲干擾，在提高信噪比方面有一定作用，只是現(xiàn)階段利用聲發(fā)射診斷的應(yīng)用還不多見；振動分析法是通過安裝在軸承座和箱體上的振動傳感器來監(jiān)測軸承的振動信號，并對其進行分析和處理的方法，可以有效地診斷出早期輕微故障信號，具有測試與處理簡單、直觀，診斷結(jié)果可靠等優(yōu)點，在實際中得到了廣泛的應(yīng)用。因此，選用振動分析法來監(jiān)測列車軸承故障。

用振動分析法監(jiān)測列車軸承的振動信號，關(guān)鍵在于怎樣把傳感器測到的振動信號實時地傳給PC，再對接收到的信號進行分析處理以確定是否有故障。在此，介紹了一種基于無線模塊的列車軸承振動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采用電池供電，整個電路功耗極低，所有數(shù)據(jù)傳輸都是無線的方式，是一個完全獨立的系統(tǒng)。

1 總體設(shè)計

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示(為單個軸承終端的示意)。圖1中，上位機由PC、RS232串口和無線模塊組成，下位機由單片機(MCU)系統(tǒng)、振動傳感器和無線模塊組成。實際應(yīng)用中上位機置于列車的中間車廂中，下位機安裝在軸承旁，由于列車有多個車廂，每節(jié)車廂又有很多軸承，每個軸承旁都裝有一個下位機終端。當(dāng)上位機PC發(fā)送采集某個軸承振動數(shù)據(jù)的指令時，此軸承對應(yīng)的下位機便會接收指令、采集振動信號，然后通過無線模塊把數(shù)據(jù)傳給PC，最后PC對數(shù)據(jù)進行處理以確定是否有故障。系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵是無線模塊的選型、主控電路的設(shè)計以及通信協(xié)議的制定。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2 無線模塊選型

系統(tǒng)選擇的是基于CC1101芯片的SM46型433 MHz無線串口通信模塊。選擇SM46模塊，主要基于以下幾個原因：

a.低功耗。CC1101是美國TI公司推出的一款低功耗、集成度高而多通道的無線收發(fā)芯片[4]，其供電電壓為1.8～3.6 V，當(dāng)其在發(fā)射模式下發(fā)射功率為0dBm時，電流消耗僅為11.3 mA;工作在接收模式下接收速率為最高的500Kb/s時，電流消耗僅為12.3 mA。而且SM46模塊還有休眠及無線喚醒功能，當(dāng)不需要傳輸數(shù)據(jù)時可讓模塊進入休眠狀態(tài)，休眠電流不大于25μA。

b.傳輸距離遠(yuǎn)?？煽總鬏斁嚯x大于4 000m，而現(xiàn)在的列車總長一般都小于3 000m，滿足傳輸距離的要求。

c.高抗干擾能力和低誤碼率。無線數(shù)據(jù)傳輸方式相對于有線通訊的主要缺點就是傳輸數(shù)據(jù)的可靠性有待改進，受環(huán)境影響較大。SM46模塊使用GFSK調(diào)制方式，采用高效前向糾錯信道誤碼技術(shù)，提高了數(shù)據(jù)抗突發(fā)干擾和隨機干擾的能力，在信道誤碼率為10-3，可得到實際誤碼率為10-5～10-6。

d.其他的特點，如多信道多速率、透明的數(shù)據(jù)傳輸、智能數(shù)據(jù)控制無需用戶編制多余的程序和體積小重量輕等。

3 主控電路設(shè)計

主控電路是終端最重要的部分。系統(tǒng)的硬件電路是按模塊的功能進行設(shè)計的，設(shè)計選擇STM32單片機作為控制器，符合高性能、低成本和低功耗的要求，適合作為無線通信系統(tǒng)的MCU。

