郭依帆，高軍偉

（青島大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院,青島 266071）

0 引言

隨著我國(guó)交通運(yùn)輸水平的不斷發(fā)展，交通運(yùn)輸?shù)陌踩允艿搅烁鼮閺V泛的關(guān)注。在鐵路運(yùn)輸中車(chē)輪作為列車(chē)與軌道直接接觸的關(guān)鍵部件，其狀態(tài)決定了列車(chē)運(yùn)行的安全性與穩(wěn)定性。車(chē)輪在行駛過(guò)程中容易受到振動(dòng)和沖擊，造成車(chē)輪出現(xiàn)損傷[1]。這些損傷會(huì)對(duì)列車(chē)的運(yùn)行造成影響。

我國(guó)在列車(chē)故障預(yù)防和故障檢修方面起步較晚，采用的方式多為傳統(tǒng)的定期檢查，這種方式檢查維修流程較為復(fù)雜，并且檢修的可靠性得不到保證[2]。新興技術(shù)的發(fā)展為列車(chē)監(jiān)測(cè)維修方式的進(jìn)步提供了有利的條件。射頻識(shí)別技術(shù)是一種新興的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)信息的快速讀取與交換[3]?；ヂ?lián)網(wǎng)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸共享[4]。這些為列車(chē)輪對(duì)的信息采集和故障問(wèn)題監(jiān)測(cè)提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

本文基于RFID技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，結(jié)合輪對(duì)的振動(dòng)監(jiān)測(cè)，將振動(dòng)信息與電子標(biāo)簽結(jié)合在一起，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。用戶(hù)可通過(guò)上位機(jī)和手持客戶(hù)端對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，出現(xiàn)數(shù)據(jù)異常及時(shí)報(bào)警，優(yōu)化了輪對(duì)信息數(shù)據(jù)的交互，提升了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)通過(guò)使用RFID閱讀器來(lái)讀取輪對(duì)上的電子標(biāo)簽，振動(dòng)監(jiān)測(cè)采用加速度傳感器和車(chē)輪軸位傳感器。當(dāng)車(chē)輪軸位傳感器檢測(cè)到信號(hào)時(shí)開(kāi)始進(jìn)行電子標(biāo)簽的讀取和振動(dòng)信號(hào)的監(jiān)測(cè)。將采集到的信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換后通過(guò)串口發(fā)送至上位機(jī)，上位機(jī)對(duì)信息進(jìn)行分析處理后顯示數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，在數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時(shí)發(fā)出報(bào)警信息。上位機(jī)再將數(shù)據(jù)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送至服務(wù)器，用戶(hù)登錄后可以通過(guò)手持客戶(hù)端對(duì)服務(wù)器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行查看。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 振動(dòng)監(jiān)測(cè)硬件設(shè)計(jì)

1）車(chē)輪軸位傳感器

列車(chē)車(chē)輪在經(jīng)過(guò)軸位傳感器時(shí)，觸發(fā)系統(tǒng)開(kāi)始進(jìn)行車(chē)輪的識(shí)別和振動(dòng)監(jiān)測(cè)操作。采用YCCG-2有源列車(chē)軸位傳感器，使用電磁測(cè)量方式，YCCG-2信號(hào)采集準(zhǔn)確度高，具有抗震性和耐候性，能夠適應(yīng)各種運(yùn)行環(huán)境，運(yùn)行穩(wěn)定，抗干擾能力好。

2）振動(dòng)加速度傳感器

車(chē)輪經(jīng)過(guò)加速度傳感器時(shí)的高頻振動(dòng)信號(hào)可以轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)[5]。傳感器選擇SAZKT131壓電式加速度傳感器。SAZKT131體積小，穩(wěn)定性好，測(cè)量靈敏度高，不受外界強(qiáng)電磁環(huán)境的影響，可以保證信號(hào)的穩(wěn)定準(zhǔn)確測(cè)量。

3）數(shù)據(jù)采集卡

數(shù)據(jù)采集卡采用NI公司的USB-6008可以實(shí)現(xiàn)多路數(shù)據(jù)采樣，其采用USB總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)，噪聲低，精度高。它可以通過(guò)USB2.0接口與上位機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。USB-6008內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 USB-6008內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

2.2 輪對(duì)識(shí)別硬件設(shè)計(jì)

1）電子標(biāo)簽

電子標(biāo)簽是識(shí)別系統(tǒng)中數(shù)據(jù)信息的載體，根據(jù)標(biāo)簽供電方式的不同可以分為有源電子標(biāo)簽、無(wú)源電子標(biāo)簽和半有源電子標(biāo)簽[6]。由于列車(chē)車(chē)輪屬于金屬材質(zhì)，為了防止干擾，采用無(wú)源電子標(biāo)簽[7]。無(wú)源電子標(biāo)簽工作模式采用跳頻工作方式，可以對(duì)電子標(biāo)簽內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫(xiě)操作，且使用壽命長(zhǎng)，成本低，滿(mǎn)足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需要。

