基于物聯(lián)網(wǎng)的鐵路貨車(chē)軸溫監測系統

　　引言

　　隨著(zhù)我國鐵路沿著(zhù)“高速、重載”的方向發(fā)展，鐵路系統的運輸能力不斷提升。貨運列車(chē)在運行過(guò)程中, 由于車(chē)軸溫度升高, 會(huì )造成熱軸、切軸或燃軸等事故發(fā)生, 嚴重影響鐵路貨車(chē)的行車(chē)安全。對貨車(chē)軸溫進(jìn)行及時(shí)、準確地監測，是保障貨車(chē)安全運行的重要手段。

　　目前軸承的故障檢測裝置主要有紅外軸溫探測器和車(chē)載軸溫報警器等。紅外軸溫探測器是利用紅外探頭接收軸承的熱輻射，并使之轉換成對應的電壓信號;它需要安裝在軌道兩旁，在檢測和故障處理上有一定的滯后性，且容易產(chǎn)生誤報、漏報;車(chē)載軸溫報警器一般布置在客車(chē)的各節車(chē)廂內，需要隨車(chē)檢修師定期檢查軸溫信息，不便于軸溫數據的集中處理，而且這對于車(chē)廂沒(méi)有電源、車(chē)輛頻繁解編或編組、車(chē)廂無(wú)人值守的貨運列車(chē)來(lái)說(shuō)，是不適用這種裝置的。

　　針對以上問(wèn)題，本文提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)的車(chē)載軸溫監控解決方案。該方案以 ZigBee技術(shù)為基礎，以低能耗、遠程化和實(shí)時(shí)性為設計目標，采用模塊化的設計方法，設計了軸溫采集節點(diǎn)模塊、機車(chē)監控平臺及監控中心上位機，系統組成框圖如圖 1所示。首先利用ZigBee技術(shù)搭建無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )，實(shí)現軸溫數據的采集和本地傳輸，在機車(chē)部分實(shí)現軸溫數據的集中處理和遠程傳輸。機車(chē)監控平臺以高性能的ARM Cortex-M3微處理器STM32F103ZET6為硬件核心，擴展了TFT-LCD、SD卡、GPRS等外圍接口電路;以嵌入式實(shí)時(shí)操作系統μC/OS-III為軟件平臺，移植了STemWin圖形界面系統和FATFS文件系統，實(shí)現了本地數據的顯示、存儲及傳輸等功能。通過(guò)SIM900A GPRS模塊與地面數據監控中心進(jìn)行通信，實(shí)現了遠程數據實(shí)時(shí)傳輸的功能;地面數據監控中心上位機部分是在VC++2010和Microsoft Access2010軟件平臺上開(kāi)發(fā)完成的，在C/S工作模式下，機車(chē)監控平臺作為本地客戶(hù)端，地面監控中心作為服務(wù)器端，雙方通過(guò)Socket通信完成數據的交換，同時(shí)監控端實(shí)時(shí)顯示數據變化，并且不斷更新數據庫庫表，方便歷史數據的查詢(xún)與分析。

　　圖1貨車(chē)軸溫監測系統的組成框圖

　　1 系統硬件設計

　　1.1軸溫采集節點(diǎn)設計

　　軸溫采集節點(diǎn)主要有無(wú)線(xiàn)通信模塊、溫度傳感單元和電源模塊組成。本文選取了TI公司的CC2530 ZigBee模塊作為無(wú)線(xiàn)通信模塊，CC2530內置業(yè)界領(lǐng)先的RF轉發(fā)器，并結合增強型的8051內核MCU。CC2530具有256KB Flash ROM、8KB RAM、兩個(gè)UART接口并可復用的SPI接口、8通道的ADC并具有不同電源運行模式，非常適合超低功耗需求的系統。

　　溫度傳感單元選取了美國DALLAS半導體公司推出的數字溫度傳感器DS18B20。DS18B20只有三個(gè)引腳(GND、DQ、VDD)，通過(guò)一根數據線(xiàn)DQ就能輸出數字溫度值。DS18B20支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個(gè)DS18B20可共用一根通訊線(xiàn), 以實(shí)現多點(diǎn)測溫; 具有溫度報警功能，用戶(hù)可設置報警溫度。

