費繼友，賈勇,李花，張珂，劉曉東

(大連交通大學 動車運用與維護工程學院，遼寧 大連116028)

動車組轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵部件溫度無線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

費繼友，賈勇,李花，張珂，劉曉東

(大連交通大學 動車運用與維護工程學院，遼寧 大連116028)

為監(jiān)測動車組轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵部件溫度，保障行車安全，利用動車組內(nèi)Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)設(shè)計了一種無線溫度監(jiān)測系統(tǒng).該監(jiān)測系統(tǒng)由STM32單片機、Pt100不平衡電橋采樣電路和RM-04Wi-Fi模塊構(gòu)成下位機采集系統(tǒng)，采用基于LabVIEW的PC機客戶端結(jié)合Android系統(tǒng)的移動客戶端APP組成上位機系統(tǒng).經(jīng)實驗測試，該系統(tǒng)響應速度快，無線傳輸穩(wěn)定，數(shù)據(jù)不丟幀，可達到±0.25℃的測量精度，監(jiān)測數(shù)據(jù)可存儲調(diào)用，滿足動車組隨車人員對轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵部件溫度監(jiān)測需求，對于保證動車組列車運行安全，積累行車數(shù)據(jù)具有重要意義.

Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)；溫度監(jiān)測；采集系統(tǒng)；測量精度

0 引言

動車組列車在鐵路客運中扮演著越來越重要的角色，2016年5月起實行的最新版鐵路運行圖顯示，動車組列車在旅客列車中占比達60%以上.動車組列車運行速度快，若安全防范措施不得當，故障隱患發(fā)生快.轉(zhuǎn)向架作為決定動車組列車運行品質(zhì)、安全性能的核心，其關(guān)鍵部件的性能指標可作為衡量轉(zhuǎn)向架健康狀態(tài)的重要參數(shù)[1].目前動車組列車對溫度指標的監(jiān)測多采用鉑電阻溫度傳感器，通過MVB接口中的RS485總線與CCU進行通訊，其布線復雜，且成本較高.隨著無線網(wǎng)絡(luò)和傳感器技術(shù)的發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的低功耗、傳輸穩(wěn)定、組網(wǎng)靈活、成本低等優(yōu)勢日益明顯，因此可利用動車組內(nèi)現(xiàn)有Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)搭建一套溫度無線監(jiān)測系統(tǒng)[2-3].

1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

以CRH380BL型動車組為代表，其轉(zhuǎn)向架為B0-B0結(jié)構(gòu)，需要對軸箱、齒輪箱、牽引電機及環(huán)境進行溫度監(jiān)測，每節(jié)車輛需要設(shè)置至少13個測量點.在本設(shè)計中，STM32單片機作為下位機主控單元，由Pt100鉑電阻傳感器進行溫度采集，信號放大后送至單片機內(nèi)置ADC實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；選用RM-04Wi-Fi模塊連接無線網(wǎng)，該模塊通過串口與STM32單片機通信，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，具有串口、以太網(wǎng)、無線網(wǎng)(Wi-Fi)通信功能，該模塊通過車內(nèi)的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)將檢測數(shù)據(jù)上傳至PC上位機和移動終端APP，為減小下位機采集卡的內(nèi)存消耗，在上位機部分進行數(shù)據(jù)處理及顯示.圖1為系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖.

