基于無(wú)線傳輸?shù)母咚倭熊囕S溫集中監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

0 引言

列車在高速運(yùn)行的過(guò)程中，機(jī)車與鋼軌的頻繁沖擊會(huì)造成車輛軸承的發(fā)熱，當(dāng)軸承磨損和產(chǎn)生缺陷時(shí)，會(huì)造成機(jī)損從而影響車輛的正常運(yùn)行，甚至出現(xiàn)熱切軸，直接導(dǎo)致火車發(fā)生故障翻車，給國(guó)家和社會(huì)在鐵路運(yùn)輸造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。目前我國(guó)大部分采用紅外軸溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，但這種設(shè)備易受外界環(huán)境影響、探測(cè)點(diǎn)受車身擺動(dòng)影響定位困難等原因，使得軸溫過(guò)高告警兌現(xiàn)率低、誤報(bào)率極高、而且外界因素對(duì)其工作狀態(tài)容易產(chǎn)生很大的干擾，失真嚴(yán)重，極有可能給發(fā)出錯(cuò)誤的溫度提示，影響鐵路運(yùn)輸?shù)恼９ぷ鱗1-2].針對(duì)這種情況，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)簡(jiǎn)潔、布局小巧、靈敏度高、收發(fā)信息能力快速的高速列車軸溫集中監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)運(yùn)行中的列車軸承是否溫度過(guò)高，如軸溫超過(guò)預(yù)設(shè)定值，就發(fā)出報(bào)警信號(hào)，機(jī)車司機(jī)可及時(shí)的停車檢查，有效地降低事故發(fā)生率，避免因事故而產(chǎn)生的巨大經(jīng)濟(jì)損失，維護(hù)鐵路運(yùn)輸?shù)恼＿\(yùn)行。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

高速列車有多節(jié)車廂組成，每節(jié)列車車廂有兩個(gè)車軸架，每個(gè)車軸架上有兩個(gè)車軸，每個(gè)車軸兩端又有兩個(gè)軸箱。設(shè)計(jì)中在每個(gè)軸箱上安裝一個(gè)軸溫傳感器，每個(gè)軸架上設(shè)一個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)。絕大多數(shù)列車軸溫報(bào)警裝置仍然沿用了傳統(tǒng)的單車分散報(bào)警的模式，又考慮到列車存在經(jīng)常調(diào)換機(jī)車車頭和車廂的問(wèn)題，所以在傳輸方式上系統(tǒng)選用了2.4G無(wú)線通信傳輸方式。

為了防止數(shù)據(jù)阻塞，采用了輪詢問(wèn)答方式進(jìn)行通信，大大提高了通信質(zhì)量和可靠度。系統(tǒng)主要由多個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)和一個(gè)部署在駕駛艙內(nèi)的監(jiān)測(cè)臺(tái)組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)溫度傳感器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，實(shí)時(shí)地將列車每個(gè)車軸的軸溫情況傳送到安裝在機(jī)車頭的監(jiān)測(cè)控制臺(tái)，進(jìn)行分析、顯示，供機(jī)車司機(jī)或者地面車輛檢修部門隨時(shí)監(jiān)測(cè)車輛運(yùn)行時(shí)軸溫的變化情況。在列車運(yùn)輸過(guò)程中，當(dāng)出現(xiàn)軸溫異常時(shí)，監(jiān)測(cè)臺(tái)能發(fā)出報(bào)警信號(hào)給司機(jī)，提醒及時(shí)停車采取一定的措施排除故障，降低了機(jī)車在運(yùn)行過(guò)程中因軸溫過(guò)高發(fā)生事故的幾率，從而確保列車運(yùn)行的安全。

2 硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的無(wú)線節(jié)點(diǎn)硬件主要由微控制器ATmega128L、溫度傳感器PT100、無(wú)線通信模塊nRF24L01、存儲(chǔ)器K9F5608和電源管理模塊等組成。其中監(jiān)測(cè)臺(tái)還包括報(bào)警和顯示屏單元。

