王楠　岳曉奎　梁應(yīng)選　王鵬

摘要：針對(duì)貨運(yùn)列車的結(jié)構(gòu)與運(yùn)行特點(diǎn)，應(yīng)用線性無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（linear wireless sensor networks，L-WSNs），提出貨運(yùn)列車軸承在線監(jiān)測(cè)方法，并開(kāi)發(fā)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。研究并解決網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議、振動(dòng)數(shù)據(jù)壓縮編碼傳輸以及Zigbee節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)3個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，在高速電主軸轉(zhuǎn)子及液壓系統(tǒng)上進(jìn)行振動(dòng)與溫度信號(hào)組網(wǎng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，并分析試驗(yàn)結(jié)果及節(jié)點(diǎn)能耗，最后預(yù)估節(jié)點(diǎn)壽命。試驗(yàn)與分析結(jié)果表明：監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可同時(shí)實(shí)現(xiàn)4路振動(dòng)及溫度信號(hào)的同步采集與組網(wǎng)傳輸，實(shí)時(shí)性好、誤碼率低;同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能耗與壽命也滿足系統(tǒng)要求。

關(guān)鍵詞：貨運(yùn)列車軸承;線性無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò);在線監(jiān)測(cè);Zigbee技術(shù)

中圖分類號(hào)：TH39 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-5124（2019）01-0107-08

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速增長(zhǎng)，鐵路運(yùn)輸需求也隨之加大，列車提速與重載已成為必然發(fā)展趨勢(shì)，同時(shí)也對(duì)行車安全提出了更高要求。隨著列車速度不斷提升、載荷不斷加大，熱軸、切軸甚至燃軸事故的發(fā)生加劇，輪對(duì)故障明顯增多，其中滾動(dòng)軸承故障更為突出。因此，如何實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)列車運(yùn)行狀態(tài)、準(zhǔn)確預(yù)報(bào)車輛軸承故障已成為當(dāng)前面臨的緊迫任務(wù)。目前廣泛采用的列車軸承監(jiān)測(cè)方法分為車載接觸式與軌邊感應(yīng)式。

車載接觸式方法廣泛用于客運(yùn)列車，在軸或軸承上直接安裝傳感器來(lái)測(cè)試軸溫[1-2]與滾動(dòng)軸承振動(dòng)[3-4]，監(jiān)測(cè)儀表隨車布置在列車各車廂內(nèi)，通過(guò)乘務(wù)員定時(shí)檢查來(lái)對(duì)列車軸承進(jìn)行監(jiān)測(cè)，但不便于數(shù)據(jù)集中處理。另外，該方法采用有線傳輸方式（模擬信號(hào)在線纜中傳輸），不僅布線復(fù)雜，需人工干預(yù)，且必須有穩(wěn)定的電源供應(yīng)。如果傳輸距離較大，還存在信號(hào)衰減問(wèn)題，影響測(cè)試精度。由于貨運(yùn)列車車廂內(nèi)無(wú)人值守，編組與摘掛頻繁，車廂相互獨(dú)立、無(wú)法通信，且難以為監(jiān)測(cè)裝置提供穩(wěn)定電源;因此，車載接觸式方法對(duì)于貨運(yùn)列車并不適用。貨運(yùn)列車軸承監(jiān)測(cè)主要采用軌邊感應(yīng)式方法，即在軌道兩邊預(yù)置傳感器，當(dāng)列車通過(guò)時(shí)，通過(guò)感應(yīng)、接收紅外線[5-6]和聲波[7-8]獲取軸承監(jiān)測(cè)信息。但實(shí)踐證明軌邊感應(yīng)式方法在應(yīng)用中還存在許多技術(shù)問(wèn)題，如溫度對(duì)大部分軸承故障并不敏感，采用紅外溫度監(jiān)測(cè)，往往等到軸溫報(bào)警時(shí)，軸承可能已產(chǎn)生嚴(yán)重故障;聲學(xué)信號(hào)與振動(dòng)信號(hào)相比，信噪比低，須通過(guò)后期信號(hào)分析處理才能提取有用信息，難以達(dá)到高實(shí)時(shí)性的在線監(jiān)測(cè)要求。因此，軌邊感應(yīng)式方法難以解決貨運(yùn)列車軸承故障兌現(xiàn)率低、漏檢與誤診率高的難題;此外，該方法還要求每隔25～30km在軌道兩旁設(shè)置探測(cè)站，長(zhǎng)途運(yùn)輸監(jiān)測(cè)成本很高。綜上所述，深人研究貨運(yùn)列車軸承監(jiān)測(cè)方法無(wú)論在學(xué)術(shù)還是應(yīng)用方面均具有重要意義。然而，因?yàn)樨涍\(yùn)列車結(jié)構(gòu)與運(yùn)行特點(diǎn)的特殊性，貨運(yùn)列車軸承在線監(jiān)測(cè)是極具挑戰(zhàn)性的課題。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（wireless sensor networks，WSNs）具有無(wú)需現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)、自組織、低成本與無(wú)需復(fù)雜布線優(yōu)勢(shì)，與貨運(yùn)列車結(jié)構(gòu)與運(yùn)行特點(diǎn)極為適應(yīng)，可實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守、解決現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)難題，解決列車摘掛與編組頻繁難題，并且簡(jiǎn)化了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，是對(duì)貨運(yùn)列車軸承進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)的最佳選擇。目前，已有將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于列車狀態(tài)監(jiān)測(cè)的文獻(xiàn)報(bào)道，但大都針對(duì)列車軸/軸承溫度[1-2，5-6]，也有針對(duì)列車安全監(jiān)測(cè)[4，9]的研究;或給出列車無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)初步的節(jié)能策略[6]，但并未對(duì)貨運(yùn)列車軸承無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在線監(jiān)測(cè)中存在的理論及應(yīng)用方面的難題（網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渑c路由、振動(dòng)信號(hào)處理與傳輸、節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)等）進(jìn)行系統(tǒng)、深人及全面研究。因此，本文提出基于L-WSNs（Linear WSNs，線性無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)）的貨運(yùn)列車軸承在線監(jiān)測(cè)方法，構(gòu)建了測(cè)試系統(tǒng)并進(jìn)行試驗(yàn)與分析。

