袁 航，高軍偉，張 震，張 彬

（青島大學(xué) 自動化與電氣工程學(xué)院，青島 266071）

0 引言

車軸是帶動車輪運動的軸承，普通的列車車軸一般是實心的，動車組為了追求輕量化車身，車軸是中空結(jié)構(gòu)。一個車廂有兩個轉(zhuǎn)向架，一個轉(zhuǎn)向架有兩組車輪，四個軸端[1]。在列車運行過程中，由于機械運動摩擦產(chǎn)生熱量，車軸的溫度會有些許升高，這屬于正?，F(xiàn)象。當(dāng)遇到惡劣的天氣，或者列車的運動狀態(tài)不正常時，列車軸溫會急劇升高，如果不能及時發(fā)現(xiàn)、檢修，很有可能發(fā)生燃軸事故[2]。我國高鐵技術(shù)一直位列世界先進水平，隨著列車速度的不斷提高，列車軸溫監(jiān)測的準(zhǔn)確性變得尤為重要。目前國內(nèi)外應(yīng)用最多的軸溫監(jiān)測方式是紅外線軸溫探測系統(tǒng)，該方式是在鋼軌上每隔一定的距離安置一個紅外線探頭獲取軸溫信息，具有一定的滯后性，出現(xiàn)故障后不利于列車的安全運行。有許多廠商對紅外線探測方式進行了一些改進，還有一些新興的軸溫探測技術(shù)正向著車載智能的方向發(fā)展，以提高軸溫探測的準(zhǔn)確性，確保監(jiān)測的實時性。當(dāng)車輛自身的某個終端軸溫監(jiān)測系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，為了列車繼續(xù)安全運行，需要安裝應(yīng)急式的軸溫監(jiān)測裝置。近些年隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展、ZigBee技術(shù)的日趨成熟和智能傳感器的廣泛使用給軸溫傳感器帶來了新的思路[3,4]。本設(shè)計提出的基于ZigBee開發(fā)平臺的軸溫監(jiān)測系統(tǒng)易于安裝，節(jié)省時間，功耗低，實現(xiàn)了故障終端溫度數(shù)據(jù)的實時無線傳輸、監(jiān)測，給列車安全運行提供了有力的保障。

1 便攜式無線軸溫監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計

當(dāng)列車的軸溫監(jiān)測系統(tǒng)出現(xiàn)報警或故障，機械師下車檢查車軸溫度情況和列車軸溫監(jiān)測系統(tǒng)終端故障情況。如果車軸出現(xiàn)激熱，列車需要就近到站點更換車底。如果車軸溫度完全正常，說明是自身監(jiān)測系統(tǒng)終端故障[5]。當(dāng)出現(xiàn)以上兩種情況時，需要安裝應(yīng)急式的便攜式無線軸溫監(jiān)測系統(tǒng)以保證列車安全運行。便攜式無線軸溫監(jiān)測系統(tǒng)主要由多個車軸溫度采集終端、協(xié)調(diào)器和上位機PC終端組成?？傮w結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖一所示，傳感器在收到上位機通過協(xié)調(diào)器以廣播的形式發(fā)送到采集終端的指令后進行初始化，經(jīng)過短暫的延遲后開始收集列車的軸溫數(shù)據(jù)，在自身完成溫度轉(zhuǎn)換后將溫度數(shù)據(jù)打包發(fā)送到ZigBee采集終端節(jié)點，采集終端將溫度數(shù)據(jù)以點播的方式發(fā)送到協(xié)調(diào)器節(jié)點，協(xié)調(diào)器節(jié)點匯總各個車軸溫度采集終端傳送的溫度數(shù)據(jù)，然后通過串口通信的方式發(fā)送到上位機顯示，監(jiān)測人員可以在列車車廂內(nèi)PC端隨時觀察列車的軸溫變化情況。

圖1 便攜式無線軸溫監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 便攜式無線軸溫監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 ZigBee技術(shù)

