馬森月
摘 要:文章以Android系統(tǒng)為服務(wù)器、ARM11開(kāi)發(fā)板為客戶(hù)端開(kāi)發(fā)一種便捷式的軸溫監(jiān)測(cè)報(bào)警裝置,通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,達(dá)到在實(shí)際應(yīng)用中維護(hù)人員可以在列車(chē)的任意位置對(duì)每一車(chē)軸的溫度值進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè),并將結(jié)果實(shí)時(shí)上傳到手機(jī)端,對(duì)機(jī)車(chē)軸溫起到一定的監(jiān)控和報(bào)警作用。
關(guān)鍵詞:便攜式軸溫檢測(cè);機(jī)車(chē);無(wú)線(xiàn)通信;Android;ARM;報(bào)警
中圖分類(lèi)號(hào):U270.7;TP39 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1001-5922(2021)07-0185-03
Development and Application of Locomotive Portable Axle Temperature Alarm Device Based on Wireless Sensor Network
Ma Senyue
(Environment & Equipment Design Department of China Railway First Survey & Design Institute Group Co.,Ltd., Xi an 710043, China)
Abstract:The paper uses the Android system as the server and an ARM11 development board for the client to develop a convenient shaft temperature monitoring and alarm device, through wireless communication for data transmission, maintenance personnel can perform real-time detection of the temperature value of each axle at any position of the train, and the result is uploaded to the mobile phone in real time, which plays a certain role in monitoring and alarming the temperature of the axle.
Key words:portable axle temperature detection; locomotive; wireless communication; Android; ARM; alarm
0 引言
近年來(lái),鐵路運(yùn)量以及提速范圍均呈現(xiàn)出逐漸增加的發(fā)展態(tài)勢(shì),在這一背景之下,人們對(duì)鐵路運(yùn)輸所提的要求越來(lái)越嚴(yán)格,要求其進(jìn)一步提升安全以及技術(shù)等各個(gè)層面的保障。軸溫檢測(cè)是機(jī)車(chē)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的重要組成部分,傳統(tǒng)的高速列車(chē)軸溫報(bào)警裝置由于無(wú)法及時(shí)動(dòng)態(tài)地獲取車(chē)輛在運(yùn)輸過(guò)程中由車(chē)軸與軸承摩擦產(chǎn)生的溫度信息,導(dǎo)致在溫度過(guò)高時(shí)不能及時(shí)發(fā)現(xiàn),進(jìn)而引發(fā)燃軸、切軸等一系列問(wèn)題,甚至造成列車(chē)運(yùn)行事故,影響鐵路的運(yùn)輸安全。因此,迫切地需要開(kāi)發(fā)出一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的軸溫探測(cè)設(shè)備,能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)軸溫持續(xù)性的動(dòng)態(tài)檢修,同時(shí)攜帶方便、操作簡(jiǎn)單,能夠減少一定的人力成本輸出。
本文對(duì)國(guó)內(nèi)外學(xué)者相關(guān)研究進(jìn)行借鑒,同時(shí),以一些具有先進(jìn)性的檢測(cè)模式及其相關(guān)理念為指導(dǎo),進(jìn)一步結(jié)合實(shí)際使用需求,進(jìn)行創(chuàng)新與探索,尋求從單片機(jī)向ARM的嵌入式過(guò)渡,傳感器到數(shù)字型溫度傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫度采集研究方向出發(fā),提出一種便攜式的軸溫報(bào)警裝置設(shè)計(jì),該設(shè)計(jì)以Android手機(jī)端為服務(wù)器,以ARM11開(kāi)發(fā)板為信號(hào)終端,經(jīng)無(wú)線(xiàn)傳感器通信系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,在保證檢測(cè)系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性的前提下,把分析數(shù)據(jù)及時(shí)發(fā)送到手機(jī)端,完成對(duì)車(chē)軸溫度的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)檢測(cè)。