1 方法描述

由于貨運(yùn)列車運(yùn)行軌跡近似線性，因此采用線性網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，圖1為貨運(yùn)列車軸承線性無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在線監(jiān)測(cè)方法示意圖。在列車車廂底部軸承附近布置若干無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，各節(jié)點(diǎn)采集、處理與傳輸列車軸承振動(dòng)及溫度數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通過(guò)其內(nèi)部事先設(shè)置好的路由協(xié)議協(xié)同工作，將采集并處理后的數(shù)據(jù)傳送至車頭監(jiān)控室內(nèi)的基站，最終所有車廂軸承振動(dòng)及溫度數(shù)據(jù)將在上位機(jī)軟件上實(shí)時(shí)顯示，用于實(shí)時(shí)監(jiān)控列車軸承及列車運(yùn)行狀態(tài)。

應(yīng)用該方法需要著重考慮下述問(wèn)題：

1）網(wǎng)絡(luò)資源有效利用。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)資源很有限，目前網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)大都采用電池供電，且節(jié)點(diǎn)處理能力不足?，F(xiàn)在已有針對(duì)環(huán)境能量收集技術(shù)的研究，用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量供應(yīng)，并有相應(yīng)產(chǎn)品面世[10-12]，但提供的能量都很有限，特別是對(duì)于采集與傳輸變化快、數(shù)據(jù)量龐大的振動(dòng)信號(hào)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)而言，遠(yuǎn)不能滿足要求。因此需研究降低節(jié)點(diǎn)傳輸過(guò)程中數(shù)據(jù)量的數(shù)據(jù)處理算法。

2）網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議。在高效利用網(wǎng)絡(luò)資源、最大化網(wǎng)絡(luò)效率的前提下，研究數(shù)據(jù)及網(wǎng)絡(luò)信息的有效傳輸，即路徑規(guī)劃與選擇。

3）網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。針對(duì)貨運(yùn)列車軸承監(jiān)測(cè)要求，振動(dòng)與溫度是最重要的參數(shù)，因此節(jié)點(diǎn)應(yīng)首要完成采集、處理與組網(wǎng)傳輸振動(dòng)、溫度數(shù)據(jù)的基本任務(wù)，然后再考慮低功耗與應(yīng)用中的其他問(wèn)題。