ZigBee是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的局域網(wǎng)協(xié)議的短距離、低成本、自組網(wǎng)無線通信技術(shù)，工作頻段為2.4GHz，屬于無執(zhí)照范圍。ZigBee協(xié)議分為兩個部分：IEEE802.15.4定義了物理層（PHY）和媒體訪問控制（MAC）層；ZigBee聯(lián)盟定義了網(wǎng)絡(luò)層（NWK）、傳輸層（TL）和應(yīng)用層（APL）[6]。表1為ZigBee技術(shù)與其他常見無線通訊技術(shù)的對比。通過表一可以看出ZigBee傳輸速度較慢，但是組網(wǎng)簡單、靈活，功耗低，適用于傳感器網(wǎng)絡(luò)。

ZigBee的網(wǎng)絡(luò)拓撲形式有樹形拓撲、網(wǎng)狀拓撲和星型拓撲，拓撲結(jié)構(gòu)形式如圖二。網(wǎng)狀拓撲和樹形拓撲與星型拓撲相比，組網(wǎng)方式比較復(fù)雜，存在路由節(jié)點，信息傳遞都必須要經(jīng)過路由節(jié)點。兩者區(qū)別在于網(wǎng)狀拓撲的路由子節(jié)點之間可以進行信息傳遞，樹形拓撲的路由子節(jié)點只能與父節(jié)點和子節(jié)點傳遞信息。星型拓撲結(jié)構(gòu)簡單，包括一個協(xié)調(diào)器和一系列終端節(jié)點，每個終端節(jié)點只和協(xié)調(diào)器節(jié)點通訊。根據(jù)軸溫監(jiān)測應(yīng)用的實際情況，本設(shè)計選擇星型拓撲網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

2.2 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計

ZigBee網(wǎng)絡(luò)中有三種節(jié)點：協(xié)調(diào)器（Coordinator）、路由器（Router）和終端設(shè)備（EndDevice）[7]。本設(shè)計包含協(xié)調(diào)器節(jié)點和終端設(shè)備節(jié)點，車軸溫度采集終端屬于終端設(shè)備節(jié)點。在安裝便攜式無線軸溫監(jiān)測系統(tǒng)時，車軸溫度采集終端安裝在出現(xiàn)軸溫監(jiān)測故障的車廂車軸終端，協(xié)調(diào)器按照星型拓撲結(jié)構(gòu)的原則，安裝在離各個車軸溫度采集終端最近的車廂機械室。

協(xié)調(diào)器和車軸溫度采集終端選用美國TI公司新一代ZigBee處理器CC2530。CC2530芯片內(nèi)置增強型8051內(nèi)核，在本設(shè)計中可實現(xiàn)片上處理溫度數(shù)據(jù)，工作環(huán)境溫度為-40℃～125℃，符合軸溫監(jiān)測環(huán)境的需要[8]。

圖2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓撲方式

2.3 協(xié)調(diào)器硬件設(shè)計

協(xié)調(diào)器節(jié)點與PC端通信方式為串口通信，考慮到USB接口的易操作性和普遍性，本設(shè)計在主芯片外圍增設(shè)了PL2303HX芯片實現(xiàn)了Uart接口和USB接口的轉(zhuǎn)換。PL2303HX接口轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。USB接口的電壓為+5V直流電，符合協(xié)調(diào)器的供電標(biāo)準(zhǔn)，PC端可以直接給協(xié)調(diào)器供電。增設(shè)TTL接口，用來連接TFT彩屏模塊。協(xié)調(diào)器上電后，TFT屏幕顯示組網(wǎng)信息。

表1 無線通訊技術(shù)比較

2.4 車軸溫度采集終端硬件設(shè)計

車軸溫度采集終端如圖4所示，包括DS18B20數(shù)字溫度傳感器、ZigBee芯片CC2530和電池電源供給模塊[9]。本設(shè)計采用的軸溫傳感器是直接接觸式數(shù)字傳感器DS18B20，該傳感器具有體積小、抗干擾能力強、精度高，成本低等優(yōu)點[10]。測溫范圍是-55℃～125℃，符合軸溫監(jiān)測要求。DS18B20采用單總線設(shè)計，有三個引腳分別是VCC、DQ和GND，DQ為通訊傳輸引腳，溫度數(shù)據(jù)通過該線傳輸?shù)紺C2530的片上處理器。DS18B20引腳輸出為數(shù)字量，方便CC2530的MCU單元處理。在本設(shè)計中車軸溫度采集終端采用電池供電，兩節(jié)電池可以支撐一個采集節(jié)點常規(guī)使用半年左右，在本設(shè)計的情況下可以實現(xiàn)反復(fù)多次使用。

