基于物聯(lián)網(wǎng)的鐵路貨車軸溫監(jiān)測系統(tǒng)

　　引言

　　隨著我國鐵路沿著“高速、重載”的方向發(fā)展，鐵路系統(tǒng)的運輸能力不斷提升。貨運列車在運行過程中, 由于車軸溫度升高, 會造成熱軸、切軸或燃軸等事故發(fā)生, 嚴重影響鐵路貨車的行車安全。對貨車軸溫進行及時、準確地監(jiān)測，是保障貨車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，且容易產生誤報、漏報;車載軸溫報警器一般布置在客車的各節(jié)車廂內，需要隨車檢修師定期檢查軸溫信息，不便于軸溫數(shù)據(jù)的集中處理，而且這對于車廂沒有電源、車輛頻繁解編或編組、車廂無人值守的貨運列車來說，是不適用這種裝置的。

　　針對以上問題，本文提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)的車載軸溫監(jiān)控解決方案。該方案以 ZigBee技術為基礎，以低能耗、遠程化和實時性為設計目標，采用模塊化的設計方法，設計了軸溫采集節(jié)點模塊、機車監(jiān)控平臺及監(jiān)控中心上位機，系統(tǒng)組成框圖如圖 1所示。首先利用ZigBee技術搭建無線傳感網(wǎng)絡，實現(xiàn)軸溫數(shù)據(jù)的采集和本地傳輸，在機車部分實現(xiàn)軸溫數(shù)據(jù)的集中處理和遠程傳輸。機車監(jiān)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;以嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS-III為軟件平臺，移植了STemWin圖形界面系統(tǒng)和FATFS文件系統(tǒng)，實現(xiàn)了本地數(shù)據(jù)的顯示、存儲及傳輸?shù)裙δ?。通過SIM900A GPRS模塊與地面數(shù)據(jù)監(jiān)控中心進行通信，實現(xiàn)了遠程數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)墓δ?地面數(shù)據(jù)監(jiān)控中心上位機部分是在VC++2010和Microsoft Access2010軟件平臺上開發(fā)完成的，在C/S工作模式下，機車監(jiān)控平臺作為本地客戶端，地面監(jiān)控中心作為服務器端，雙方通過Socket通信完成數(shù)據(jù)的交換，同時監(jiān)控端實時顯示數(shù)據(jù)變化，并且不斷更新數(shù)據(jù)庫庫表，方便歷史數(shù)據(jù)的查詢與分析。

　　圖1貨車軸溫監(jiān)測系統(tǒng)的組成框圖

　　1 系統(tǒng)硬件設計

　　1.1軸溫采集節(jié)點設計

　　軸溫采集節(jié)點主要有無線通信模塊、溫度傳感單元和電源模塊組成。本文選取了TI公司的CC2530 ZigBee模塊作為無線通信模塊，CC2530內置業(yè)界領先的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(tǒng)。

　　溫度傳感單元選取了美國DALLAS半導體公司推出的數(shù)字溫度傳感器DS18B20。DS18B20只有三個引腳(GND、DQ、VDD)，通過一根數(shù)據(jù)線DQ就能輸出數(shù)字溫度值。DS18B20支持多點組網(wǎng)功能，多個DS18B20可共用一根通訊線, 以實現(xiàn)多點測溫; 具有溫度報警功能，用戶可設置報警溫度。

　　電源模塊采用一節(jié)5V的干電池供電，5V電源通過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，無線通信模塊則需要 5V 和 3.3V供電。

　　貨車的每節(jié)車廂有8個軸承，因此需要8個DS18B20檢測軸承溫度。每個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(jié)車廂還應配備1個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序控制的外部電源工作模式，單總線上一次性采集9個溫度包括8個軸承溫度和1個環(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 機車監(jiān)控平臺設計

　　機車監(jiān)控平臺硬件包括CC2530和ARM網(wǎng)關兩部分，如圖3所示。CC2530作為整個貨車無線傳感網(wǎng)絡的匯聚節(jié)點主要負責接收各節(jié)車輛的軸溫數(shù)據(jù)，然后通過UART0與網(wǎng)關進行數(shù)據(jù)交互;ARM網(wǎng)關主要包括人機交互模塊、SD卡存儲模塊和GPRS通信模塊，實現(xiàn)軸溫數(shù)據(jù)的處理、顯示、存儲和傳輸?shù)热蝿铡?/p>

　　圖3 機車監(jiān)控平臺硬件組成框圖

　　根據(jù)設計方案與經(jīng)濟因素，機車監(jiān)控平臺的網(wǎng)關主控制器選用的是ST(意法半導體)公司推出的基于ARM內核Cortex-M3的32位微控制器STM32F103ZET6，其內核架構先進，性能優(yōu)越，最高工作頻率可達 72MHz，執(zhí)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個定時器、5個USART、3路SPI接口、1個SDIO 接口、1個FSMC 接口及內部RTC，支持SDHC卡、LCD控制器等，可滿足系統(tǒng)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(jié)車廂的軸溫數(shù)據(jù)及RTC時鐘等信息通過彩色液晶屏幕實時顯示出來，機車工作人員可以通過觸摸屏來操作軟件，查詢每節(jié)車廂的詳細信息。