2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與節(jié)點(diǎn)布置方案

貨運(yùn)列車運(yùn)行特點(diǎn)如下：1）列車車廂與運(yùn)行狀態(tài)近似線性分布，節(jié)點(diǎn)在列車上的布置有其確定位置。貨運(yùn)列車車廂內(nèi)無(wú)人值守、摘掛編組頻繁、車廂相互獨(dú)立、無(wú)法通信且不具有穩(wěn)定電源供應(yīng)。2）節(jié)點(diǎn)規(guī)模大。我國(guó)大型貨運(yùn)列車有60節(jié)左右，每節(jié)11m，總長(zhǎng)大約700m。每節(jié)車廂有8個(gè)軸承，如布置8個(gè)節(jié)點(diǎn)，共需480個(gè)節(jié)點(diǎn);如布置2個(gè)節(jié)點(diǎn)，共需120個(gè)節(jié)點(diǎn)。3）列車運(yùn)行環(huán)境大多在野外，無(wú)線傳輸信號(hào)質(zhì)量較好。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)要具有一定實(shí)時(shí)性，允許時(shí)間延遲，對(duì)通信速率要求不高。

星型、簇樹(shù)型和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)適用于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)少、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、小范圍網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用;無(wú)規(guī)則的方形或圓形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，傳感器節(jié)點(diǎn)眾多，適用于大范圍網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，但對(duì)于長(zhǎng)達(dá)幾百米的貨運(yùn)列車線性網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)而言，跳數(shù)太多，且列車上負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)的傳感器節(jié)點(diǎn)位置固定，數(shù)據(jù)傳遞方向很明確，路徑單一，無(wú)需算法尋找最短路徑。因此，貨運(yùn)列車監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與路由協(xié)議都應(yīng)是線性的。

貨運(yùn)列車由車廂和機(jī)車組成，通常每節(jié)車廂有4個(gè)輪對(duì)，8個(gè)軸承?？紤]到列車軸承監(jiān)測(cè)的具體要求，節(jié)點(diǎn)的布置方案如下：方案一：每節(jié)車廂軸與軸承的溫度和振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)用1個(gè)節(jié)點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)，節(jié)點(diǎn)安裝在車廂底部，傳感器與節(jié)點(diǎn)用可屏蔽線纜連接。方案二：每個(gè)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)一個(gè)軸承的溫度和振動(dòng)，每節(jié)車廂底部需布置8個(gè)節(jié)點(diǎn)。方案三：每節(jié)車廂有2個(gè)轉(zhuǎn)向架，每個(gè)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)1個(gè)轉(zhuǎn)向架（2個(gè)輪對(duì)）的4個(gè)軸承，共需布置2個(gè)節(jié)點(diǎn)。方案一實(shí)現(xiàn)存在兩個(gè)問(wèn)題：1）8個(gè)軸承同時(shí)采樣，采樣頻率太高、數(shù)據(jù)量太大，給節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)帶來(lái)困難;2）走線困難，列車底部空間緊湊、部件繁多，過(guò)多的走線將使列車車廂底部混亂不堪。方案二由于列車長(zhǎng)度在節(jié)點(diǎn)通信距離內(nèi)，一個(gè)車廂內(nèi)布置8個(gè)節(jié)點(diǎn)，沒(méi)有充分發(fā)揮單個(gè)節(jié)點(diǎn)作用，且節(jié)點(diǎn)數(shù)量大大增加，系統(tǒng)成本較高。因此采用方案三，其優(yōu)點(diǎn)是布線容易、節(jié)點(diǎn)負(fù)擔(dān)小、系統(tǒng)成本低。

3 貨運(yùn)列車軸承在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

Zigbee具有功耗與成本低、可靠性高、自動(dòng)組網(wǎng)與網(wǎng)絡(luò)自修復(fù)能力強(qiáng)、網(wǎng)絡(luò)容量大等特性，相對(duì)于現(xiàn)有各種無(wú)線通信技術(shù)（WIFI、藍(lán)牙、RFID、NFC等），Zigbee技術(shù)是功耗和成本最低的，且其網(wǎng)絡(luò)容量大，使得構(gòu)建大規(guī)模監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)成為可能。因此，Zigbee技術(shù)是貨運(yùn)列車軸承線性網(wǎng)絡(luò)在線監(jiān)測(cè)方法的最佳實(shí)現(xiàn)方式，構(gòu)建的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖2所示。