硬件部件的控制器單元主要功能在于控制溫度傳感器采集列車的軸溫信息，并對(duì)信息進(jìn)行處理和轉(zhuǎn)發(fā)，以及對(duì)接受到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、顯示。數(shù)據(jù)采集單元主要是通過(guò)溫度傳感器對(duì)軸溫信息的采集。無(wú)線通信單元用于發(fā)送采集到的軸溫?cái)?shù)據(jù)，并與列車監(jiān)測(cè)臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)通信。節(jié)點(diǎn)硬件構(gòu)成如圖2所示。

圖2 節(jié)點(diǎn)硬件構(gòu)成

2.1 微控制器ATmega128L

考慮到控制器既要滿足系統(tǒng)的需求，又要保持低功耗和小體積的特性，故選用了8位微控制器ATmega128L,相對(duì)于其他通用的8位微控制器來(lái)說(shuō)，它具有非常豐富的資源，工作于16MHz時(shí)性能高達(dá)16MIPS,具有片內(nèi)128k字節(jié)的程序存儲(chǔ)器，4k字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和4k字節(jié)的E2PROM;具有兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；具有53個(gè)通用I/O 口線、實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC、兩個(gè)USART、可工作于主機(jī)/從機(jī)模式的SPI串行接口、8路10位ADC、兩路8位PWM、與IEEE1149.1規(guī)范兼容的JTAG測(cè)試接口用于片上調(diào)試，以及6種可以通過(guò)軟件選擇的省電模式。控制器的ADC口與PT100的輸出連接，SPI接口與無(wú)線通信模塊nRF24L01連接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)，PWM口用來(lái)驅(qū)動(dòng)監(jiān)測(cè)臺(tái)的報(bào)警單元，數(shù)據(jù)總線和地址總線與存儲(chǔ)器配合使用。

2.2 無(wú)線通信模塊nRF24L01

nRF24L01是工作在2.4GHz~2.5GHz的ISM 頻段的單片射頻收發(fā)器，內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器等功能模塊，支持Shock-Burst和Enhanced Shock-Burst兩種數(shù)據(jù)傳輸方式，其中輸出功率和通信頻道可通過(guò)程序進(jìn)行配置。nRF24L01功耗低，在以-6dBm的功率發(fā)射時(shí)，工作電流也只有9mA,接收時(shí)，工作電流只有12.3mA,多種低功率工作模式（掉電模式和空閑模式）使節(jié)能設(shè)計(jì)更方便，接口最高速率可以到達(dá)8Mbps,工作電壓1.9~3.6V,采用SPI接口進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)，無(wú)線數(shù)據(jù)的傳輸速率最高達(dá)2Mbps,并有自動(dòng)應(yīng)答和自動(dòng)重發(fā)射功能。輸出功率、頻道分配及協(xié)議的選擇可以通過(guò)SPI接口進(jìn)行設(shè)置[3].

2.3 溫度傳感器PT100

常用的接觸式測(cè)溫傳感器有熱電偶、熱電阻、半導(dǎo)體石英晶體等，鉑熱電阻在0℃時(shí)的電阻值稱R （0℃）和100℃時(shí)的電阻值稱R （100℃）以及R （100℃）/R （0℃）叫做比值W100.監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)溫度傳感器采用的是鉑電PT100,PT100的含義為（0℃）時(shí)的名義電阻值為100Ω，在溫度作用下，鉑熱電阻絲的電阻值隨之變化而變化，且電阻與溫度的關(guān)系即分度特性完全和IEC標(biāo)準(zhǔn)等同，因此PT100主要用來(lái)測(cè)量-200~+600℃的溫度。鉑電阻的電阻值與溫度成非線性關(guān)系，所以需要進(jìn)行非線性校正[4].校正分為模擬電路校正和微處理器數(shù)字化校正，模擬校正有很多現(xiàn)成的電路，其精度不高且易受溫漂等干擾因素影響，數(shù)字化校正需要在微處理系統(tǒng)中使用，將鉑電阻的電阻值和溫度對(duì)應(yīng)起來(lái)后存入EEPROM 中，根據(jù)電路中實(shí)測(cè)值以查表方式計(jì)算相應(yīng)溫度值。常用的Pt電阻采樣電路有兩種：一為橋式測(cè)溫電路；另一為恒流源式測(cè)溫電路。

