一種軸溫探測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

鐵路列車(chē)在高速運(yùn)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(dāng)軸溫過(guò)高時(shí)，會(huì)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(guó)鐵路列車(chē)上主要使用兩種軸溫探測(cè)裝置：一種是直接接觸式的車(chē)載軸溫探測(cè)系統(tǒng);另一種是非接觸式的紅外軸溫探測(cè)系統(tǒng)。前者是在軸箱部位安裝溫度傳感器對(duì)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(yùn)列車(chē)車(chē)廂是無(wú)人值守的，且車(chē)廂頻繁編組，不能靠有線方式傳送給有人車(chē)廂，所以這種方式在貨運(yùn)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(duì)軸溫進(jìn)行檢測(cè)。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(xiàn)率低、誤報(bào)率高，而且成本很高。隨著無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，利用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的感知能力、計(jì)算能力和通信能力，組成對(duì)行駛中的列車(chē)軸溫變化情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控的網(wǎng)絡(luò)，對(duì)保證列車(chē)運(yùn)行安全具有重要意義。將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)裝在列車(chē)各車(chē)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(shí)時(shí)地對(duì)車(chē)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(chē)與客運(yùn)列車(chē)的區(qū)別有以下幾點(diǎn)：

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

　　(2)客車(chē)每節(jié)車(chē)廂都有列車(chē)員，可以對(duì)檢測(cè)到的軸溫進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有異常時(shí)可以通知專(zhuān)人負(fù)責(zé)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(shù)據(jù)傳輸?shù)杰?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)廂之間連接電力線或通信線;貨車(chē)所掛各節(jié)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(jié)車(chē)廂，有時(shí)需要掛上新的車(chē)廂，因此在貨車(chē)車(chē)廂間用有線方式通信是不可能的。

　　針對(duì)目前列車(chē)軸溫探測(cè)存在的問(wèn)題，及以上貨運(yùn)列車(chē)不同于客車(chē)的特點(diǎn)，我們?cè)O(shè)計(jì)了基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)軸溫探測(cè)系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　整個(gè)系統(tǒng)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(shí)加入或去掉某節(jié)車(chē)廂而不會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)工作(如圖1所示)。此外，節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)到車(chē)頭采用的是多跳方式傳輸，每個(gè)節(jié)點(diǎn)無(wú)線發(fā)射的功率不需要太大，因此可以有效節(jié)約單個(gè)節(jié)點(diǎn)的能耗，平衡整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能耗。

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

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

　　無(wú)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(wú)線通信模塊和能量供應(yīng)模塊。節(jié)點(diǎn)的作用是對(duì)軸溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行采集，并通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到車(chē)頭總控制器，同時(shí)充當(dāng)其他各節(jié)點(diǎn)到車(chē)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(chē)廂的8個(gè)軸箱上，對(duì)軸溫進(jìn)行檢測(cè)，并通過(guò)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，并控制無(wú)線通信模塊將處理好的數(shù)據(jù)通過(guò)與其連接的其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)傳送給車(chē)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(lái)的數(shù)據(jù)，并按照規(guī)則進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。

　　無(wú)線通信模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送，本設(shè)計(jì)采用nRF905模塊。nRF905是一款工作在433/868/915 MHz的單片無(wú)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(cè)輸出(CD)、數(shù)據(jù)就緒輸出(DR)、地址匹配輸出(AM)，自動(dòng)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(chē)不像客車(chē)一樣具備穩(wěn)定的供電電源，所以本設(shè)計(jì)采用電池供電，在低功耗設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，使用兩節(jié)5號(hào)堿性電池可持續(xù)工作1年左右。

　　我們?cè)跒槊抗?jié)車(chē)廂設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)時(shí)，將節(jié)點(diǎn)的硬件編號(hào)設(shè)定為車(chē)廂的編號(hào)，這樣就使節(jié)點(diǎn)與車(chē)廂形成一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，無(wú)論在何時(shí)何地系統(tǒng)在上電自組的時(shí)候都可以自動(dòng)地識(shí)別該車(chē)廂，極大地方便了車(chē)廂的管理。