系統(tǒng)組成主要包括采集處理及通信硬件模塊（節(jié)點(diǎn)處理器與通信芯片電路）、采集處理及通信軟件程序（節(jié)點(diǎn)采集處理程序、通信程序與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等）、基于Labview的上位機(jī)軟件等。每個(gè)Zigbee節(jié)點(diǎn)都內(nèi)置了網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議以及信號(hào)采集處理程序，通過(guò)節(jié)點(diǎn)之間的相互協(xié)作將列車車廂底部軸承的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳送至車頭監(jiān)控室內(nèi)的上位機(jī)，即可對(duì)軸承的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示以及對(duì)軸承監(jiān)測(cè)參數(shù)進(jìn)行分析與處理。

4 關(guān)鍵問(wèn)題與解決方案

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)能耗通用模型191，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能耗與節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)量和傳輸距離密切相關(guān)，節(jié)點(diǎn)能耗隨著傳輸數(shù)據(jù)量和傳輸距離的增大而增大。另外，線性網(wǎng)絡(luò)極易因?yàn)楣?jié)點(diǎn)能耗不均而造成某個(gè)或若干個(gè)節(jié)點(diǎn)能量耗盡，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)失效。因此，網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議和數(shù)據(jù)處理算法非常重要，路由協(xié)議應(yīng)在保證數(shù)據(jù)可靠傳輸?shù)那闆r下，盡量使得網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能耗均衡，避免由于某個(gè)或多個(gè)節(jié)點(diǎn)能耗過(guò)大而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)故障;數(shù)據(jù)處理算法則應(yīng)在保證信號(hào)攜帶的主要特征信息不丟失的前提下，盡可能減少傳輸數(shù)據(jù)量，且易于在硬件中實(shí)現(xiàn)。

4.1 路由協(xié)議

單跳路由適合小范圍監(jiān)測(cè)，若在大范圍使用，將導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)在未完成監(jiān)測(cè)任務(wù)前，由于能量耗盡而無(wú)法繼續(xù)監(jiān)測(cè)，即會(huì)產(chǎn)生監(jiān)測(cè)盲區(qū)。而多跳路由節(jié)點(diǎn)能耗雖和單跳一樣，呈單調(diào)變化，但變化趨勢(shì)平緩得多;多跳路由用于監(jiān)測(cè)大面積區(qū)域，但離基站近的節(jié)點(diǎn)能量消耗大，容易引起網(wǎng)絡(luò)中心數(shù)據(jù)黑洞，吞噬數(shù)據(jù)，使數(shù)據(jù)無(wú)法傳輸?shù)焦?jié)點(diǎn)。

圖3是等距離分組多跳路由（grouped multi-hoprouting based on equal distance，GMRED），與單跳和多跳路由不同，該路由沒(méi)有簇頭，將線性網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分為若干組，組與組相應(yīng)節(jié)點(diǎn)之間的傳輸距離相等，因此可保證每組節(jié)點(diǎn)能耗相等，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)能耗均衡。距離基站最近的一組節(jié)點(diǎn)采用單跳傳輸，即“小范圍監(jiān)測(cè)”，其他組節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)傳輸采取組合多跳，為“大面積區(qū)域監(jiān)測(cè)”。GMRED是單跳與多跳路由的有效整合，充分考慮了線性運(yùn)動(dòng)設(shè)備的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行特點(diǎn)。

基于網(wǎng)絡(luò)能耗通用模型，建立GMRED網(wǎng)絡(luò)平均能耗模型，并與單跳、多跳與分簇多跳路由的網(wǎng)絡(luò)平均能耗進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖4所示。分組數(shù)為20時(shí)（最佳分組），等距離分組多跳路由平均能耗最小，其他分組情況下，能耗大一些。單跳路由網(wǎng)絡(luò)平均能耗最大，多跳和分簇多跳路由網(wǎng)絡(luò)能耗則稍低，分簇路由網(wǎng)絡(luò)能耗低于多跳路由。由此可見(jiàn)，GMRED優(yōu)勢(shì)明顯，采用最佳分組數(shù)時(shí)，其最小網(wǎng)絡(luò)平均能耗分別是單跳、多跳和分簇多跳路由的25.6%、71.7%、88.7%。