系統(tǒng)中監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)采用的是是第一種橋式電流測(cè)溫電路，其具有測(cè)量準(zhǔn)確度高、測(cè)量范圍大、復(fù)現(xiàn)性和穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。

2.4 存儲(chǔ)器K9F5608

存儲(chǔ)器K9F5608 是三星公司生產(chǎn)的32MBytes容量的NAND Flash芯片，用來(lái)存儲(chǔ)臨時(shí)的軸溫?cái)?shù)據(jù)，當(dāng)通信中斷時(shí)可以把數(shù)據(jù)存在K9F5608中，待通信恢復(fù)正常后再將這些數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)測(cè)臺(tái)。它具有8位數(shù)據(jù)/地址復(fù)用接口以及CLE、ALE、WP、R/B、CE等控制信號(hào)，硬件接口比較簡(jiǎn)單，但讀寫時(shí)序相對(duì)較復(fù)雜，需要依次送入命令、地址、數(shù)據(jù)等。實(shí)際需要輸入24位的地址用來(lái)尋址，由于該芯片與控制器ATmega128L的接口是8位地址數(shù)據(jù)復(fù)用線，所以需要3個(gè)周期才能完成24位地址的輸入[5].存儲(chǔ)器K9F5608外圍電路如圖3所示。

圖3 K9F5608外圍電路

控制器ATmega128L的PA口完成對(duì)Flash數(shù)據(jù)﹑地址與命令的傳輸；用控制器的PG口來(lái)完成對(duì)Flash傳輸狀態(tài)的選擇，如CLE、ALE、R/B、CE等；用控制器的WE和RD信號(hào)來(lái)選擇FLASH是讀還是寫，在總線上傳輸?shù)囊话沩樞驗(yàn)椋?/P>

命令->地址->命令/數(shù)據(jù)。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件包括監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)軟件和監(jiān)測(cè)臺(tái)軟件兩部分。為了確保正常通信，采用問(wèn)答方式，即控制臺(tái)依次與每個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)建立通信，收到節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)后，再收取下一個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)信息，這樣就避免了阻塞的情況，確保數(shù)據(jù)的可靠性[6].

3.1 監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)軟件

監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)上電后，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，包括控制器各端口、寄存器和通信模塊nRF2401的配置等，之后進(jìn)入接收控制臺(tái)指令狀態(tài)。當(dāng)接收到指令時(shí)，立即讀取傳感器PT100的輸出值，經(jīng)過(guò)查表處理得出當(dāng)前軸溫信息，與節(jié)點(diǎn)ID打包正數(shù)據(jù)幀后發(fā)送到監(jiān)測(cè)臺(tái)，并繼續(xù)進(jìn)入到接收指令狀態(tài)。監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)軟件流程如圖4所示。

3.2 數(shù)據(jù)格式

系統(tǒng)了制定了簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)幀格式，如表1所示。

圖4 監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)軟件流程

表1 監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

每個(gè)幀的幀頭都以‘start'’開始，占用5個(gè)字節(jié)；然后是占用3個(gè)節(jié)點(diǎn)的ID,可以認(rèn)為是節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的地址；再接下來(lái)就是占用6個(gè)字節(jié)的溫度值。當(dāng)監(jiān)測(cè)臺(tái)發(fā)送指令時(shí)，每個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)都收到數(shù)據(jù)，但只有指令中ID與節(jié)點(diǎn)ID匹配時(shí)才會(huì)將該數(shù)據(jù)返回給監(jiān)測(cè)臺(tái)，如果不匹配則不做任何處理。

3.3 監(jiān)測(cè)臺(tái)指令幀結(jié)構(gòu)

監(jiān)測(cè)臺(tái)與各監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)通信的時(shí)候主要是通過(guò)發(fā)送指令完成的，指令幀結(jié)構(gòu)如表2所示。

表2 監(jiān)測(cè)臺(tái)數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

每個(gè)指令幀也是以“start”開始，占用5個(gè)字節(jié)；然后是需要提供溫度數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)ID,占用3個(gè)字節(jié)；再接下來(lái)是指令的有無(wú)效，占用1個(gè)字節(jié)；最后是以“end”的幀尾結(jié)束符，占用3個(gè)字節(jié)。

