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。

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