圖5為不同路由情況下，網(wǎng)絡(luò)的生命周期比較。顯而易見(jiàn)，等距離分組多跳路由的網(wǎng)絡(luò)生命周期最長(zhǎng)，單跳路由的網(wǎng)絡(luò)生命周期最短。雖然多跳路由比分簇多跳路由網(wǎng)絡(luò)平均能耗大，但簇頭的耗能太大，節(jié)點(diǎn)能耗極不均衡，故分簇多跳路由的網(wǎng)絡(luò)生命周期小于多跳路由。經(jīng)過(guò)計(jì)算，等距離分組多跳路由的生命周期分別是單跳、多跳和分簇多跳路由的8，1.9，2.8倍。通過(guò)比較，證明了等距離分組多跳路由相對(duì)于常見(jiàn)路由優(yōu)勢(shì)明顯。

4.2 振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)壓縮編碼算法

與振動(dòng)信號(hào)快速變化、數(shù)據(jù)量大、實(shí)時(shí)性高不同，溫度信號(hào)是慢變信號(hào)，可在一定時(shí)間間隔內(nèi)采集傳輸，因此只對(duì)振動(dòng)信號(hào)提出了無(wú)線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)壓縮編碼算法，如圖6所示。該算法基于第二代整數(shù)小波變換，融合了圖像處理中的嵌人式零數(shù)小波和霍夫曼編碼算法，具有原位計(jì)算、壓縮效率高，易于硬件實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)。壓縮編碼算法流程如圖7所示，首先用5/3小波對(duì)振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，在小波系數(shù)的低頻分量子帶上使用較低閾值，而在高頻分量子帶上使用較高閾值濾除非特征信息。零樹(shù)編碼在小波分解過(guò)程中，把按照每層閾值篩選出的重要數(shù)存入重要數(shù)表。通過(guò)上述流程，產(chǎn)生了主表和輔表。主表記錄小波分解后的重要數(shù)，而輔表主要記錄重要數(shù)所處在原先數(shù)據(jù)列的位置。主輔表數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)進(jìn)一步量化后，采用霍夫曼編碼處理，生成碼表與數(shù)據(jù)表;解壓縮和解碼程序中，解碼是依照碼表，對(duì)數(shù)據(jù)表進(jìn)行解碼，而解壓縮是將解碼后的數(shù)據(jù)依照輔表排列，按照提升小波重構(gòu)方法進(jìn)行。

將該算法編程植人網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中，在液壓系統(tǒng)齒輪泵上采集與傳輸振動(dòng)信號(hào)對(duì)算法進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。試驗(yàn)條件為：采樣頻率f=2kHz，采樣點(diǎn)數(shù)N=512，齒輪泵由三相電機(jī)帶動(dòng)，電機(jī)轉(zhuǎn)速n=1 450r/min，齒輪泵齒數(shù)z=7，則齒輪泵轉(zhuǎn)頻f_c=24.2Hz，嚙合頻率f_m=145.2Hz。實(shí)驗(yàn)時(shí)，將加速度傳感器輸出信號(hào)分為兩路，一路連接至工控機(jī)采集卡，進(jìn)行有線采樣;另一路連接至無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)，然后通過(guò)無(wú)線傳輸送至基站，最后由上位機(jī)獲取，解碼、解壓縮和重構(gòu)。傳感器節(jié)點(diǎn)DSP程序設(shè)置：小波分解層數(shù)levels=4，初始閾值為T⁰=2[log₂（max|c_i|]。經(jīng)過(guò)對(duì)原始振動(dòng)信號(hào)和重構(gòu)振動(dòng)信號(hào)的Matlab仿真計(jì)算，參考?jí)嚎s性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)[13]可得，振動(dòng)信號(hào)最大壓縮比CR=9.5，均方根百分誤差PRD=74.88%。

圖8是最大壓縮比9.5下的原始和重構(gòu)后振動(dòng)信號(hào)的時(shí)頻圖。由圖可見(jiàn)，時(shí)域信號(hào)有較大損失，但從頻域來(lái)看，原始信號(hào)高頻部分被濾除，齒輪泵轉(zhuǎn)頻2倍頻、嚙合頻率這些重要的特征信息依然保留。由于信號(hào)處理過(guò)程中存在誤差，故重構(gòu)后信號(hào)時(shí)頻圖幅值有所變化。由此可以看出，該壓縮編碼算法在如此高的壓縮比下，依然可以不丟失信號(hào)頻域主要特征，性能良好。