1 便攜式軸溫報(bào)警裝置設(shè)計(jì)
1.1 整體方案
基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的機(jī)車(chē)便攜式軸溫報(bào)警裝置的主要功能體現(xiàn)為:使溫度測(cè)量采集開(kāi)發(fā)板與智能手持終端兩者之間實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定連接、對(duì)車(chē)軸溫度數(shù)據(jù)的采集、可靠的無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。這就要求無(wú)線(xiàn)信號(hào)覆蓋面積達(dá)包含整個(gè)列車(chē),才能保證手持終端可實(shí)時(shí)獲取車(chē)軸溫度。
目前,嵌入式系統(tǒng)非常豐富,其應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越多。本文中以 ARM11處理芯片為基礎(chǔ)展開(kāi)高速軸溫檢測(cè)報(bào)警裝置的研究,主要是由于該處理芯片具有比較快的處理速度,可以保持一個(gè)較低的功耗,同時(shí),支持無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)等較為突出的優(yōu)勢(shì)。具體系統(tǒng)方案如圖 1所示。
1.2 ARM設(shè)計(jì)
以開(kāi)發(fā)板OK6410-A進(jìn)行車(chē)軸溫采集和數(shù)據(jù)發(fā)送模塊的設(shè)計(jì),其關(guān)鍵芯片采用 S3C6410,并使用數(shù)字溫度傳感器 DS18B20實(shí)現(xiàn)溫度采集。為優(yōu)化多點(diǎn)檢測(cè),采用模擬開(kāi)關(guān) +GPIO 驅(qū)動(dòng)控制的方式,利用+GPIO的控制可通用性,并提供標(biāo)準(zhǔn)的操作函數(shù),可跨平臺(tái)使用。
在數(shù)據(jù)發(fā)送核心設(shè)計(jì)中,采用 SDIO Wi-Fi和 TP-LINK-WR700N 便攜式路由器模式創(chuàng)建無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng),使用其自帶的靜態(tài)IP地址,便于通信時(shí)對(duì)設(shè)備地址的獲取和控制。為保證信號(hào)強(qiáng)度,可以對(duì)Wi-Fi技術(shù)加以應(yīng)用,以該技術(shù)中的無(wú)線(xiàn)分散系統(tǒng)為支持,通過(guò)對(duì)特定方式的采用,將無(wú)線(xiàn)路由器的發(fā)射功率增加,或者是對(duì)中繼器進(jìn)行合理的增減處理,以此優(yōu)化無(wú)線(xiàn)分散系統(tǒng)中各相關(guān)指標(biāo)所具有的性能,達(dá)到信號(hào)全面而又有效覆蓋的最終目的。
1.3 手持終端軟件設(shè)計(jì)
采集端完成對(duì)軸溫?cái)?shù)據(jù)的采集和發(fā)送,需要發(fā)送到手持終端,經(jīng)手持端軟件處理顯示具體的軸溫?cái)?shù)據(jù)。構(gòu)成手持終端軟件系統(tǒng)的子模塊比較多,主要有以下6個(gè)方面:①具體開(kāi)發(fā)環(huán)境的搭建:該模塊的功能在于為手持終端軟件提供一個(gè)積極、良好的開(kāi)發(fā)環(huán)境。②登錄模塊:從入口層面為軟件安全提供相應(yīng)的保障,在用戶(hù)完成登錄之后,對(duì)他們的相關(guān)信息進(jìn)行維護(hù)。③應(yīng)用界面:將接收到的溫度信息進(jìn)行具體數(shù)據(jù)展示、曲線(xiàn)展示和警告展示。④數(shù)據(jù)庫(kù):與實(shí)際表現(xiàn)出來(lái)的應(yīng)用需求相結(jié)合執(zhí)行對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)任務(wù),同時(shí),對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)適配器BaseAdapter加以運(yùn)用,建立起同數(shù)據(jù)庫(kù)之間的連接,以此達(dá)到對(duì)數(shù)據(jù)來(lái)源等的顯示、匹配以及解耦等相關(guān)目的。⑤數(shù)據(jù)加載控件:基于緩沖機(jī)制的支持,在ListView控件的運(yùn)行下將數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)加載并顯示出來(lái),以此將查詢(xún)時(shí)間有效縮短,同時(shí),在一定程度上將系統(tǒng)內(nèi)存消耗降低。⑥通信設(shè)計(jì):以UDP協(xié)議為基礎(chǔ)完成各個(gè)模塊之間的數(shù)據(jù)或相關(guān)信息傳輸。