2）射頻模塊

輪對(duì)識(shí)別硬件部分中最為重要的就是射頻模塊，它決定了識(shí)別的準(zhǔn)確性和讀取的速度。在該模塊中以Indy R2000射頻芯片為核心，其采用雙CPU架構(gòu)設(shè)計(jì)，集成有高靈敏度的DRM，其采用載波消除技術(shù)，使讀取速度更快、范圍更廣，可以實(shí)現(xiàn)超高頻標(biāo)準(zhǔn)的傳送、接收、解調(diào)和基帶信號(hào)處理功能。

圖3 Indy R2000射頻芯片結(jié)構(gòu)圖

3）控制器

控制器主要是完成射頻模塊和上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)傳輸，將射頻模塊發(fā)送的信號(hào)進(jìn)行解碼讀取到標(biāo)簽的數(shù)據(jù)信息，同時(shí)將上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)解碼后傳輸?shù)缴漕l模塊，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)簽的讀寫(xiě)操作?？刂破骺梢酝ㄟ^(guò)兩種串口通訊標(biāo)準(zhǔn)RS232和RS485實(shí)現(xiàn)通信，也可以采用TCP/IP通信方式，本次設(shè)計(jì)采用RS232通信方式。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)識(shí)別系統(tǒng)的上位機(jī)采用Visual Studio 2017編寫(xiě)，編程語(yǔ)言采用C#語(yǔ)言。上位機(jī)中主要包括串口程序、電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)讀取程序、振動(dòng)信號(hào)接收程序、聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)發(fā)送程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序。上位機(jī)軟件流程圖如圖4所示。

圖4 上位機(jī)軟件流程圖

1）串口程序設(shè)計(jì)

串口程序主要調(diào)用軟件中的VS2017中的IO.Ports類(lèi)庫(kù)完成串口程序的設(shè)計(jì)，程序中串口波特率默認(rèn)為115200bps，另外提供38400bps的波特率可以選擇。收發(fā)的數(shù)據(jù)格式為1位起始位、8位數(shù)據(jù)位、1位停止位、無(wú)奇偶校驗(yàn)位。

2）電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)讀取程序設(shè)計(jì)

電子標(biāo)簽的讀取程序是將下位機(jī)發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，下位機(jī)發(fā)送的電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)內(nèi)部格式分為四個(gè)區(qū)域，分別是密碼區(qū)、EPC區(qū)、TID區(qū)和USER區(qū)[8]。由于EPC區(qū)中的數(shù)據(jù)為電子標(biāo)簽的唯一識(shí)別碼，因此系統(tǒng)對(duì)EPC區(qū)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析。EPC區(qū)可以存入12個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，即24個(gè)16進(jìn)制數(shù)，具體信息如表1所示。例如采集到的數(shù)據(jù)為“0D2645010A01”指的是D2645次列車(chē)，1號(hào)車(chē)廂的左側(cè)（0A代表左側(cè)，0B代表右側(cè)）第1個(gè)車(chē)輪。為了讓用戶(hù)更為簡(jiǎn)單的看出編碼的信息，在設(shè)計(jì)中對(duì)編碼進(jìn)行了分解，使用戶(hù)無(wú)需了解編碼的格式也可以直接看出對(duì)應(yīng)的信息。

表1 輪對(duì)編碼對(duì)應(yīng)位信息

3）振動(dòng)信號(hào)程序設(shè)計(jì)

振動(dòng)信號(hào)的接收使用了與VS2017匹配的Measurement Studio工具實(shí)現(xiàn)軟件設(shè)計(jì)。Measurement Studio提供了一個(gè)集成式套件，其包括了常用的測(cè)量和自動(dòng)化控件，并且包含有面向?qū)ο蟮臏y(cè)量分析接口，易于實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的操作[9]。在USB-6008與電腦連接后，Measurement And Automation工具會(huì)自動(dòng)識(shí)別硬件的型號(hào)，然后使用NI-DAQ配置采樣所需的相關(guān)參數(shù)，然后就可以使用NI-DAQ提供的函數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)信號(hào)的采集和處理，在系統(tǒng)中通過(guò)WaveformGraph控件對(duì)采集到的數(shù)據(jù)以波形的形式顯示。

4）聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)發(fā)送程序設(shè)計(jì)

在上位機(jī)平臺(tái)VS2017中調(diào)用Socket套接字實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接通信，Socket套接字是網(wǎng)絡(luò)通訊的基本操作單元，可以實(shí)現(xiàn)不同主機(jī)間的雙向通訊[10]。將IP地址與端口號(hào)進(jìn)行封裝，然后將封裝后的數(shù)據(jù)發(fā)送，實(shí)現(xiàn)與服務(wù)器之間的連接。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)按照數(shù)據(jù)格式進(jìn)行封裝后，通過(guò)已建立的網(wǎng)絡(luò)連接發(fā)送至服務(wù)器端。