　　由于監(jiān)測系統(tǒng)信息量較大，為防止數(shù)據(jù)丟失，系統(tǒng)擴展了SD卡存儲電路，采用容量為8GB的SD卡模塊實現(xiàn)對軸溫數(shù)據(jù)的實時存儲，方便貨車維護人員將數(shù)據(jù)拷貝出來查看和分析歷史數(shù)據(jù)。

　　GPRS通信模塊負責主控模塊與監(jiān)控中心主機遠程通訊，系統(tǒng)采用的是SIM900A GPRS模塊。該模塊內嵌TCP/IP協(xié)議，擴展的AT命令使用戶方便的使用TCP/IP協(xié)議，這在網(wǎng)絡數(shù)據(jù)應用時非常有用。

　　2 系統(tǒng)軟件設計

　　系統(tǒng)軟件部分主要分為ZigBee無線組網(wǎng)軟件設計和STM32網(wǎng)關軟件設計。ZigBee無線組網(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(jié)點和采集節(jié)點的軟件設計;STM32網(wǎng)關部分采用嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-III，移植了STemWin圖形界面系統(tǒng)和FATFS文件系統(tǒng)，根據(jù)系統(tǒng)的應用功能對任務進行劃分，主要包括GPRS初始化任務、串口接收任務、GUI界面顯示任務、GPRS發(fā)送任務、FATFS存儲任務、觸摸屏任務、系統(tǒng)監(jiān)視任務等。

　　2.1 ZigBee無線組網(wǎng)軟件設計

　　2.1.1采集節(jié)點軟件設計

　　采集節(jié)點負責采集并發(fā)送軸承的溫度和狀態(tài)數(shù)據(jù)信息，要實現(xiàn)DS18B20的單總線多掛方式采集軸溫，必須先讀出單總線上的每個DS18B20的64位識別碼(ROM ID)。根據(jù)DS18B20工作原理，首先初始化，接著寫入“讀ROM”指令，然后通過一個8次循環(huán)將64位ROM ID依次讀取到數(shù)組中。獲得了每個DS18B20的識別碼之后，就可以在單總線中準確的控制每個DS18B20了。程序設計思路是：CC2530向DS18B20發(fā)送復位脈沖進行初始化，初始化成功之后，再向總線寫入“Skip ROM”指令，再接著寫入溫度轉換指令。等待少許延時后讀取轉換的溫度，由于要讀取9個溫度值，所以通過一個循環(huán)，每次讀取一個溫度，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

　　通過單總線方式每一次可讀取到9個溫度即8個軸溫和1個環(huán)溫，這些采集的原始數(shù)據(jù)如果不加以封裝處理，將會顯得雜亂無序，而且根本無法區(qū)分這些數(shù)字代表的意義。因此有必要將采集到的數(shù)據(jù)通過插入對應軸承號和車廂號構成一幀完整的含義明確的格式，溫度數(shù)據(jù)幀的格式如圖5所示。

　　圖5　溫度數(shù)據(jù)幀格式

　　采集節(jié)點在ZigBee無線傳感網(wǎng)絡中扮演的是既是終端也是路由器的角色。節(jié)點上電后自動完成設備初始化，然后搜素周圍的無線網(wǎng)絡，找到合適的網(wǎng)絡后向該網(wǎng)絡發(fā)送入網(wǎng)請求，若入網(wǎng)成功后，節(jié)點會在OSAL中查詢到狀態(tài)改變事件，然后在狀態(tài)改變處理函數(shù)中設置發(fā)送事件，同樣在OSAL中會查詢到該事件，接著啟動發(fā)送事件的處理函數(shù)即啟動DS18B20采集溫度數(shù)據(jù)并向父節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，等待發(fā)送5秒周期倒計完成時開啟下一輪發(fā)送。采集節(jié)點軟件設計流程如圖6所示。

　　圖6 采集節(jié)點軟件設計流程

　　2.1.2 匯聚節(jié)點軟件設計

　　匯聚節(jié)點在系統(tǒng)中起到溝通采集節(jié)點和網(wǎng)關的橋梁作用，在ZigBee無線傳感網(wǎng)絡中扮演協(xié)調器的角色。匯聚節(jié)點軟件設計流程如圖7所示，節(jié)點上電激活后，首先根據(jù)軟件配置的PAN ID和信道等參數(shù)創(chuàng)建無線傳感網(wǎng)絡，創(chuàng)建成功之后，啟動協(xié)議棧OSAL，輪詢新事件的發(fā)生。當有采集節(jié)點申請加入時，協(xié)調器會查詢到對應的事件，緊接著調用加入網(wǎng)絡事件處理函數(shù)決定收否允許加入，若允許加入成功后，協(xié)調器繼續(xù)輪詢新事件，當終端向協(xié)調器發(fā)送數(shù)據(jù)時同樣會觸發(fā)協(xié)調器接收事件，調用接收回調函數(shù)對數(shù)據(jù)封裝打包，然后通過UART0發(fā)送給網(wǎng)關。數(shù)據(jù)發(fā)送完畢觸發(fā)接收完成事件，OSAL查詢到該事件之后系統(tǒng)又開始不斷輪詢新的接收事件，準備下一輪發(fā)送。

　　圖7　匯聚節(jié)點軟件設計流程