圖1 溫度監(jiān)測系統(tǒng)框圖

2 下位機采集卡設(shè)計

2.1 溫度采集硬件電路設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)總體方案，此次設(shè)計選用的是Pt100鉑電阻溫度傳感器.但其在實際使用過程中需要解決兩個問題，一是消除鉑電阻傳感器導線線阻，二是消除鉑電阻阻值與溫度非線性關(guān)系的影響.兩線制的鉑電阻接入電路后，測量結(jié)果無法消除導線線阻的影響，故在精密測量場合應用較少，四線制鉑電阻在應用中需要高品質(zhì)恒流源作為電源，將四根導線兩兩一組，分別作為供電線和測量線，它對電源要求高、且接線多，在工業(yè)現(xiàn)場中最常用的是三線制的接法，通過不平衡電橋調(diào)零消除導線線阻影響，進而測得連續(xù)變化的阻值[4-6].下位機溫度采集使用三線制Pt100鉑電阻溫度傳感器組成不平衡電橋?qū)﹃P(guān)鍵部件溫度進行檢測，將電壓信號進行差分放大后，送至STM32的12位ADC轉(zhuǎn)換為0X0FFF格式的數(shù)字信號，經(jīng)串口傳輸給RM-04 Wi-Fi模塊通過車內(nèi)無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至上位機.STM32F103單片機的3個ADC均為12位精度，參考電壓最高為3.3 V，每一位的ADC分辨率為0.000 8V，當阻值每變化0.1 Ω時，電橋的輸出電壓變化約為0.001 V，STM32單片機ADC的分辨率與輸入電壓變化單位增量相符，Pt100的變化率為0.385 1 Ω/℃，系統(tǒng)的理論測量精度為±0.25℃[8].圖2為溫度采集電路原理圖.

圖2 溫度采集電路原理圖

圖中，Rt為鉑電阻傳感器，與R3、R4、R5構(gòu)成不平衡電橋，其輸出電壓進入放大電路.電橋采樣電路的供電電壓選用5V電源，為防止鉑電阻自發(fā)熱，通過電阻進行限流，使橋臂電流不大于1mA，為達到-40℃的檢測溫度下限，R5阻值應小于-40℃時鉑電阻Rt阻值，否則電橋輸出負電壓，單片機無法識別.

根據(jù)測溫范圍-40～180℃可知Rt的阻值變化區(qū)間為84.59～169.31 Ω，電橋輸出電壓V0由式(1)可得

(1)

式中，V是電橋供電電壓取5V，R3=R4=5k，R5=68 Ω，V0的變化范圍是0.016～0.096 V，因此將信號通過AD620儀表放大器放大26倍，放大后電壓值在單片機3.3 V參考電壓范圍內(nèi).同時為消除線阻影響，鉑電阻的三根導線需剪成相同長度，由式(2)可知

(2)

當R3=R4時，線阻影響將被消除，但當Rt連續(xù)變化時，Rt與R5并不始終相等，所以電橋不平衡，為減小輸出電壓V0與Rt的非線性誤差，采用0.1Ω精密電阻箱對系統(tǒng)進行阻值標定，將圖2中鉑電阻Rt用電阻箱代替，電阻箱每次遞增0.3Ω記錄其中部分實驗數(shù)據(jù)如表1所示.

表1 阻值-電壓關(guān)系表

根據(jù)上表中實驗數(shù)據(jù)，進行曲線擬合，得到如圖3所示的曲線圖和表2所示的擬合曲線分析表.

圖3 電壓-電阻曲線擬合圖

表2 擬合曲線分析表

結(jié)合圖3和表2可知，該擬合曲線的截距為-1.556 67，標準誤差為0.0067，斜率是0.02292，標準誤差是6.351 06×10-5，鉑電阻阻值Rt與電壓V0之間的關(guān)系可表示為：

V0=-1.55667+0.02292×Rt

(3)

由式(3)計算可得，當Rt以0.3 Ω梯度遞增時，輸出電壓最大誤差為5×10-6V，可忽略不計，因此通過該標定可減小非線性誤差及采集卡的系統(tǒng)誤差.

2.2 下位機軟件設(shè)計

下位機采集卡軟件系統(tǒng)需要實現(xiàn)以下功能，將電橋輸出電壓信號通過STM32單片機內(nèi)部的ADC模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，并按照通訊協(xié)議進行打包處理后經(jīng)由Wi-Fi無線網(wǎng)傳輸至上位機.