在此電路設(shè)計中，STM32單片機完成的主要功能有：數(shù)據(jù)采集(通過振動傳感器)、A/D轉(zhuǎn)換(MAX1300芯片)、數(shù)據(jù)傳輸(無線模塊SM46)、控制無線模塊的休眠及喚醒、參數(shù)設(shè)置(采樣頻率、采樣時間和波特率等參數(shù))、溫度及電池電量檢測等。整個主控電路的組成如圖2所示。

圖2 主控電路組成

由圖2可以看到，主控電路由5V的蓄電池進行供電。A/D轉(zhuǎn)換器的5路中，4路用于振動數(shù)據(jù)，剩下1路用于電池電量，溫度傳感器監(jiān)測終端的溫度。

4 通信協(xié)議[5]

所謂通信協(xié)議就是指通信雙方共同遵守的交換數(shù)據(jù)的格式和意義上的一組規(guī)則[6]。雖然SM46無線模塊有高抗干擾能力，但是不能完全不受干擾，數(shù)據(jù)的傳輸總會受到周圍的干擾，因此，需要擬定通信協(xié)議來保證獲得數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。

系統(tǒng)中需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)有指令和數(shù)據(jù)2種。指令又可以分為2類：上位機給下位機的指令(下行指令)，下位機給上位機的指令(上行指令)。

4.1 指令傳輸

先來介紹指令的通信協(xié)議。下行指令主要有啟動采集數(shù)據(jù)、上傳數(shù)據(jù)、休眠命令、喚醒命令、采樣頻率設(shè)置、采樣時間設(shè)置、波特率設(shè)置、溫度檢測、電量檢測、重新發(fā)送和校驗通過等，上行指令則對應(yīng)有下行指令執(zhí)行的反饋。根據(jù)這些需要的指令可以看到，指令通信幀格式有3個字節(jié)即可。如表1所示，第1個字節(jié)表示此指令的方向和內(nèi)容，指令方向即是上行指令還是下行指令，此處0x(Hex)表示下行指令，4x(Hex)表示上行指令。中間1個字節(jié)給出的是目標(biāo)地址，即終端的地址。列車有多節(jié)車廂，每節(jié)車廂又有很多個軸承，因此，整個系統(tǒng)會有很多個終端，終端地址就是代表這些終端的編號。最后1個字節(jié)是出錯校驗碼，由于指令數(shù)據(jù)相對比較可靠，這里采用校驗和的校驗方式，因此，這里第3個字節(jié)的值是第1個字節(jié)和第2個字節(jié)進行按位或運算的結(jié)果。通過第3個字節(jié)的值，可以檢驗收到的指令是否正確。

表1 指令數(shù)據(jù)的通信幀格式

指令方向指令內(nèi)容目標(biāo)地址校驗碼1字節(jié)1字節(jié)1字節(jié)上行指令00～0F00～FF00～FF下行指令40～4F00～FF00～FF

以一個例子來說明指令格式，如十六進制數(shù)“020103”的意思是PC給第2個終端的上傳數(shù)據(jù)指令。第1個字節(jié)“02”中的“0”代表下行指令，PC發(fā)給終端的，“2”是指令內(nèi)容，第2個字節(jié)“01”是終端的地址，第3個字節(jié)“03”是02和01按位或運算的結(jié)果。

4.2 數(shù)據(jù)傳輸

振動信號的無線數(shù)據(jù)傳輸是系統(tǒng)的核心內(nèi)容，必須要保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確完整。盡管SM46無線模塊理論上可以發(fā)送無限長的數(shù)據(jù)包，但為了傳輸數(shù)據(jù)的可靠性，在這里須將數(shù)據(jù)包分成很多小數(shù)據(jù)包進行傳輸。分析如下：假設(shè)無線模塊實際通信誤碼率為10-4，實際需要傳輸1KB=8192bit的數(shù)據(jù)，如果將1KB數(shù)據(jù)當(dāng)成1包發(fā)送，則至少有1位出錯的概率很大(接近于1)，這樣導(dǎo)致1KB的數(shù)據(jù)包被準(zhǔn)確接收的概率很??；而如果將這1KB數(shù)據(jù)分成10包，每包數(shù)據(jù)1000bit,則發(fā)送10包后，按概率只有1包會出錯，將出錯的數(shù)據(jù)包重新發(fā)送，則雖然多發(fā)了1次數(shù)據(jù)，效率降低了約10%，但是能保證所有數(shù)據(jù)的正確接收。