3.4 數(shù)據(jù)發(fā)送和接收

發(fā)送數(shù)據(jù)。首先將nRF24L01配置為工作在PTX 模式，接著把地址TX_ADDR和數(shù)據(jù)TX_PLD按照時(shí)序由SPI口寫入nRF24L01緩存區(qū)，置CE為高電平并保持至少10μs,拉低CE后發(fā)射數(shù)據(jù)，并立即進(jìn)入接收模式等待應(yīng)答信號(hào)。如果收到應(yīng)答，則認(rèn)為此次通信成功，TX_DS置高，同時(shí)TX_PLD從發(fā)送堆棧中清除；若未收到應(yīng)答，則自動(dòng)重新發(fā)射該數(shù)據(jù)，若重發(fā)次數(shù)ARC_CNT達(dá)到上限，MAX_RT置高，TX_PLD 不會(huì)被清除；MAX_RT 或TX_DS置高時(shí)，使IRQ變低，通知處理器做相應(yīng)處理。發(fā)射成功后，進(jìn)入空閑模式。

接收數(shù)據(jù)。首先將nRF24L01配置為PRX接收模式，接著延遲130μs進(jìn)入接收狀態(tài)等待數(shù)據(jù)的到來(lái)。當(dāng)接收方檢測(cè)到有效的地址和CRC時(shí)，就將數(shù)據(jù)包存儲(chǔ)在接收堆棧中，同時(shí)中斷標(biāo)志位RX_DR置高，IRQ變低，通知處理器讀取數(shù)據(jù)，接收完數(shù)據(jù)后進(jìn)入發(fā)射狀態(tài)并回傳應(yīng)答信號(hào)，接收成功，CE變低進(jìn)入空閑模式[5].

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)采用雙層集裝箱車，分別對(duì)空載和載重的兩種不同情況車廂進(jìn)行了測(cè)試?？蛰d車廂自重為25t,載重車廂重為78t.

兩種情況的測(cè)量結(jié)果如圖5所示。

圖5 測(cè)試結(jié)果

由于列車運(yùn)行情況相對(duì)復(fù)雜，軸溫與速度、運(yùn)行時(shí)間、制動(dòng)、載重和環(huán)境溫度等情況都有密切關(guān)系。從對(duì)圖5的分析看，具體關(guān)系是：速度越快，軸溫越高；列車啟動(dòng)階段，即0~30km之間，隨著運(yùn)行時(shí)間的增加軸溫越高，當(dāng)達(dá)到一定程度時(shí)，運(yùn)行時(shí)間不再軸溫；在行駛到43~50km處，列車制動(dòng)使車軸急劇升高，溫度達(dá)到71.45℃；在運(yùn)行穩(wěn)定狀態(tài)下，載重78t的車廂明顯比載重25t的車廂，溫度高6℃左右；另外，環(huán)境越高，軸溫越高。不難看出，載重越大，軸承運(yùn)轉(zhuǎn)溫度越高，并且上升速度越快。

5 結(jié)論

針對(duì)目前列車軸溫探測(cè)存在的不足，借助于現(xiàn)代無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)簡(jiǎn)潔、布局小巧、靈敏度高、收發(fā)信息能力快速的高速列車軸溫集中監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，擺脫了傳統(tǒng)有線的傳輸方式，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)運(yùn)行中的列車軸承情況，如超過(guò)軸溫監(jiān)測(cè)預(yù)設(shè)定值，就發(fā)出報(bào)警信號(hào)，便于及時(shí)采取有效措施，有效地降低事故發(fā)生率，避免因事故而產(chǎn)生的巨大經(jīng)濟(jì)損失。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)得到兩種載重情況運(yùn)行列車的軸溫?cái)?shù)據(jù)，分析了提速列車的軸溫變化規(guī)律，給改進(jìn)熱軸預(yù)報(bào)提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，對(duì)維護(hù)鐵路運(yùn)輸?shù)恼＿\(yùn)行和高速鐵路的發(fā)展具有重要意義。