2 便攜式軸溫報(bào)警裝置軟件實(shí)現(xiàn)
機(jī)車(chē)便攜式軸溫檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)主要功能集中于手持端,其軟件的實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖2所示。
(1) Fragment/界面實(shí)現(xiàn)。從登陸界面上來(lái)看,其布局主要通過(guò)Fragment這一核心應(yīng)用來(lái)完成,登錄框架的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)由UI設(shè)計(jì)來(lái)完成。從總體上來(lái)看,將Fragment作為核心應(yīng)用,可以確保一個(gè)界面能夠被多次使用,這無(wú)異于一個(gè)輕量級(jí)的Activity,無(wú)論是在開(kāi)發(fā)上,還是在具體的配置上,都表現(xiàn)出一定的簡(jiǎn)約優(yōu)勢(shì),對(duì)于屏幕空間利用率的提升具有積極意義,另外,界面的優(yōu)化同樣能夠通過(guò)對(duì)Activity中的Fragment加以替換來(lái)完成,在具體的維護(hù)上具有方便性。
根據(jù)實(shí)際需求,可靜態(tài)或動(dòng)態(tài)地使用Fragment,使用步驟為:創(chuàng)建fragment的xml自定義Fragment繼承自Fragment,在其中綁定fragment的視圖,寫(xiě)fragment自己的事件在Activity的xml中通過(guò)id引用該fragment。
(2) Socket通信實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)通信過(guò)程主要為:傳感器采集到車(chē)軸上的溫度交由開(kāi)發(fā)板,通過(guò)開(kāi)發(fā)板內(nèi)無(wú)線(xiàn)通信模塊將數(shù)據(jù)通過(guò)Wi-Fi發(fā)送給Android智能手機(jī)端,完成數(shù)據(jù)通信??紤]到手機(jī)做客戶(hù)端時(shí)IP地址需要頻繁更換的問(wèn)題,采用手機(jī)為服務(wù)端,結(jié)合 IP+端口號(hào)便可與多個(gè)開(kāi)發(fā)板采集端(客戶(hù)端)進(jìn)行連接,并接受多個(gè)數(shù)據(jù)。
通常情況下,Socket通信會(huì)以子線(xiàn)程的形式在安卓平臺(tái)上呈現(xiàn)出來(lái),由于受到安卓機(jī)制的影響,子線(xiàn)程并沒(méi)有對(duì)UI線(xiàn)程進(jìn)行更新的權(quán)限。一方面,子線(xiàn)程并不能對(duì)UI線(xiàn)程所涉及到的空間句柄加以引用;另一方面,UI線(xiàn)程中原本具備的阻塞功能會(huì)在一定程度上造成程序拋出ANR錯(cuò)誤。為了對(duì)Socket通信耗費(fèi)時(shí)間比較長(zhǎng)這一實(shí)際問(wèn)題加以解決,需要將其放置在一個(gè)子線(xiàn)程內(nèi),以此達(dá)到減少CPU占用的目的。借助于LitePal封裝開(kāi)發(fā)環(huán)節(jié)所具有的數(shù)據(jù)庫(kù)功能,同時(shí),對(duì)main_activity方法加以運(yùn)用,執(zhí)行對(duì)通信子線(xiàn)程的創(chuàng)建任務(wù),在數(shù)據(jù)庫(kù)中執(zhí)行對(duì)各項(xiàng)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)操作。在具體的信息通信環(huán)節(jié),各UDP數(shù)據(jù)均能組裝成一份IP數(shù)據(jù)包,通過(guò)對(duì)Socket的直接調(diào)用,同Socket Server進(jìn)行對(duì)話(huà)即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)。
(3)溫度數(shù)據(jù)顯示實(shí)現(xiàn)。當(dāng)Socket通信完成了對(duì)數(shù)據(jù)的接收與存儲(chǔ),并實(shí)時(shí)顯示具體的溫度數(shù)據(jù)之時(shí),可以對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中最新一條數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)用,通過(guò)這一方式完成溫度的顯示。具體地,可以進(jìn)行一個(gè)能夠在Fragmen中實(shí)現(xiàn)循環(huán)讀取溫度數(shù)據(jù)代碼的編寫(xiě),并將該代碼封裝于子線(xiàn)程中,之后持續(xù)地刷新并獲取最新的數(shù)據(jù),便可以實(shí)時(shí)的顯示在UI界面中,這以Handler消息處理機(jī)制對(duì)消息的發(fā)送及處理為支持。
