基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )軸溫探測系統的設計

　　鐵路列車(chē)在高速運行過(guò)程中，車(chē)輛走行部分各軸承的溫度會(huì )不斷升高，當軸溫過(guò)高時(shí)，會(huì )造成熱軸、切軸等現象，嚴重影響鐵路運輸安全?，F階段我國鐵路列車(chē)上主要使用兩種軸溫探測裝置：一種是直接接觸式的車(chē)載軸溫探測系統；另一種是非接觸式的紅外軸溫探測系統。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(guò)電纜傳送到各個(gè)車(chē)廂的控制器顯示，由專(zhuān)門(mén)巡檢人員或各車(chē)廂乘務(wù)員進(jìn)行巡檢。但由于貨運列車(chē)車(chē)廂是無(wú)人值守的，且車(chē)廂頻繁編組，不能靠有線(xiàn)方式傳送給有人車(chē)廂，所以這種方式在貨運列車(chē)中很少使用。后者是通過(guò)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(guò)高告警兌現率低、誤報率高，而且成本很高。隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的發(fā)展，利用無(wú)線(xiàn)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(chē)軸溫變化情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監控的網(wǎng)絡(luò )，對保證列車(chē)運行安全具有重要意義。將無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)裝在列車(chē)各車(chē)廂的特定位置，節點(diǎn)間以自組織的方式形成網(wǎng)絡(luò )，可以有效實(shí)時(shí)地對車(chē)軸參數進(jìn)行采集和傳輸。

　　1 系統的結構組成介紹

　　貨運列車(chē)與客運列車(chē)的區別有以下幾點(diǎn)：

　　(1)客運列車(chē)車(chē)廂有固定的電力來(lái)源，因此不必考慮系統的功耗問(wèn)題；貨運列車(chē)車(chē)廂沒(méi)有電源，所以應用在貨車(chē)上的系統要求自帶電源，并盡量降低系統功耗。

　　(2)客車(chē)每節車(chē)廂都有列車(chē)員，可以對檢測到的軸溫進(jìn)行監視，當發(fā)現有異常時(shí)可以通知專(zhuān)人負責處理；貨車(chē)車(chē)廂一般都是無(wú)人值守的，因此需要將采集到的數據傳輸到車(chē)頭，由技術(shù)人員進(jìn)行處理。

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

　　針對目前列車(chē)軸溫探測存在的問(wèn)題，及以上貨運列車(chē)不同于客車(chē)的特點(diǎn)，我們設計了基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )軸溫探測系統，結構如圖1所示。

　　整個(gè)系統是由固定在每個(gè)車(chē)廂上的溫度采集單元和車(chē)頭總控制器組成。溫度采集單元稱(chēng)為無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)。系統在上電后采用自組織的方式工作，并可以隨時(shí)加入或去掉某節車(chē)廂而不會(huì )影響整個(gè)系統工作(如圖1所示)。此外，節點(diǎn)數據到車(chē)頭采用的是多跳方式傳輸，每個(gè)節點(diǎn)無(wú)線(xiàn)發(fā)射的功率不需要太大，因此可以有效節約單個(gè)節點(diǎn)的能耗，平衡整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的能耗。

　　2 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的組成

　　無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的結構如圖2所示。

　　無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)包括傳感器模塊、處理器模塊、無(wú)線(xiàn)通信模塊和能量供應模塊。節點(diǎn)的作用是對軸溫數據進(jìn)行采集，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )發(fā)送到車(chē)頭總控制器，同時(shí)充當其他各節點(diǎn)到車(chē)頭總控制器的路由器。

　　傳感器模塊負責數據的采集，在本系統中，將8路溫度傳感器分別安裝在車(chē)廂的8個(gè)軸箱上，對軸溫進(jìn)行檢測，并通過(guò)1-Wire總線(xiàn)將溫度數據傳送到處理器單元。

　　處理器單元是節點(diǎn)的核心，主要負責控制數據的采集，對數據進(jìn)行分析計算，并控制無(wú)線(xiàn)通信模塊將處理好的數據通過(guò)與其連接的其他網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)傳送給車(chē)頭總控制器節點(diǎn)。此外，處理器模塊負責處理其他節點(diǎn)發(fā)來(lái)的數據，并按照規則進(jìn)行轉發(fā)。

　　無(wú)線(xiàn)通信模塊負責數據的接收與發(fā)送，本設計采用nRF905模塊。nRF905是一款工作在433／868／915 MHz的單片無(wú)線(xiàn)射頻收發(fā)芯片，由頻率合成器、接收解調器、功率放大器、晶體振蕩器和調制器組成。他采用高抗干擾GFSK調制，數據速率90 kb／s，發(fā)射功率可調，最大為+10 dBm，獨特的載波檢測輸出(CD)、數據就緒輸出(DR)、地址匹配輸出(AM)，自動(dòng)產(chǎn)生前導碼和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，待機電流約為2 μA，能夠滿(mǎn)足系統高性能低功耗的需要。