　　電源模塊采用一節5V的干電池供電，5V電源通過(guò)DC-DC變換器HT7533得到3.3V工作電壓。溫度傳感單元需要3.3V供電，無(wú)線(xiàn)通信模塊則需要 5V 和 3.3V供電。

　　貨車(chē)的每節車(chē)廂有8個(gè)軸承，因此需要8個(gè)DS18B20檢測軸承溫度。每個(gè)溫度傳感器是直接安裝在軸承座里面的，沿垂直軸承座方向鉆一小孔，直徑略大于傳感器探針，連同到軸承外圈面，放入孔中直接接觸到軸承外面，通過(guò)熱量傳導就可以檢測溫度了。除了檢測軸承絕對溫度之外，每節車(chē)廂還應配備1個(gè)DS18B20用于檢測環(huán)境溫度，以設定相對溫度報警值。

　　DS18B20有兩種工作模式：寄生工作方式和外部電源工作方式。本文采用不需要額外時(shí)序控制的外部電源工作模式，單總線(xiàn)上一次性采集9個(gè)溫度包括8個(gè)軸承溫度和1個(gè)環(huán)境溫度，CC2530的P0_6口接DS18B20的DQ，電路連接方式如圖2所示。

　　圖2 CC2530和DS18B20電路連接圖

　　1.2 機車(chē)監控平臺設計

　　機車(chē)監控平臺硬件包括CC2530和ARM網(wǎng)關(guān)兩部分，如圖3所示。CC2530作為整個(gè)貨車(chē)無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )的匯聚節點(diǎn)主要負責接收各節車(chē)輛的軸溫數據，然后通過(guò)UART0與網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數據交互;ARM網(wǎng)關(guān)主要包括人機交互模塊、SD卡存儲模塊和GPRS通信模塊，實(shí)現軸溫數據的處理、顯示、存儲和傳輸等任務(wù)。

　　圖3 機車(chē)監控平臺硬件組成框圖

　　根據設計方案與經(jīng)濟因素，機車(chē)監控平臺的網(wǎng)關(guān)主控制器選用的是ST(意法半導體)公司推出的基于A(yíng)RM內核Cortex-M3的32位微控制器STM32F103ZET6，其內核架構先進(jìn)，性能優(yōu)越，最高工作頻率可達 72MHz，執行效率高，并擁有豐富的外設資源。該芯片具有 64KB 的SRAM和512KB的FLASH，支持SDRAM和NAND FLASH擴展，具有7個(gè)定時(shí)器、5個(gè)USART、3路SPI接口、1個(gè)SDIO 接口、1個(gè)FSMC 接口及內部RTC，支持SDHC卡、LCD控制器等，可滿(mǎn)足系統設計需求。

　　人機交互模塊主要設計了 TFT-LCD 液晶屏接口電路，將GPRS狀態(tài)、各節車(chē)廂的軸溫數據及RTC時(shí)鐘等信息通過(guò)彩色液晶屏幕實(shí)時(shí)顯示出來(lái)，機車(chē)工作人員可以通過(guò)觸摸屏來(lái)操作軟件，查詢(xún)每節車(chē)廂的詳細信息。

　　由于監測系統信息量較大，為防止數據丟失，系統擴展了SD卡存儲電路，采用容量為8GB的SD卡模塊實(shí)現對軸溫數據的實(shí)時(shí)存儲，方便貨車(chē)維護人員將數據拷貝出來(lái)查看和分析歷史數據。

　　GPRS通信模塊負責主控模塊與監控中心主機遠程通訊，系統采用的是SIM900A GPRS模塊。該模塊內嵌TCP/IP協(xié)議，擴展的AT命令使用戶(hù)方便的使用TCP/IP協(xié)議，這在網(wǎng)絡(luò )數據應用時(shí)非常有用。

