基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)軸溫探測系統(tǒng)的設(shè)計

　　鐵路列車在高速運(yùn)行過程中，車輛走行部分各軸承的溫度會不斷升高，當(dāng)軸溫過高時，會造成熱軸、切軸等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響鐵路運(yùn)輸安全。現(xiàn)階段我國鐵路列車上主要使用兩種軸溫探測裝置：一種是直接接觸式的車載軸溫探測系統(tǒng)；另一種是非接觸式的紅外軸溫探測系統(tǒng)。前者是在軸箱部位安裝溫度傳感器對溫度進(jìn)行采集，并通過電纜傳送到各個車廂的控制器顯示，由專門巡檢人員或各車廂乘務(wù)員進(jìn)行巡檢。但由于貨運(yùn)列車車廂是無人值守的，且車廂頻繁編組，不能靠有線方式傳送給有人車廂，所以這種方式在貨運(yùn)列車中很少使用。后者是通過每隔30 km安裝紅外探頭對軸溫進(jìn)行檢測。這種方式由于易受外界環(huán)境影響、定位困難等原因，使得軸溫過高告警兌現(xiàn)率低、誤報率高，而且成本很高。隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的感知能力、計算能力和通信能力，組成對行駛中的列車軸溫變化情況進(jìn)行實時監(jiān)控的網(wǎng)絡(luò)，對保證列車運(yùn)行安全具有重要意義。將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)裝在列車各車廂的特定位置，節(jié)點(diǎn)間以自組織的方式形成網(wǎng)絡(luò)，可以有效實時地對車軸參數(shù)進(jìn)行采集和傳輸。

　　1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成介紹

　　貨運(yùn)列車與客運(yùn)列車的區(qū)別有以下幾點(diǎn)：

　　(1)客運(yùn)列車車廂有固定的電力來源，因此不必考慮系統(tǒng)的功耗問題；貨運(yùn)列車車廂沒有電源，所以應(yīng)用在貨車上的系統(tǒng)要求自帶電源，并盡量降低系統(tǒng)功耗。

　　(2)客車每節(jié)車廂都有列車員，可以對檢測到的軸溫進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有異常時可以通知專人負(fù)責(zé)處理；貨車車廂一般都是無人值守的，因此需要將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)杰囶^，由技術(shù)人員進(jìn)行處理。

　　(3)客車車廂基本上是固定的，不會頻繁地重新編組，因此客車可以在各車廂之間連接電力線或通信線；貨車所掛各節(jié)車廂目的地可能不同，因此需要頻繁變動，有時需要甩掉某節(jié)車廂，有時需要掛上新的車廂，因此在貨車車廂間用有線方式通信是不可能的。

　　針對目前列車軸溫探測存在的問題，及以上貨運(yùn)列車不同于客車的特點(diǎn)，我們設(shè)計了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)軸溫探測系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　整個系統(tǒng)是由固定在每個車廂上的溫度采集單元和車頭總控制器組成。溫度采集單元稱為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。系統(tǒng)在上電后采用自組織的方式工作，并可以隨時加入或去掉某節(jié)車廂而不會影響整個系統(tǒng)工作(如圖1所示)。此外，節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)到車頭采用的是多跳方式傳輸，每個節(jié)點(diǎn)無線發(fā)射的功率不需要太大，因此可以有效節(jié)約單個節(jié)點(diǎn)的能耗，平衡整個網(wǎng)絡(luò)的能耗。

　　2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的組成

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)包括傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供應(yīng)模塊。節(jié)點(diǎn)的作用是對軸溫數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到車頭總控制器，同時充當(dāng)其他各節(jié)點(diǎn)到車頭總控制器的路由器。

　　傳感器模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集，在本系統(tǒng)中，將8路溫度傳感器分別安裝在車廂的8個軸箱上，對軸溫進(jìn)行檢測，并通過1-Wire總線將溫度數(shù)據(jù)傳送到處理器單元。

　　處理器單元是節(jié)點(diǎn)的核心，主要負(fù)責(zé)控制數(shù)據(jù)的采集，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計算，并控制無線通信模塊將處理好的數(shù)據(jù)通過與其連接的其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)傳送給車頭總控制器節(jié)點(diǎn)。此外，處理器模塊負(fù)責(zé)處理其他節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)，并按照規(guī)則進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。

　　無線通信模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送，本設(shè)計采用nRF905模塊。nRF905是一款工作在433／868／915 MHz的單片無線射頻收發(fā)芯片，由頻率合成器、接收解調(diào)器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器組成。他采用高抗干擾GFSK調(diào)制，數(shù)據(jù)速率90 kb／s，發(fā)射功率可調(diào)，最大為+10 dBm，獨(dú)特的載波檢測輸出(CD)、數(shù)據(jù)就緒輸出(DR)、地址匹配輸出(AM)，自動產(chǎn)生前導(dǎo)碼和CRC，使用SPI接口與微處理器通信，配置非常方便。此外，nRF905的工作電壓范圍為1.9～3.6 V，其電流消耗很低，發(fā)射電流約為11 mA(-10 dBm輸出)，接收電流約為12.5 mA，待機(jī)電流約為2 μA，能夠滿足系統(tǒng)高性能低功耗的需要。

　　能量供應(yīng)模塊是系統(tǒng)工作的前提，由于貨車不像客車一樣具備穩(wěn)定的供電電源，所以本設(shè)計采用電池供電，在低功耗設(shè)計的基礎(chǔ)上，使用兩節(jié)5號堿性電池可持續(xù)工作1年左右。