在系統(tǒng)中，小數(shù)據(jù)包的校驗采用循環(huán)冗余校驗碼(CRC校驗)。CRC校驗是數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域中最常用的一種差錯校驗碼，其特征是信息字段和校驗字段的長度可以任意選定。在這里，信息字段取25個字節(jié)的長度，校驗碼取1個字節(jié)的長度。如表2所示，將振動信號數(shù)據(jù)按包分成每包29個字節(jié)進行發(fā)送。前面3個字節(jié)是幀首，其中中間1個字節(jié)給出的是終端地址，第3個字節(jié)是幀首校驗碼。接下來25個字節(jié)給出的是信號數(shù)據(jù)。第29個字節(jié)是CRC校驗碼。

表2 振動信號的通信幀格式(調(diào)整前)

幀首信號數(shù)據(jù)CRC校驗碼3字節(jié)25字節(jié)1字節(jié)

用表2的格式做無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏y試結(jié)果，發(fā)現(xiàn)經(jīng)常出現(xiàn)暫停和數(shù)據(jù)錯誤的結(jié)果。下面來分析原因。

按照上面的通信格式，無線數(shù)據(jù)傳輸流程如圖3所示。上位機發(fā)送傳輸數(shù)據(jù)的指令給下位機，下位機校驗指令之后做出判斷，成功則發(fā)送OK回饋給上位機，同時準(zhǔn)備發(fā)送第1個數(shù)據(jù)包，上位機收到OK之后進入循環(huán)等待時間，收到第1個數(shù)據(jù)包之后進行CRC校驗并判斷，成功則發(fā)送yes(Y)，下位機收到之后開始發(fā)送第2個數(shù)據(jù)，失敗則發(fā)送no(N)，下位機收到之后重新發(fā)送第1個數(shù)據(jù)，以此循環(huán)。

然而實際應(yīng)用中，由于無線傳輸?shù)木窒扌裕瑪?shù)據(jù)可能出現(xiàn)丟失或者錯誤的情況。對于數(shù)據(jù)錯誤的情況，可以通過和校驗(對于指令數(shù)據(jù))和CRC校驗(對于振動數(shù)據(jù)包)的方法來很好地解決。數(shù)據(jù)丟失包括數(shù)據(jù)包丟失和指令丟失2種情況。對于數(shù)據(jù)包丟失的情況，這里以圖3中第1個數(shù)據(jù)包丟失為例，上位機收不到數(shù)據(jù)，也沒收到發(fā)送失敗的信息，就會一直等待下去，下位機沒有收到上位機關(guān)于發(fā)送成功或者失敗的信息，也會處于等待狀態(tài)，這就是實際測試中出現(xiàn)暫停的原因。對于這種情況，可以引入超時的概念來解決，即等待接收有一個時間限制，不會是無期限地等下去。在此，可以使用MCU定時器來準(zhǔn)確定義這個超時的長度。在下位機的無線模塊發(fā)送完第1個數(shù)據(jù)包之后，打開定時器開始計時，則超時理想的長度時間，由SPI讀數(shù)據(jù)時間、分析時間、轉(zhuǎn)換為發(fā)送模式時間、寫發(fā)送數(shù)據(jù)時間和無線發(fā)送時間來定義。如果收到了上位機發(fā)送OK的信息，定時器關(guān)閉，而如果超時時間到還未收到回傳，則認(rèn)為此處數(shù)據(jù)傳輸失敗，重新發(fā)送數(shù)據(jù)。