　　2 系統軟件設計

　　系統軟件部分主要分為ZigBee無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)軟件設計和STM32網(wǎng)關(guān)軟件設計。ZigBee無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)部分采用的是TI公司推出的符合ZigBee2007協(xié)議標準的協(xié)議棧Zstack-CC2530-2.5.1a，主要包括匯聚節點(diǎn)和采集節點(diǎn)的軟件設計;STM32網(wǎng)關(guān)部分采用嵌入式操作系統μC/OS-III，移植了STemWin圖形界面系統和FATFS文件系統，根據系統的應用功能對任務(wù)進(jìn)行劃分，主要包括GPRS初始化任務(wù)、串口接收任務(wù)、GUI界面顯示任務(wù)、GPRS發(fā)送任務(wù)、FATFS存儲任務(wù)、觸摸屏任務(wù)、系統監視任務(wù)等。

　　2.1 ZigBee無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)軟件設計

　　2.1.1采集節點(diǎn)軟件設計

　　采集節點(diǎn)負責采集并發(fā)送軸承的溫度和狀態(tài)數據信息，要實(shí)現DS18B20的單總線(xiàn)多掛方式采集軸溫，必須先讀出單總線(xiàn)上的每個(gè)DS18B20的64位識別碼(ROM ID)。根據DS18B20工作原理，首先初始化，接著(zhù)寫(xiě)入“讀ROM”指令，然后通過(guò)一個(gè)8次循環(huán)將64位ROM ID依次讀取到數組中。獲得了每個(gè)DS18B20的識別碼之后，就可以在單總線(xiàn)中準確的控制每個(gè)DS18B20了。程序設計思路是：CC2530向DS18B20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。溫度采集軟件設計流程如圖4所示。

　　圖4 溫度采集軟件流程圖

　　通過(guò)單總線(xiàn)方式每一次可讀取到9個(gè)溫度即8個(gè)軸溫和1個(gè)環(huán)溫，這些采集的原始數據如果不加以封裝處理，將會(huì )顯得雜亂無(wú)序，而且根本無(wú)法區分這些數字代表的意義。因此有必要將采集到的數據通過(guò)插入對應軸承號和車(chē)廂號構成一幀完整的含義明確的格式，溫度數據幀的格式如圖5所示。

　　圖5　溫度數據幀格式

　　采集節點(diǎn)在ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )中扮演的是既是終端也是路由器的角色。節點(diǎn)上電后自動(dòng)完成設備初始化，然后搜素周?chē)臒o(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，找到合適的網(wǎng)絡(luò )后向該網(wǎng)絡(luò )發(fā)送入網(wǎng)請求，若入網(wǎng)成功后，節點(diǎn)會(huì )在OSAL中查詢(xún)到狀態(tài)改變事件，然后在狀態(tài)改變處理函數中設置發(fā)送事件，同樣在OSAL中會(huì )查詢(xún)到該事件，接著(zhù)啟動(dòng)發(fā)送事件的處理函數即啟動(dòng)DS18B20采集溫度數據并向父節點(diǎn)發(fā)送數據，等待發(fā)送5秒周期倒計完成時(shí)開(kāi)啟下一輪發(fā)送。采集節點(diǎn)軟件設計流程如圖6所示。

　　圖6 采集節點(diǎn)軟件設計流程

　　2.1.2 匯聚節點(diǎn)軟件設計

　　匯聚節點(diǎn)在系統中起到溝通采集節點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)的橋梁作用，在ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )中扮演協(xié)調器的角色。匯聚節點(diǎn)軟件設計流程如圖7所示，節點(diǎn)上電激活后，首先根據軟件配置的PAN ID和信道等參數創(chuàng )建無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )，創(chuàng )建成功之后，啟動(dòng)協(xié)議棧OSAL，輪詢(xún)新事件的發(fā)生。當有采集節點(diǎn)申請加入時(shí)，協(xié)調器會(huì )查詢(xún)到對應的事件，緊接著(zhù)調用加入網(wǎng)絡(luò )事件處理函數決定收否允許加入，若允許加入成功后，協(xié)調器繼續輪詢(xún)新事件，當終端向協(xié)調器發(fā)送數據時(shí)同樣會(huì )觸發(fā)協(xié)調器接收事件，調用接收回調函數對數據封裝打包，然后通過(guò)UART0發(fā)送給網(wǎng)關(guān)。數據發(fā)送完畢觸發(fā)接收完成事件，OSAL查詢(xún)到該事件之后系統又開(kāi)始不斷輪詢(xún)新的接收事件，準備下一輪發(fā)送。

　　圖7　匯聚節點(diǎn)軟件設計流程