(4) 消息報(bào)警與曲線(xiàn)展示實(shí)現(xiàn)。針對(duì)溫度過(guò)度時(shí)的報(bào)警消息提示和數(shù)據(jù)軌跡展示功能,采用Dialogfragment和MPAndroidChart實(shí)現(xiàn)?;贒ialogfragment實(shí)現(xiàn)報(bào)警提示、用戶(hù)操作確認(rèn)提示、連接成功和登錄成功提示等等;MPAndroidChart實(shí)現(xiàn)的軸溫監(jiān)測(cè)曲線(xiàn)圖包括:軸溫?cái)?shù)據(jù)、圖形坐標(biāo)、標(biāo)題等。為了避免由于數(shù)據(jù)過(guò)多而導(dǎo)致信息查看不及時(shí)和不方便,系統(tǒng)中添加了Android 的 ScrollView組件,可以實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)展示相關(guān)信息的功能。
3 機(jī)車(chē)便攜式軸溫報(bào)警裝置可行性測(cè)試
根據(jù)系統(tǒng)需求分析進(jìn)行白盒測(cè)試,測(cè)試項(xiàng)及測(cè)試結(jié)果如表1所示。
機(jī)車(chē)便攜式軸溫報(bào)警裝置的應(yīng)用效果如圖3所示,途中手持終端中顯示了 6個(gè)車(chē)軸實(shí)時(shí)的軸溫?cái)?shù)據(jù),車(chē)軸溫度過(guò)高時(shí)會(huì)給出報(bào)警狀態(tài)提示,并可進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置,綁定車(chē)軸。
4 結(jié)語(yǔ)
文章將機(jī)車(chē)車(chē)軸溫度監(jiān)測(cè)警報(bào)功能獨(dú)立出來(lái)進(jìn)行研究,提出了一種基于便攜式手持端,實(shí)現(xiàn)接收和實(shí)時(shí)顯示軸溫?cái)?shù)據(jù)功能,達(dá)到有效軸溫報(bào)警效果。設(shè)計(jì)中,以 DS18B20 數(shù)字溫度傳感器和SDIO Wi-Fi 模塊為技術(shù)核心,完成溫度數(shù)據(jù)采集與無(wú)線(xiàn)傳輸,并通過(guò)TCPSocket 通信機(jī)制完成數(shù)據(jù)閉環(huán)流程。經(jīng)對(duì)系統(tǒng)測(cè)試,基本可滿(mǎn)足實(shí)時(shí)車(chē)軸溫度警報(bào)功能。
參考文獻(xiàn)
[1]邱曉歡,陳群,盧圳鑫.基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的貨運(yùn)列車(chē)軸溫檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代信息科技,2018,2(10):190-191+194.
[2]李杰.機(jī)車(chē)軸溫檢測(cè)系統(tǒng)研究[D].青島:青島理工大學(xué),2018.
[3]徐超凡,姜璐,劉飛,等.鐵路列車(chē)便攜式軸溫報(bào)警裝置的研制[J].鐵路計(jì)算機(jī)應(yīng)用,2016,25(03):50-53.
[4]何川.鐵路車(chē)輛紅外軸溫探測(cè)信息采集設(shè)備改移方案優(yōu)化[J].機(jī)電息,2020(02):69+71.
[5].便攜式機(jī)車(chē)輪箍防弛緩報(bào)警裝置檢測(cè)儀[J].上海鐵道科技,2017(02):2.
[6]郭曉冬,李亞南,汪忠平,等.便攜式電力機(jī)車(chē)自動(dòng)過(guò)分相輔助檢測(cè)裝置的應(yīng)用研究[J].鐵道機(jī)車(chē)與動(dòng)車(chē),2015(03):46-48+6.
[7]吳瑋.機(jī)車(chē)空調(diào)便攜式測(cè)試儀[J].科技資訊,2019,17(13):67-68.
[8]谷正濤.動(dòng)車(chē)組軸溫報(bào)警系統(tǒng)功能測(cè)試方法改進(jìn)研究[J].鐵道運(yùn)營(yíng)技術(shù),2019,25(04):9-11.
[9]王乾.動(dòng)車(chē)組軸溫報(bào)警系統(tǒng)現(xiàn)狀分析[A].中國(guó)鐵道學(xué)會(huì)車(chē)輛委員會(huì).動(dòng)車(chē)、客車(chē)學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集(動(dòng)車(chē)分冊(cè)) [C].中國(guó)鐵道學(xué)會(huì)車(chē)輛委員會(huì):中國(guó)鐵道學(xué)會(huì)車(chē)輛委員會(huì),2012:4.
[10]劉泉龍,趙志剛,李琪.鐵路客車(chē)軸溫報(bào)警器誤報(bào)故障分析[J].鐵道車(chē)輛,2020,58(01):40-41+5.