基于CC2530的軸承溫度監測

作者/ 張高明 吳新春 白天蕊 西南交通大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院(四川 成都 610031)

摘要：滾動(dòng)軸承是列車(chē)最重要的機械部件之一，它在列車(chē)行駛中起著(zhù)承受載荷和傳遞載荷的作用，工作條件十分惡劣。同時(shí)滾動(dòng)軸承也是易損元件。據統計，旋轉機械的故障有30%是由滾動(dòng)軸承故障引起的,它的好壞對列車(chē)的工作狀態(tài)影響極大。因此，研究軸承故障診斷技術(shù)對于列車(chē)安全運行十分有意義。目前有很多軸承故障檢測方法。大致可以分為:振動(dòng)法、噪聲法、溫度法、油樣分析法。其中溫度監測對軸承負荷、速度和潤滑情況的變化反映比較敏感，尤其是對潤滑不良而引起的軸承過(guò)熱現象很靈敏^[1]。針對鐵路快捷貨車(chē)車(chē)廂沒(méi)有電源、車(chē)輛隨時(shí)解編或編組、無(wú)人值守等問(wèn)題，提出快捷貨車(chē)軸溫監測方法，采用無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)ZigBee和數字溫度傳感器DS18B20準確快速地測量多個(gè)車(chē)廂軸溫，利用CC2530星型網(wǎng)絡(luò )實(shí)現各個(gè)車(chē)廂的軸承溫度匯集以及報警功能。

引言

　　當前，鐵路貨運物流嚴重滯后，除了鐵路基礎建設不足，更重要的是大量的貨車(chē)速度普遍在100公里/小時(shí)以下，造成這一現象的原因在于滾動(dòng)軸承作為機械設備中重要的旋轉零件,也是機械設備中重要故障源之一，在軸承正常運轉期間,如果出現缺油、少油、損傷、摩擦、碰撞等原因，會(huì )出現“燒軸”現象^[2]，導致軸承溫度不同程度的上升，因此通過(guò)觀(guān)察軸溫的變化可以判斷出軸承的運行狀況。當前，在我國鐵路貨車(chē)提速的大背景下，對軸承的安全監測技術(shù)提出了更嚴格的要求，研究軸溫實(shí)時(shí)監測技術(shù)具有實(shí)際應用價(jià)值。目前，檢測軸溫的方法常采用人工定期檢查和紅外測溫和有線(xiàn)測溫法，最早的人工檢查方法就是當列車(chē)進(jìn)站后，工人用測溫儀器逐個(gè)檢查軸承溫度，很明顯，這種方法準確性不高，實(shí)時(shí)性差，而且效率低。后來(lái)采用紅外測溫法，是在鐵路軌道每隔30公里鋪設紅外探測器，當列車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)采集軸承輻射的電磁波，雖然實(shí)現了自動(dòng)測溫，但由于紅外輻射誤差較高。再后來(lái)采用的有線(xiàn)測溫法，但因為采用的PN結溫度傳感器，準確性還是不高。針對以上測溫方式存在的問(wèn)題和缺陷 ，本文提出車(chē)載測溫的方法，即采用ZigBee短距離無(wú)線(xiàn)自組網(wǎng)和DS18B20單總線(xiàn)數字輸出技術(shù)，解決了測溫點(diǎn)分散問(wèn)題，又具有低功耗，實(shí)時(shí)性強的特點(diǎn)，非常適合于快捷鐵路貨車(chē)的軸溫監測。

1 系統功能和架構配置

　　1.1 功能分析

　　1)能滿(mǎn)足列車(chē)運行過(guò)程中惡劣的環(huán)境要求，如高強度振動(dòng)和不同地區的溫度差;

　　2)實(shí)時(shí)監測軸承溫度;

　　3)報警功能，采用絕對溫度和相對溫度判斷軸承狀態(tài)，即絕對溫度(軸承溫度)高于設定報警溫度T1顯示報警，當相對溫度(軸承溫度減去環(huán)境溫度差值)高于設定的報警溫度T2報警;

　　4)可以人工設置兩個(gè)報警溫度;