圖3 PL2303HX接口轉(zhuǎn)換電路

圖4 車軸溫度采集終端結(jié)構(gòu)圖

圖5 功放電路圖

2.5 功放電路設(shè)計

考慮實際情況，如果車頭和車尾的車軸出現(xiàn)軸溫監(jiān)測故障，將協(xié)調(diào)器安裝在中間車廂，協(xié)調(diào)器和采集終端最遠距離可達到100m以上，而普通的CC2530芯片的穩(wěn)定通信距離最多到達50m。為了滿足需要，在ZigBee芯片外圍增加了以RFX2401C為芯片的PA功放電路，增大發(fā)射功率，阻抗匹配50Ω，進而提高無線傳輸?shù)木嚯x和穩(wěn)定性。功放電路如圖5所示，功放電路由巴倫電路和RFX2401C組成。巴倫電路的原理是使平衡信號和不平衡信號互相轉(zhuǎn)換[11]。CC2530發(fā)出的射頻信號是雙向差分形式，因此需要巴倫電路將雙端口轉(zhuǎn)化成單端口，然后接入功率放大器RF2401C。功率放大器RF2401C的ANT端口為天線輸入接口，接入單極天線后，由天線發(fā)射放大處理后的射頻信號。

3 便攜式無線軸溫監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計

便攜式無線軸溫監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計包括下位機CC2530的程序開發(fā)和PC端上位機監(jiān)控軟件設(shè)計兩部分。下位機CC2530程序開發(fā)主要實現(xiàn)協(xié)調(diào)器和采集終端的組網(wǎng)，以及對溫度的采集和無線傳輸。上位機監(jiān)控軟件主要實現(xiàn)對多個列車軸端溫度的實時監(jiān)測。

3.1 下位機軟件設(shè)計

本設(shè)計下位機的程序開發(fā)環(huán)境為嵌入式開發(fā)工具IAR Embedded Workbench。IAR支持多種微處理器，兼容匯編語言和C語言，方便調(diào)試ZigBee。下位機的程序開發(fā)主要是在IAR中使用TI公司自帶的ZigBee協(xié)議?！猌stack。Zstack中有豐富的函數(shù)庫，可直接用于調(diào)用，再根據(jù)官方給出的程序例程，結(jié)合軸溫監(jiān)測的需要，移植DS18B20溫度傳感器的程序。協(xié)調(diào)器、車軸溫度采集終端和DS18B20溫度傳感器的程序在IAR的環(huán)境下編譯成功后，連接ZigBee仿真器SmartRF04EB燒寫入程序，最后進行實地調(diào)試。

DS18B20溫度傳感器有著嚴格的時序要求，包括初始化時序、寫時序和讀時序。在給DS18B20編寫程序時，要按照時序的要求執(zhí)行操作。采集終端中CC2530的CPU控制DS18B20的執(zhí)行操作，先發(fā)送復(fù)位脈沖，使DS18B20初始化，再寫入跳過ROM指令、發(fā)送溫度轉(zhuǎn)換指令，然后再執(zhí)行復(fù)位，匹配ROM，最后寫ROM，讀RAM溫度數(shù)據(jù)。利用協(xié)議棧里的定時器，規(guī)定車軸溫度采集終端每隔1秒向協(xié)調(diào)器發(fā)送一次數(shù)據(jù)。具體車軸溫度采集終端的軟件流程圖如圖6所示。

協(xié)調(diào)器負責(zé)組建ZigBee網(wǎng)絡(luò)，是網(wǎng)絡(luò)的核心設(shè)備。將協(xié)調(diào)器連接到計算機以后，協(xié)調(diào)器自動進行信道搜索完成網(wǎng)絡(luò)初始化，然后設(shè)定采集終端的地址和網(wǎng)絡(luò)參數(shù)[12]。組網(wǎng)成功后自動接收來自各個采集終端的溫度數(shù)據(jù)，通過串口通信發(fā)送到PC端的上位機顯示。協(xié)調(diào)器的軟件流程圖如圖7所示。