圖3 無線數(shù)據(jù)傳輸流程

而對于指令丟失的情況，這里以圖3中上位機收到第1個數(shù)據(jù)之后，發(fā)送的yes丟失為例。下位機沒有收到發(fā)送成功的信息，過了超時時間便會認(rèn)為發(fā)送失敗，于是開始重新發(fā)送第1個數(shù)據(jù)包，一直到收到PC傳來的發(fā)送成功的信息才開始發(fā)送第2個數(shù)據(jù)。這樣PC相對于收到了多次第1個數(shù)據(jù)包，把收到的數(shù)據(jù)包按順序處理的時候，顯然會出現(xiàn)重復(fù)而導(dǎo)致整個數(shù)據(jù)都錯誤的情況。這里采用重新定義振動信號的通信幀格式的方法來解決。如表3所示，將振動信號分成每包32個字節(jié)進行發(fā)送，前面29個字節(jié)和調(diào)整前的一樣，后面3個字節(jié)加入數(shù)據(jù)地址的信息(其中，前2個給出數(shù)據(jù)地址，第3個是數(shù)據(jù)地址校驗)。數(shù)據(jù)地址就是本數(shù)據(jù)包在整個數(shù)據(jù)中的編號位置。有了數(shù)據(jù)地址的信息，PC再對數(shù)據(jù)包進行處理的時候，就可以剔除重復(fù)的數(shù)據(jù)包，并將需要的數(shù)據(jù)包按數(shù)據(jù)地址排列好，再分析處理是否有故障。

表3 振動信號的通信幀格式(調(diào)整后)

幀首信號數(shù)據(jù)CRC校驗碼數(shù)據(jù)地址3字節(jié)25字節(jié)1字節(jié)3字節(jié)

用調(diào)整后的通信幀格式再做無線數(shù)據(jù)傳輸測試，結(jié)果不再出現(xiàn)暫停和數(shù)據(jù)錯誤的情況，證明了系統(tǒng)的無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)目尚行浴?/p>

5 結(jié)束語

提出了一種列車軸承在線監(jiān)測的系統(tǒng)。通過無線模塊傳送振動數(shù)據(jù)的方法，可以有效地避免多普勒效應(yīng)和周圍背景噪聲給軌邊聲學(xué)診斷系統(tǒng)帶來的不足和方法本身的缺陷。 重點介紹了無線模塊的選型、主控電路的設(shè)計以及無線通信協(xié)議。通過無線數(shù)據(jù)傳輸實驗初步驗證了系統(tǒng)的可行性。對于后面的工作，主要有兩點：一是想辦法將下位機安裝在列車軸承旁；二是在列車上試驗一下是否能按預(yù)期去測軸承的振動數(shù)據(jù)。

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Design of a Online Monitoring System of Train Bearing Based on Wireless Module

YUWenhang，KONGFanrang，ZHANGHaibin，LUSiliang，SHENChangqing

(Department of Precision Machinery and Precision Instrumentation, University of Science and Technology of China, Hefei 230027,China)

In view of the defect of acoustic signal collected by microphone which is hard to extract for it corrupted by the Doppler Effect and surrounding heavy noise, this paper will show us a online monitoring system of train bearing based on industrial wireless module. It can collect bearing vibration signal in real time by vibration sensors, transport the data by wireless module and finally analyze and process the

data to determine whether there exists a fault. The paper mainly introduces the development and realizing process of the system in the aspects of the selection of wireless module, the design of the hardware configuration, communication protocol and so on.

bearing monitor; vibration signal; wireless module; wireless data transmission

2014-06-04

TH133.3；TN911.7

A

1001-2257(2014)10-0055-04

余文航(1989-)，男，安徽安慶人，碩士研究生，研究方向為基于無線物聯(lián)網(wǎng)的高速列車軸承故障在線診斷；孔凡讓(1951-)，男，安徽合肥人，教授，博士研究生導(dǎo)師，研究方向為強噪聲多聲源陡畸變高速列車軸承聲學(xué)診斷、基于無線物聯(lián)網(wǎng)的高速列車軸承故障在線診斷。