4.3 Zigbee節(jié)點(diǎn)

4.3.1 硬件設(shè)計(jì)

目前無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用主要針對(duì)溫、濕度或其他慢變信號(hào)，節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)相對(duì)容易，技術(shù)也比較成熟。常見(jiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)具有通用性，但并不適用于軸承振動(dòng)信號(hào)采集傳輸，原因在于振動(dòng)信號(hào)變化快、數(shù)據(jù)量大，如果針對(duì)高頻振動(dòng)信號(hào)的采集分析，例如共振頻率為5kHz的貨運(yùn)列車軸承振動(dòng)信號(hào)，采樣頻率至少須大于等于10kHz，采樣頻率較高;此外，節(jié)點(diǎn)還需對(duì)大量振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行處理，對(duì)節(jié)點(diǎn)芯片的處理能力要求較高，且針對(duì)不同振動(dòng)傳感器和節(jié)點(diǎn)芯片還需分別設(shè)計(jì)專用前置處理電路與外圍電路，因此通用節(jié)點(diǎn)不能滿足要求。

設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)應(yīng)可同時(shí)采集貨運(yùn)列車軸承振動(dòng)與溫度信號(hào)，并實(shí)現(xiàn)信息同步傳輸與組網(wǎng)。圖9為Zigbee節(jié)點(diǎn)組成框圖，由傳感模塊、處理器模塊、通信模塊和供電模塊組成。圖中，前置處理電路分為恒流源電路和低通濾波電路，恒流源用于給振動(dòng)加速度傳感器供電，低通濾波電路用于濾除采樣信號(hào)的高頻噪聲。由于振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)量大，對(duì)處理器的采樣頻率和運(yùn)算速度要求高，因此選用TI低功耗TMS320 F2812 DSP芯片。DSP模塊中還集成了信號(hào)處理算法對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行分析與處理（壓縮編碼算法與共振解調(diào)）。通信模塊芯片選用TI CC2430，專門針對(duì)IEEE802.15.4和Zigbee'應(yīng)用。CC2430主要完成溫度信號(hào)的采集和串口通信，且其內(nèi)部嵌入了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)組建、路由和拓?fù)淇刂频?。?jié)點(diǎn)供電模塊采用五號(hào)可充電電池。

4.3.2 軟件程序設(shè)計(jì)

Zigbee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)采用分層結(jié)構(gòu)，在應(yīng)用層內(nèi)提供了應(yīng)用支持子層（APL）和Zigbee設(shè)備對(duì)象（ZDO），應(yīng)用程序框架中加入了用戶自定義的應(yīng)用對(duì)象。TI提供了Z-stack協(xié)議棧，可根據(jù)需要編寫上層應(yīng)用程序。應(yīng)用程序分為組建網(wǎng)絡(luò)、溫度數(shù)據(jù)采集發(fā)送、振動(dòng)數(shù)據(jù)采集發(fā)送3部分。振動(dòng)數(shù)據(jù)采集用DSP實(shí)現(xiàn)，然后通過(guò)RS485/422串口通信將振動(dòng)數(shù)據(jù)送至CC2430并發(fā)送。振動(dòng)數(shù)據(jù)處理有兩種方式：1）通過(guò)HaIUARTRead（）直接把數(shù)據(jù)讀取并存儲(chǔ);2）通過(guò)MT層的處理函數(shù)定義MT層處理任務(wù)，最后將數(shù)據(jù)送人應(yīng)用層。由于終端設(shè)備不存在與上位機(jī)信息交互的任務(wù)并且直接讀取的方式實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單，因此選擇直接讀取串口緩存器方式。串口工作時(shí)，遇到串口有數(shù)據(jù)，會(huì)首先進(jìn)入中斷函數(shù)，并且將串口數(shù)據(jù)放入串口緩存器中;當(dāng)中斷結(jié)束，系統(tǒng)接回調(diào)用rxCBF回調(diào)函數(shù)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。回調(diào)函數(shù)是為了實(shí)現(xiàn)串口數(shù)據(jù)發(fā)送，因此程序中需要讀取串口緩存并將數(shù)據(jù)放入應(yīng)用層供后續(xù)使用，流程圖如圖10所示。DSP內(nèi)部程序開(kāi)發(fā)是在CCS開(kāi)發(fā)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)的，需實(shí)現(xiàn)振動(dòng)數(shù)據(jù)采樣及處理，數(shù)據(jù)處理算法如特征值提取、壓縮編碼算法等功能。