　　我們在為每節(jié)車廂設(shè)計節(jié)點(diǎn)時，將節(jié)點(diǎn)的硬件編號設(shè)定為車廂的編號，這樣就使節(jié)點(diǎn)與車廂形成一一對應(yīng)的關(guān)系，無論在何時何地系統(tǒng)在上電自組的時候都可以自動地識別該車廂，極大地方便了車廂的管理。

　　3 系統(tǒng)的硬件介紹

　　系統(tǒng)框圖如圖3所示。

　　溫度傳感器采用的是DS18B20，該傳感器是美國Dallas公司生產(chǎn)的一款集成數(shù)字溫度傳感器，他與傳統(tǒng)的熱敏電阻溫度傳感器不同，能夠直接讀出被測溫度，并且可根據(jù)實際要求通過簡單的編程實現(xiàn)9～12位的數(shù)字值讀數(shù)方式，可以分別在93.75 ms和750 ms內(nèi)將溫度值轉(zhuǎn)化為9位和12位的數(shù)字量。因而使用。DS18B20可使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更簡單、可靠性更高。同時芯片的耗電量很小，從總線上獲取少量電能(空閑時幾μW，工作時幾mW)存儲在片內(nèi)的電容中就可正常工作，一般不用另加電源。最主要的是傳感器輸出的是數(shù)字信號，可直接與單片機(jī)I／O相連，使連接非常方便。由于在單總線上傳送的是數(shù)字信號，這使得系統(tǒng)的抗干擾性好、可靠性高、傳輸距離遠(yuǎn)。

　　處理器采用的是MSP430系列單片機(jī)，最顯著的特點(diǎn)就是他的超低功耗，在1.8～3.6 V電壓、1 MHz的時鐘條件下運(yùn)行，耗電電流在0.1～400μA之間，RAM在節(jié)電模式耗電為0.1μA，等待模式下僅為0.7μA。能耗是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的瓶頸，節(jié)點(diǎn)必須依靠電池供電，所以采用MSP430F149作CPU是最佳選擇。MSP430F149采用16位RISC結(jié)構(gòu)，其豐富的尋址方式、簡潔的內(nèi)核指令、較高的處理速度(8 MHz晶體驅(qū)動，指令周期125 ns)、大量的寄存器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器使之具有強(qiáng)大的處理能力。另外，MSP430F149的運(yùn)行環(huán)境溫度范圍為-40～+85℃，可以適應(yīng)各種惡劣的環(huán)境。

　　無線通信模塊采用的是nRF905，其性能如上節(jié)所述。

　　通過這樣的設(shè)計，可以實時地對貨車各節(jié)車廂的軸溫進(jìn)行監(jiān)測，極大地保證了鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩?/p>

　　4 系統(tǒng)的軟件介紹

　　系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括節(jié)點(diǎn)發(fā)送接收程序、溫度采集程序、車頭總控器發(fā)送接收程序等。

　　節(jié)點(diǎn)發(fā)送程序流程如圖4所示。

　　當(dāng)分站接收到數(shù)據(jù)后，將把字頭后的數(shù)據(jù)認(rèn)為是有效數(shù)據(jù)，單片機(jī)首先核對分站ID號，如ID號不是本機(jī)則將其發(fā)送到與其相連通的下一級節(jié)點(diǎn)，并重新進(jìn)入接收狀態(tài)。反之則繼續(xù)對命令號進(jìn)行判斷，以確定分站的動作。如主站要數(shù)據(jù)則對傳感器號進(jìn)行判斷，以確認(rèn)主機(jī)所要的是該站的哪個傳感器數(shù)據(jù)。對數(shù)據(jù)分析完畢后，分站將現(xiàn)場的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、打包，并發(fā)給主站，或啟動參數(shù)調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)，然后重新進(jìn)入接收狀態(tài)。

　　其他程序在這里不再詳細(xì)敘述。此外，我們在程序中留有接口，車頭總控制器在不停地巡檢軸溫的同時，還可以通過短消息或其他無線通訊方式向地面接收站發(fā)送數(shù)據(jù)，這樣地面站就可以對列車發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，以備在出現(xiàn)事故后可以找到事故發(fā)生時的軸溫數(shù)據(jù)。

　　5 結(jié) 語

　　該系統(tǒng)可應(yīng)用于貨運(yùn)鐵路列車，可以實時可靠地對車輛軸溫進(jìn)行檢測報警。此外，該系統(tǒng)具有很好的可擴(kuò)展性，在節(jié)點(diǎn)上安裝其他傳感器，可以對車廂的其他參數(shù)進(jìn)行檢測，如：在車廂內(nèi)安裝相應(yīng)的傳感器可以對貨車車廂情況進(jìn)行監(jiān)控，可以起到防盜的作用；在車廂一定位置安裝壓力傳感器可以對車廂的載重情況進(jìn)行監(jiān)控；安裝濕度傳感器可以對車廂內(nèi)濕度進(jìn)行檢測等。隨著技術(shù)的進(jìn)步，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將廣泛地應(yīng)用于鐵路運(yùn)輸，可以方便地對各種參數(shù)進(jìn)行采集、分析、存儲，從而滿足人們?nèi)找嫣岣叩男枨蟆?/p>