圖6 車軸溫度采集終端流程圖

3.2 上位機軟件設(shè)計

上位機監(jiān)控軟件采用C++語言編寫，開發(fā)環(huán)境為微軟公司的Visual Studio平臺，支持同時監(jiān)測四個溫度采集終端。監(jiān)測界面有串口號的選擇，打開串口后，系統(tǒng)即開始運行。下位機波特率通過IAR軟件設(shè)定為115200，監(jiān)控界面默認波特率為115200。系統(tǒng)運行時，監(jiān)測界面有每個采集終端的實時溫度數(shù)據(jù)顯示和溫度趨勢圖像顯示。在溫度趨勢圖中，x軸為時間，y軸為溫度。車輛管理人員可以向左移動x軸查閱圖像上暫存的歷史溫度數(shù)據(jù)。

4 實驗測試及結(jié)果分析

便攜式無線軸溫監(jiān)測系統(tǒng)硬件環(huán)境為一臺筆記本計算機、ZigBee協(xié)調(diào)器、車軸溫度采集終端和電池電源，將協(xié)調(diào)器連接到筆記本計算機，并用電池電源給車軸溫度采集終端供電。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點采用星型拓撲網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，根據(jù)列車車廂以及周圍環(huán)境的實地情況，在控制工程實驗室模擬出系統(tǒng)設(shè)備在現(xiàn)場使用的環(huán)境。

協(xié)調(diào)器和車軸溫度采集終端上電以后，車軸溫度采集終端會自動搜索網(wǎng)絡(luò)并綁定離自己最近的協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器節(jié)點的TFT屏在上電后會顯示組網(wǎng)信息，通過查看TFT屏幕的組網(wǎng)信息可以判斷組網(wǎng)是否成功。如圖八是上電后的協(xié)調(diào)器節(jié)點實物圖，圖9是車軸溫度采集終端實物圖。

圖7 協(xié)調(diào)器流程圖

圖8 協(xié)調(diào)器實物圖

組網(wǎng)成功后，車軸溫度采集終端自動打包溫度數(shù)據(jù)并以點播的方式通過RF射頻端發(fā)送到協(xié)調(diào)器節(jié)點。打開軟件啟動上位機程序，首先設(shè)置與協(xié)調(diào)器串口通信時的串口號，設(shè)置成功后開始讀取協(xié)調(diào)器發(fā)送的溫度數(shù)據(jù)，點擊自動刷新，四個車軸溫度采集終端溫度會實時顯示，并且自動繪制溫度趨勢圖，溫度數(shù)據(jù)每隔1秒刷新一次。上位機程序監(jiān)測溫度數(shù)據(jù)結(jié)果如圖10所示。經(jīng)實驗測試，上位機程序運行穩(wěn)定，傳感器采集溫度正常，當(dāng)測試距離100m時，溫度數(shù)據(jù)傳輸正常，丟包率低于1%，符合應(yīng)急軸溫監(jiān)測的需要。

圖9 車軸溫度采集終端實物圖

圖10 軸溫監(jiān)測系統(tǒng)上位機運行結(jié)果

5 結(jié)束語

本設(shè)計針對鐵路運輸?shù)奶攸c和需求，提出一種應(yīng)急式的可以快速安裝的便攜式無線軸溫監(jiān)測系統(tǒng)方案：使用數(shù)字溫度傳感器DS18B20檢測軸溫，并借助無線通信ZigBee技術(shù)傳輸溫度數(shù)據(jù)，最后通過串口通信發(fā)送至上位機顯示。該系統(tǒng)體積小，易于安裝，操作簡單。監(jiān)測界面簡潔易懂，方便車輛管理人員使用。模擬實驗的結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以準(zhǔn)確、實時監(jiān)測軸溫的變化，當(dāng)列車某幾節(jié)車廂的軸溫監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)生故障時，安裝便攜式無線軸溫監(jiān)測系統(tǒng)可以保證故障車廂軸溫處于正常監(jiān)控狀態(tài)，繼而保障了列車的正點、安全運行。

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