　　5)能夠顯示ZigBee組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )拓撲結構。

　　1.2 架構配置方案設計

　　本系統的總體設計框圖如圖1所示。每節車(chē)廂軸承箱處安裝九個(gè)DS18B20，這些溫度傳感器分別采集8個(gè)軸承溫度和1個(gè)環(huán)境溫度，采集完畢通過(guò)單總線(xiàn)的方式送到ZigBee 溫度采集節點(diǎn)，車(chē)廂之間通過(guò)ZigBee星型無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )方式與ZigBee匯集節點(diǎn)通信，并把本車(chē)廂溫度數據上報到協(xié)調器處。協(xié)調器收到數據后將數據打包成固定的數據幀格式，通過(guò)Uart口發(fā)送到顯示設備。同時(shí)，外部指令也可以通過(guò)串口發(fā)送給ZigBee匯集節點(diǎn)，然后ZigBee溫度采集節點(diǎn)會(huì )通過(guò)廣播收到命令，之后采集溫度或是獲取地址。

2 硬件結構的實(shí)現

　　2.1 溫度采集

　　本文采用接觸式數字溫度傳感器DS18B20，它采用on-board 專(zhuān)利技術(shù)，全部的電路都集成在一個(gè)三極管大小的芯片上。DS18B20具有數字信號輸出和支持單總線(xiàn)多掛特點(diǎn)，可以準確地測量多個(gè)溫度值。DS18B20每一次讀取溫度之前都要進(jìn)行嚴格時(shí)序操作，要讀出當前溫度一共需要兩個(gè)周期：第一個(gè)周期進(jìn)行復位(初始化)、跳過(guò)ROM和開(kāi)啟溫度轉換;第二個(gè)周期里執行復位、匹配ROM、寫(xiě)ROM ID和讀RAM數據。

　　本文采用的是單總線(xiàn)多掛的結構測溫，CC2530的P0_6口接DS18B20的DQ控制器，依次向單總線(xiàn)寫(xiě)入ROM ID，比較單總線(xiàn)上的ROM ID和本身ROM ID，若相同，則響應后面的操作，最后讀出該節點(diǎn)溫度;若不同，則不會(huì )響應。由于ROM ID是唯一的，所以每次只會(huì )有一個(gè)DS18B20響應。

　　2.2 ZigBee節點(diǎn)設計

　　TI公司的CC2530是專(zhuān)門(mén)針對IEEE 802.15.4和ZigBee應用的單芯片解決方案，可工作在2.4GHz的16個(gè)信道。理論上傳輸距離在0~400m，最高傳輸速率可達200Kbps。從網(wǎng)絡(luò )配置上來(lái)講，ZigBee網(wǎng)絡(luò )中有3種類(lèi)型的節點(diǎn)：ZigBee協(xié)調器節點(diǎn)、ZigBee路由器節點(diǎn)和 ZigBee終端節點(diǎn)，這三種節點(diǎn)在硬件上是完全一樣的，都可以通過(guò)軟件配置成不同的節點(diǎn)。ZigBee三種常見(jiàn)的網(wǎng)絡(luò )結構分別是：星狀網(wǎng)絡(luò )、樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò )和Mesh網(wǎng)絡(luò )。本文溫度采集節點(diǎn)全部配置成終端設備，只負責和DS18B20采集溫度。終端設備采集到溫度或者地址信息后重新生成固定的幀格式發(fā)送到協(xié)調器，也就是溫度匯集節點(diǎn)。本文中設計的溫度幀格式字段主要有：車(chē)廂編號、車(chē)廂狀態(tài)、環(huán)境溫度和每個(gè)軸承對應的溫度和狀態(tài)以及編號。地址幀格式字段有：設備類(lèi)型、本節點(diǎn)地址和父節點(diǎn)地址。

　　本文采用TI的協(xié)議棧為ZStack-CC2530-2.5.1a，OSAL是一種基于事件驅動(dòng)的輪詢(xún)式操作系統，采用輪詢(xún)的方式不斷地查看事件列表，如果有事件發(fā)生了，則會(huì )調用相應的事件處理函數進(jìn)行處理。