程序開始運行后，先進行內(nèi)部中斷、定時器及ADC、串口等外設(shè)的初始化，初始化完成后，進入ADC轉(zhuǎn)換及通訊的循環(huán)程序，循環(huán)程序執(zhí)行條件是否完成一次采樣周期，通過設(shè)定采樣周期標志位，每達到一次采樣周期，標志位值翻轉(zhuǎn)，從而進入循環(huán)，完成一次各個通道的采樣、數(shù)據(jù)編碼和組幀發(fā)送，在通訊協(xié)議的輔助下，通過對程序進行仿真測試， 執(zhí)行一次循環(huán)內(nèi)采樣及數(shù)據(jù)發(fā)送時間為83 μs左右，遠小于2 s的通用采樣周期要求，滿足系統(tǒng)需求，可將其可以作為面向高速采集的數(shù)據(jù)采集程序.其邏輯流程圖如圖4所示.

圖4 采集卡程序邏輯流程圖

3 上位機數(shù)據(jù)處理及顯示平臺設(shè)計

采集卡上傳的數(shù)據(jù)為原始電壓信號，上位機負責將電壓信號轉(zhuǎn)換為溫度并根據(jù)溫度值作出相應處理.利用RM-04Wi-Fi模塊自帶的TCP/IP協(xié)議棧作為網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層搭建TCP客戶端和服務(wù)器，在設(shè)計中，采集卡作為TCP的服務(wù)器，向一個PC機總客戶端及多個移動APP客戶端發(fā)送信息.

3.1 PC機客戶端設(shè)計

圖5 PC機客戶端邏輯流程圖

PC機客戶端作為總客戶端負責與下位機采集卡進行通信， 通過連續(xù)ARQ數(shù)據(jù)流窗口的形式接收并對數(shù)據(jù)進行確認.采用LabVIEW編寫上位機UI，主要分五部分組成：登陸界面、TDMS存儲子程序、TCP/IP連接子程序、數(shù)據(jù)收發(fā)子程序、數(shù)據(jù)處理及顯示子程序，其軟件邏輯流程圖如圖5所示.

登陸PC機客戶端后，進行采集數(shù)據(jù)的存儲路徑設(shè)置，然后建立上下位機的TCP/IP連接.在ARQ窗口中進行數(shù)據(jù)拾取，當接收隊列g(shù)et大于1時，判斷有數(shù)據(jù)被上傳，將位于接收緩存區(qū)的數(shù)據(jù)進行解析，經(jīng)過拆分、逆轉(zhuǎn)義還原成原始數(shù)據(jù)，并進行CRC-16校驗，并在發(fā)送緩存區(qū)進行回復命令的組幀，若校驗通過，向下位機回復確認收到該幀數(shù)據(jù)，請求發(fā)送下一幀數(shù)據(jù)，若校驗失敗，則回復校驗失敗，請求重新發(fā)送該幀數(shù)據(jù)，校驗成功的數(shù)據(jù)進入數(shù)據(jù)處理子程序中進行處理，先確定通道編碼，使傳感器采集到的數(shù)據(jù)對應到相應的關(guān)鍵部件，然后將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成電壓信號，反帶入式(3)求出Rt，并根據(jù)標準鉑電阻的“阻值-溫度”分度表進行查表求解.由于鉑電阻阻值與溫度為非線性關(guān)系，為提高求解精度，將每1℃溫升默認為線性關(guān)系，插值法定位當前Rt的位置后，用最小二乘法擬合出每1℃區(qū)間內(nèi)的阻值-溫度曲線，求得溫度值后，系統(tǒng)會根據(jù)當前溫度采取相應部件的溫升報警措施.

3.2 移動客戶端設(shè)計

為彌補固定式UI的不足及提高事故響應速度，在Android平臺下開發(fā)了移動客戶端APP以起到協(xié)助作用.與PC機客戶端不同，在移動終端無需再對每一幀數(shù)據(jù)進行回復即可與PC機端同步接收數(shù)據(jù)，其邏輯流程示意圖如圖6所示.

在APP程序中，根據(jù)式(3)求出Rt值后，采用牛頓迭代法，求解溫度，經(jīng)過兩次迭代，精度可達0.01以上，報警程序中，采用振動提醒和文本框彈出模式相結(jié)合形式.