　　能量供應模塊是系統工作的前提，由于貨車(chē)不像客車(chē)一樣具備穩定的供電電源，所以本設計采用電池供電，在低功耗設計的基礎上，使用兩節5號堿性電池可持續工作1年左右。

　　我們在為每節車(chē)廂設計節點(diǎn)時(shí)，將節點(diǎn)的硬件編號設定為車(chē)廂的編號，這樣就使節點(diǎn)與車(chē)廂形成一一對應的關(guān)系，無(wú)論在何時(shí)何地系統在上電自組的時(shí)候都可以自動(dòng)地識別該車(chē)廂，極大地方便了車(chē)廂的管理。

　　3 系統的硬件介紹

　　系統框圖如圖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)的一款集成數字溫度傳感器，他與傳統的熱敏電阻溫度傳感器不同，能夠直接讀出被測溫度，并且可根據實(shí)際要求通過(guò)簡(jiǎn)單的編程實(shí)現9～12位的數字值讀數方式，可以分別在93.75 ms和750 ms內將溫度值轉化為9位和12位的數字量。因而使用。DS18B20可使系統結構更簡(jiǎn)單、可靠性更高。同時(shí)芯片的耗電量很小，從總線(xiàn)上獲取少量電能(空閑時(shí)幾μW，工作時(shí)幾mW)存儲在片內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字信號，可直接與單片機I／O相連，使連接非常方便。由于在單總線(xiàn)上傳送的是數字信號，這使得系統的抗干擾性好、可靠性高、傳輸距離遠。

　　處理器采用的是MSP430系列單片機，最顯著(zhù)的特點(diǎn)就是他的超低功耗，在1.8～3.6 V電壓、1 MHz的時(shí)鐘條件下運行，耗電電流在0.1～400μA之間，RAM在節電模式耗電為0.1μA，等待模式下僅為0.7μA。能耗是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的瓶頸，節點(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結構，其豐富的尋址方式、簡(jiǎn)潔的內核指令、較高的處理速度(8 MHz晶體驅動(dòng)，指令周期125 ns)、大量的寄存器以及片內數據存儲器使之具有強大的處理能力。另外，MSP430F149的運行環(huán)境溫度范圍為-40～+85℃，可以適應各種惡劣的環(huán)境。

　　無(wú)線(xiàn)通信模塊采用的是nRF905，其性能如上節所述。

　　通過(guò)這樣的設計，可以實(shí)時(shí)地對貨車(chē)各節車(chē)廂的軸溫進(jìn)行監測，極大地保證了鐵路運輸的安全。

　　4 系統的軟件介紹

　　系統軟件設計主要包括節點(diǎn)發(fā)送接收程序、溫度采集程序、車(chē)頭總控器發(fā)送接收程序等。

　　節點(diǎn)發(fā)送程序流程如圖4所示。

　　當分站接收到數據后，將把字頭后的數據認為是有效數據，單片機首先核對分站ID號，如ID號不是本機則將其發(fā)送到與其相連通的下一級節點(diǎn)，并重新進(jìn)入接收狀態(tài)。反之則繼續對命令號進(jìn)行判斷，以確定分站的動(dòng)作。如主站要數據則對傳感器號進(jìn)行判斷，以確認主機所要的是該站的哪個(gè)傳感器數據。對數據分析完畢后，分站將現場(chǎng)的數據進(jìn)行采集、打包，并發(fā)給主站，或啟動(dòng)參數調節系統進(jìn)行參數調節，然后重新進(jìn)入接收狀態(tài)。

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

　　5 結 語(yǔ)

　　該系統可應用于貨運鐵路列車(chē)，可以實(shí)時(shí)可靠地對車(chē)輛軸溫進(jìn)行檢測報警。此外，該系統具有很好的可擴展性，在節點(diǎn)上安裝其他傳感器，可以對車(chē)廂的其他參數進(jìn)行檢測，如：在車(chē)廂內安裝相應的傳感器可以對貨車(chē)車(chē)廂情況進(jìn)行監控，可以起到防盜的作用；在車(chē)廂一定位置安裝壓力傳感器可以對車(chē)廂的載重情況進(jìn)行監控；安裝濕度傳感器可以對車(chē)廂內濕度進(jìn)行檢測等。隨著(zhù)技術(shù)的進(jìn)步，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )將廣泛地應用于鐵路運輸，可以方便地對各種參數進(jìn)行采集、分析、存儲，從而滿(mǎn)足人們日益提高的需求。