　　為了實(shí)現對ZigBee節點(diǎn)的簡(jiǎn)單控制，溫度匯集節點(diǎn)一旦收到串口接收的命令“colldata”和“topology”，協(xié)調器就分辨該命令是獲取溫度數據還是網(wǎng)絡(luò )拓撲，然后通過(guò)廣播向所有終端節點(diǎn)發(fā)送相應的Command ID，終端節點(diǎn)收到命令后分別設置兩個(gè)事件，一個(gè)溫度采集事件和一個(gè)獲取地址事件，OSAL檢測到事件后，啟動(dòng)溫度或者地址獲取動(dòng)作，并自動(dòng)發(fā)送到協(xié)調器。

3 軟件設計

　　本文的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境為IAR for 8051 V8.10，支持所有的編譯、調試和下載。

　　3.1 溫度采集節點(diǎn)軟件設計

　　由于DS18B20采用總線(xiàn)協(xié)議方式，有嚴格的時(shí)序概念，因此，對DS18B20的軟件設計必須嚴格按照協(xié)議進(jìn)行?？刂破飨駾S18B20發(fā)送復位脈沖進(jìn)行初始化，初始化成功之后，再向總線(xiàn)寫(xiě)入“Skip ROM”指令，再接著(zhù)寫(xiě)入溫度轉換指令。等待少許延時(shí)后，讀取轉換的溫度，由于要讀取9個(gè)溫度值，所以通過(guò)一個(gè)循環(huán)，每次讀取一個(gè)溫度，一共讀取9次即可。其中每一次讀取溫度，都要先初始化，然后匹配要讀取的DS18B20，最后讀取RAM里的溫度。

　　由于溫度采集點(diǎn)采用終端設備節點(diǎn)，故只能請求加入網(wǎng)絡(luò )，設備上電并入網(wǎng)成功與協(xié)調器綁定完成后，等待協(xié)調器的指令，如收到指令，則每隔5s鐘采集一次溫度或者獲取一次地址信息，具體流程圖如圖2。

　　3.2 ZigBee匯集節點(diǎn)軟件設計

　　匯集節點(diǎn)一方面收集終端設備發(fā)送來(lái)的數據，另一方面通過(guò)串口與外部設備通訊，這里為了取得模擬效果，采用串口助手來(lái)演示數據顯示和指令發(fā)送，該部分的軟件設計流程如圖3。

4 實(shí)現結果和分析

　　本系統設計的控制指令主要有兩個(gè)“topology”和“collect”分別為獲取網(wǎng)絡(luò )拓撲結構和獲取溫度數據。當在PC的串口調試界面發(fā)送“topology”，在接收欄界面如圖4所示。當PC的串口調試界面發(fā)送入 “colldata” 收到如圖5的信息。

　　分析：如圖4所示，根據地址信息可以分析出這是一個(gè)星型網(wǎng)絡(luò )結構，跟期望的設計一致。

　　分析：如圖5所示，Box_no:車(chē)廂編號，Et_temp:環(huán)境溫度，Bear_No：軸承編號，Bear_temp:軸承溫度，State:軸承狀態(tài)。按照報警原理，軸承狀態(tài)取決于設定的絕對報警溫度和相對報警溫度，只要軸承滿(mǎn)足任意一個(gè)報警條件，就會(huì )顯示故障狀態(tài)F(False)，否則顯示N(Normal)，對比各個(gè)車(chē)廂的軸承溫度準確地反映了工作狀態(tài)，證明了此系統工作的正確性。

5 總結

　　本文專(zhuān)門(mén)針對鐵路快捷貨車(chē)的自身特點(diǎn)以及鐵路貨運需求，提出鐵路貨車(chē)軸承溫度自動(dòng)監測的解決方案，設計了以CC2530和DS18B20為核心軸承溫度監測的軟硬件部分。本系統著(zhù)重介紹了ZigBee控制DS18B20采集溫度、無(wú)線(xiàn)傳輸、指令控制和報警顯示等部分。經(jīng)過(guò)實(shí)驗測試，各項顯示正確地反映了軸承的狀態(tài)，證明了本設計的應用價(jià)值。

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本文來(lái)源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第10期第79頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。