5 系統(tǒng)試驗(yàn)與分析

5.1 試驗(yàn)工況

在動(dòng)靜壓高速電主軸轉(zhuǎn)子系統(tǒng)上對(duì)Zigbee無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的性能進(jìn)行研究，系統(tǒng)參數(shù)按照列車監(jiān)測(cè)環(huán)境設(shè)置：振動(dòng)信號(hào)采樣頻率10kHz（列車軸承共振頻率5kHz），采樣點(diǎn)數(shù)4096，四路信號(hào)同時(shí)采樣;由于溫度信號(hào)是慢變信號(hào)，因此每個(gè)測(cè)點(diǎn)采樣間隔為1s;監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在測(cè)試前已做過(guò)標(biāo)定。試驗(yàn)前，對(duì)Zigbee監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了串口調(diào)試，以測(cè)試其工作是否正常。如果有節(jié)點(diǎn)失效或者有新節(jié)點(diǎn)加入，網(wǎng)絡(luò)會(huì)自動(dòng)判別并作出相應(yīng)處理。

圖11是試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖，試驗(yàn)平臺(tái)為動(dòng)靜壓高速電主軸轉(zhuǎn)子系統(tǒng)與液壓系統(tǒng)，試驗(yàn)?zāi)康臑橥ㄟ^(guò)對(duì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)及液壓油泵的振動(dòng)信號(hào)和環(huán)境溫度信號(hào)的采集、傳輸與組網(wǎng)驗(yàn)證Zigbee無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)性能。試驗(yàn)中，振動(dòng)測(cè)點(diǎn)分別布置在電主軸兩端及其液壓系統(tǒng)齒輪泵的外殼上，如圖11（a）所示。共采用5個(gè)Zigbee節(jié)點(diǎn)，4個(gè)作為終端設(shè)備采集與傳輸振動(dòng)和溫度信號(hào)，1個(gè)作為協(xié)調(diào)器進(jìn)行信號(hào)接收，應(yīng)用Zigbee技術(shù)組建網(wǎng)絡(luò)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)終端為工控機(jī)，上位機(jī)軟件采用LabVIEW8.6編寫，上位機(jī)及監(jiān)測(cè)軟件如圖11（b）所示。

5.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

圖12是振動(dòng)與溫度信號(hào)的Zigbee監(jiān)測(cè)系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果，圖12（a）中，設(shè)備一、設(shè)備二與設(shè)備四監(jiān)測(cè)的是動(dòng)靜壓高速電主軸的振動(dòng)信號(hào)，設(shè)備三監(jiān)測(cè)的是液壓系統(tǒng)齒輪泵信號(hào)，振動(dòng)幅度較大。振動(dòng)和溫度軟件均可實(shí)時(shí)顯示串口接收到的十六進(jìn)制數(shù)據(jù)（串口緩沖區(qū)）和以曲線顯示振動(dòng)和溫度數(shù)值，如圖12（b）所示，溫度軟件上還設(shè)置了模擬溫度計(jì)便于觀察溫度的實(shí)時(shí)變化，溫度曲線下方的窗口用作對(duì)以前采樣數(shù)據(jù)的回放。

通過(guò)上述振動(dòng)和溫度數(shù)據(jù)采集、發(fā)送與組網(wǎng)試驗(yàn)，數(shù)據(jù)采集、無(wú)線收發(fā)、上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，特別是Zigbee網(wǎng)絡(luò)的組建均已實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)性能良好，數(shù)據(jù)傳輸速率保持在38400bit/s;由于試驗(yàn)中的節(jié)點(diǎn)沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，數(shù)據(jù)通過(guò)Zigbee網(wǎng)絡(luò)靜態(tài)傳輸，因此誤碼率和丟包率很低;試驗(yàn)中沒(méi)有電磁或其他因素干擾，無(wú)線通信質(zhì)量較好。