5）數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)程序設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)信息的存儲(chǔ)采用SQL Server Management Studio工具實(shí)現(xiàn)，它將SQL Sever 2008與VS2017之間建立關(guān)聯(lián)[11]。使用SQL Server Management Studio在SQL Sever 2008中建立新的數(shù)據(jù)庫(kù)和數(shù)據(jù)表，然后通過(guò)添加Data.SqlClient類(lèi)庫(kù)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的存儲(chǔ)、讀取和清除等操作。本系統(tǒng)將電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)和輪對(duì)的狀態(tài)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，同時(shí)也可以在上位機(jī)中實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中歷史數(shù)據(jù)的清除操作。

3.2 手持客戶(hù)端及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸

1）手持客戶(hù)端

手持客戶(hù)端采用E4A平臺(tái)編寫(xiě)，編程方式采用類(lèi)似易語(yǔ)言的Basic語(yǔ)言編程。在客戶(hù)端中加入登錄界面、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)界面、車(chē)輪數(shù)據(jù)及傳感器狀態(tài)監(jiān)測(cè)界面。手持客戶(hù)端通過(guò)TCP控件與服務(wù)器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。手持客戶(hù)端在讀取服務(wù)器數(shù)據(jù)后按照格式進(jìn)行解析，將數(shù)據(jù)顯示在界面上。

2）網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸

上位機(jī)、服務(wù)器和手持客戶(hù)端之間采用TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，TCP/IP協(xié)議不依賴(lài)于特定的系統(tǒng)和軟件，其集成了多種形式的網(wǎng)絡(luò)，便于數(shù)據(jù)的傳輸[12]。在本系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)的格式根據(jù)類(lèi)型分為兩種。賬號(hào)和密碼的數(shù)據(jù)格式采用KEY:+賬號(hào)+“+”+密碼 。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的格式為DATA:+傳感器名稱(chēng)+“+”+傳感器數(shù)據(jù)。服務(wù)器與客戶(hù)端之間的通信過(guò)程如圖5所示。

圖5 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信流程圖

4 系統(tǒng)測(cè)試

本系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室中搭建了輪對(duì)仿真平臺(tái)，對(duì)輪對(duì)振動(dòng)監(jiān)測(cè)識(shí)別系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。在這里將列車(chē)車(chē)次暫定為D2645,監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上位機(jī)界面如圖6所示，串口設(shè)置為COM3，波特率為115200。振動(dòng)信號(hào)采樣頻率設(shè)置為1000Hz，并將報(bào)警閾值設(shè)置為±0.5V。在網(wǎng)絡(luò)登錄中輸入賬號(hào)和密碼，點(diǎn)擊登錄按鈕，連接至服務(wù)器，使數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)傳送至服務(wù)器。啟動(dòng)系統(tǒng)的開(kāi)始監(jiān)測(cè)識(shí)別按鈕，當(dāng)車(chē)輪軸位傳感器被觸發(fā)后，電子標(biāo)簽開(kāi)始被閱讀器識(shí)別并將信息顯示在上位機(jī)界面中。振動(dòng)信號(hào)在波形圖中進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，其中縱坐標(biāo)為電壓值（V），橫坐標(biāo)為采樣時(shí)間（s）。輪對(duì)數(shù)據(jù)自動(dòng)保存在SQL數(shù)據(jù)庫(kù)中，數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)信息如圖7所示。

圖6 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上位機(jī)界面

圖7 數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)信息界面

在手持客戶(hù)端登錄后可以遠(yuǎn)程查看當(dāng)前識(shí)別系統(tǒng)的工作環(huán)境溫度、標(biāo)簽識(shí)別速度以及振動(dòng)加速度傳感器的數(shù)據(jù)，在車(chē)輪數(shù)據(jù)及傳感器狀態(tài)監(jiān)測(cè)界面可以查看電子標(biāo)簽的各項(xiàng)信息以及各傳感器的工作狀態(tài)。手持客戶(hù)端界面如圖8所示。

圖8 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)手持客戶(hù)端界面

5 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合RFID技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)了輪對(duì)振動(dòng)監(jiān)測(cè)識(shí)別系統(tǒng)。該系統(tǒng)將振動(dòng)信號(hào)采集與輪對(duì)識(shí)別結(jié)合在一起，對(duì)輪對(duì)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)平臺(tái)采用多終端方式，用戶(hù)可以在多臺(tái)設(shè)備上對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，確定車(chē)輪的狀態(tài)，保證列車(chē)的正常運(yùn)行。系統(tǒng)對(duì)于解決列車(chē)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)具有重要意義，有著廣泛的應(yīng)用前景。