4 實驗結(jié)果及分析

由于對不同部件的溫度采集原理相同，在實驗室環(huán)境下只需進行PC機和手機APP同步單點溫度測試實驗，PC機首先連接至路由器的無線網(wǎng)，然后通過discover軟件查找RM-04Wi-Fi模塊的IP地址，從PC機瀏覽器進入Wi-Fi模塊的網(wǎng)頁配置界面，對其進行配置，設(shè)置Wi-Fi模塊為串口-無線模式，在單片機的控制下加入由路由器搭建的局域網(wǎng)，由TCP/IP協(xié)議棧作為網(wǎng)絡(luò)層與傳輸層.串口傳輸?shù)牟ㄌ芈蕿? 600，每幀數(shù)據(jù)的最大長度是64位，組幀時間不超過10 ms.系統(tǒng)的硬件連接電路圖如圖7所示.

圖7 硬件連接圖

在完成無線模塊的設(shè)置后，將采集電路的采集端連接至單片機的ADC轉(zhuǎn)換引腳，打開無線軸溫監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測界面及手機APP軟件，即可進行溫度采集，監(jiān)測界面如圖8、9所示.

圖8 PC機客戶端運行的用戶界面 圖9 APP運行界面

由圖8、9可見，在實驗室內(nèi)PC機客戶端UI顯示環(huán)境溫度約為20.24℃，移動端顯示值為20.15℃，兩者之間誤差小于0.1℃.三個報警燈均處于綠色正常工作狀態(tài)，沒有進行報警，其余三個測點沒有介入傳感器，故顯示-255錯誤.

5 結(jié)論

本文采用Pt100鉑電阻不平衡電橋設(shè)計了基于STM32單片機的溫度采集電路，通過RM-04Wi-Fi模塊基于TCP/IP協(xié)議棧建立起上下位機之間的通信，設(shè)計了PC機UI及手機APP數(shù)據(jù)處理顯示平臺，并進行了實驗，得到如下結(jié)論：

(1)系統(tǒng)響應速度快，單次數(shù)據(jù)采集及發(fā)送周期小于83 μs，在采樣周期為50 ms時仍可穩(wěn)定傳輸，適用于高速數(shù)據(jù)采集;

(2)系統(tǒng)通信基于TCP/IP協(xié)議棧，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠，不丟幀;

(3)測量精度高，PC機與APP之間測量誤差小于0.1℃，系統(tǒng)測量精度可達到±0.25℃.

[1]董錫明.現(xiàn)代高速列車技術(shù)[M].北京：中國鐵道出版社， 2006：57-64．

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Design of Temperature Wireless Montoring System for the Key Parts of EMU Bogie

FEI Jiyou, JIA Yong, LI Hua, ZHANG Ke,LIU Xiaodong

(School of EMU Application and Maintenance Engineering, Dalian Jiaotong University, Dalian 116028, China)

Aiming at monitoring the temperature of the key parts of EMU bogie and run safety, a wireless temperature monitoring system was designed by using Wi-Fi network within the EMU. The lower machine acquisition system consists of STM32 microcontroller, Pt100 unbalanced bridge sampling circuit and the RM-04 Wi-Fi module. The upper computer system is formed by PC client based on LabVIEW and mobile client based on Android system. Through experiment test, the system has quick response and stable wireless transmission. The frame is not lost and can achieve the accuracy of measurement to 0.25℃. The monitoring data can be stored and recalled, which meets the requirement with great significance to ensure the EMU train operation safety and traffic data accumulation.

Wi-Fi network; temperature monitoring; acquisition system; accuracy of measurement

1673- 9590(2017)04- 0164- 05

2016-07-13

國家自然科學基金資助項目(51376028)；國家科技支撐計劃資助項目(2015BAF20B20)

費繼友(1964-)男，教授，博士，從事動力裝置自動控制與檢測等方面的研究E- mail:fjy@djtu.edu.cn.

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