節(jié)點(diǎn)能耗方面，分為振動(dòng)與溫度信號(hào)采集組網(wǎng)傳輸兩種情況，分別對(duì)試驗(yàn)中的5個(gè)Zigbee節(jié)點(diǎn)主要組成部分的能耗進(jìn)行測(cè)試，求取平均值并預(yù)估節(jié)點(diǎn)壽命。節(jié)點(diǎn)采用五號(hào)可充電電池供電，容量為1.2V/2500mAh。根據(jù)圖9的節(jié)點(diǎn)組成，節(jié)點(diǎn)能耗主要分為：DSP模塊能耗、CC2430射頻模塊能耗、前置處理電路中的恒流源能耗。采集傳輸溫度信號(hào)時(shí)，DSP模塊與恒流源模塊關(guān)閉，因此不考慮其能耗。節(jié)點(diǎn)能耗測(cè)試及壽命預(yù)估結(jié)果見(jiàn)表1。

為了測(cè)試節(jié)點(diǎn)的極限性能，表1中的能耗測(cè)試及壽命預(yù)估是在節(jié)點(diǎn)不間斷采集傳輸?shù)那闆r下得到的，即采集與轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)量不斷增加的情況。節(jié)點(diǎn)測(cè)試針對(duì)振動(dòng)與溫度信號(hào)兩種情況，測(cè)試振動(dòng)信號(hào)時(shí)，節(jié)點(diǎn)所有模塊全部工作，接收數(shù)據(jù)時(shí)的壽命可達(dá)到12.9h，發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)可達(dá)到13h;測(cè)試溫度信號(hào)時(shí)，節(jié)點(diǎn)中的DSP與恒流源模塊不工作，因此，節(jié)點(diǎn)壽命大幅增加，接收數(shù)據(jù)時(shí)節(jié)點(diǎn)壽命可達(dá)105h，發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)節(jié)點(diǎn)壽命可達(dá)115.5h。實(shí)際應(yīng)用中，節(jié)點(diǎn)不會(huì)一直處于采集與傳輸?shù)墓ぷ鞣绞?，而是根?jù)需要不定時(shí)處于休眠狀態(tài)，具有一定的占空比，占空比越小，節(jié)點(diǎn)壽命越長(zhǎng)。因此，節(jié)點(diǎn)壽命要比表中給出的數(shù)據(jù)大得多。另外，表1中的節(jié)點(diǎn)壽命分別是針對(duì)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)與接收數(shù)據(jù)時(shí)給出的，在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，除了基站外，一般的節(jié)點(diǎn)既要作為終端節(jié)點(diǎn)采集發(fā)送數(shù)據(jù)，也要作為路由節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，因此其能耗高于表1中數(shù)據(jù)。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文將線性無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)用于貨運(yùn)列車軸承監(jiān)測(cè)中，開(kāi)發(fā)了在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并解決了監(jiān)測(cè)方法及系統(tǒng)應(yīng)用中3個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：路由協(xié)議、振動(dòng)數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸與節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。等距離分組多跳路由由于沒(méi)有簇頭且將網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分為若干組，組與組對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)傳輸距離相等，因此可保證網(wǎng)絡(luò)能耗均衡。與單跳、多跳以及分簇多跳等路由在網(wǎng)絡(luò)平均能耗和生命周期兩方面進(jìn)行對(duì)比分析后表明，采用該路由的網(wǎng)絡(luò)平均能耗最小，生命周期最大。振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)壓縮編碼算法融合了二代整數(shù)小波變換、零數(shù)小波與霍夫曼編碼算法，可原位計(jì)算且易于硬件實(shí)現(xiàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該算法在保證信號(hào)頻域主要特征信息不丟失的前提下，壓縮比最高可達(dá)9.5，有效地減少了振動(dòng)數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸中的數(shù)據(jù)量。Zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)根據(jù)貨運(yùn)列車軸承監(jiān)測(cè)實(shí)際需要設(shè)計(jì)，具有特殊性：可同步采集傳輸振動(dòng)與溫度數(shù)據(jù)，且可對(duì)高頻振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行處理。高速電主軸轉(zhuǎn)子系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果表明，線性無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)貨運(yùn)列車軸承在線監(jiān)測(cè)方法與系統(tǒng)是可行、有效的。

下一步研究工作是在貨運(yùn)列車上進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，對(duì)文中方法及系統(tǒng)進(jìn)一步改進(jìn)及優(yōu)化。本文研究方法與結(jié)論也可為類似線性結(jié)構(gòu)或運(yùn)行環(huán)境的機(jī)電設(shè)備監(jiān)測(cè)（如地鐵列車、野外油氣管道監(jiān)測(cè)、煤礦瓦斯監(jiān)測(cè)等）提供參考。

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