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

　　引言

　　隨著我國(guó)鐵路沿著“高速、重載”的方向發(fā)展，鐵路系統(tǒng)的運(yùn)輸能力不斷提升。貨運(yùn)列車在運(yùn)行過程中, 由于車軸溫度升高, 會(huì)造成熱軸、切軸或燃軸等事故發(fā)生, 嚴(yán)重影響鐵路貨車的行車安全。對(duì)貨車軸溫進(jìn)行及時(shí)、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)，是保障貨車安全運(yùn)行的重要手段。

　　目前軸承的故障檢測(cè)裝置主要有紅外軸溫探測(cè)器和車載軸溫報(bào)警器等。紅外軸溫探測(cè)器是利用紅外探頭接收軸承的熱輻射，并使之轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào);它需要安裝在軌道兩旁，在檢測(cè)和故障處理上有一定的滯后性，且容易產(chǎn)生誤報(bào)、漏報(bào);車載軸溫報(bào)警器一般布置在客車的各節(jié)車廂內(nèi)，需要隨車檢修師定期檢查軸溫信息，不便于軸溫?cái)?shù)據(jù)的集中處理，而且這對(duì)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(yùn)列車來說，是不適用這種裝置的。

　　針對(duì)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(shù)為基礎(chǔ)，以低能耗、遠(yuǎn)程化和實(shí)時(shí)性為設(shè)計(jì)目標(biāo)，采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)了軸溫采集節(jié)點(diǎn)模塊、機(jī)車監(jiān)控平臺(tái)及監(jiān)控中心上位機(jī)，系統(tǒng)組成框圖如圖 1所示。首先利用ZigBee技術(shù)搭建無線傳感網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)軸溫?cái)?shù)據(jù)的采集和本地傳輸，在機(jī)車部分實(shí)現(xiàn)軸溫?cái)?shù)據(jù)的集中處理和遠(yuǎn)程傳輸。機(jī)車監(jiān)控平臺(tái)以高性能的ARM Cortex-M3微處理器STM32F103ZET6為硬件核心，擴(kuò)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(tǒng)μC/OS-III為軟件平臺(tái)，移植了STemWin圖形界面系統(tǒng)和FATFS文件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了本地?cái)?shù)據(jù)的顯示、存儲(chǔ)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(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)墓δ?地面數(shù)據(jù)監(jiān)控中心上位機(jī)部分是在VC++2010和Microsoft Access2010軟件平臺(tái)上開發(fā)完成的，在C/S工作模式下，機(jī)車監(jiān)控平臺(tái)作為本地客戶端，地面監(jiān)控中心作為服務(wù)器端，雙方通過Socket通信完成數(shù)據(jù)的交換，同時(shí)監(jiān)控端實(shí)時(shí)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(cè)系統(tǒng)的組成框圖

　　1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　1.1軸溫采集節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

　　軸溫采集節(jié)點(diǎn)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(nèi)置業(yè)界領(lǐng)先的RF轉(zhuǎn)發(fā)器，并結(jié)合增強(qiáng)型的8051內(nèi)核MCU。CC2530具有256KB Flash ROM、8KB RAM、兩個(gè)UART接口并可復(fù)用的SPI接口、8通道的ADC并具有不同電源運(yùn)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(guó)DALLAS半導(dǎo)體公司推出的數(shù)字溫度傳感器DS18B20。DS18B20只有三個(gè)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(diǎn)組網(wǎng)功能，多個(gè)DS18B20可共用一根通訊線, 以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)溫; 具有溫度報(bào)警功能，用戶可設(shè)置報(bào)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(gè)軸承，因此需要8個(gè)DS18B20檢測(cè)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，通過熱量傳導(dǎo)就可以檢測(cè)溫度了。除了檢測(cè)軸承絕對(duì)溫度之外，每節(jié)車廂還應(yīng)配備1個(gè)DS18B20用于檢測(cè)環(huán)境溫度，以設(shè)定相對(duì)溫度報(bào)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(jī)車監(jiān)控平臺(tái)設(shè)計(jì)

　　機(jī)車監(jiān)控平臺(tái)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)貨車無線傳感網(wǎng)絡(luò)的匯聚節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)接收各節(jié)車輛的軸溫?cái)?shù)據(jù)，然后通過UART0與網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互;ARM網(wǎng)關(guān)主要包括人機(jī)交互模塊、SD卡存儲(chǔ)模塊和GPRS通信模塊，實(shí)現(xiàn)軸溫?cái)?shù)據(jù)的處理、顯示、存儲(chǔ)和傳輸?shù)热蝿?wù)。

　　圖3 機(jī)車監(jiān)控平臺(tái)硬件組成框圖

　　根據(jù)設(shè)計(jì)方案與經(jīng)濟(jì)因素，機(jī)車監(jiān)控平臺(tái)的網(wǎng)關(guān)主控制器選用的是ST(意法半導(dǎo)體)公司推出的基于ARM內(nèi)核Cortex-M3的32位微控制器STM32F103ZET6，其內(nèi)核架構(gòu)先進(jìn)，性能優(yōu)越，最高工作頻率可達(dá) 72MHz，執(zhí)行效率高，并擁有豐富的外設(shè)資源。該芯片具有 64KB 的SRAM和512KB的FLASH，支持SDRAM和NAND FLASH擴(kuò)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(nèi)部RTC，支持SDHC卡、LCD控制器等，可滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求。

　　人機(jī)交互模塊主要設(shè)計(jì)了 TFT-LCD 液晶屏接口電路，將GPRS狀態(tài)、各節(jié)車廂的軸溫?cái)?shù)據(jù)及RTC時(shí)鐘等信息通過彩色液晶屏幕實(shí)時(shí)顯示出來，機(jī)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(xì)信息。

　　由于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)信息量較大，為防止數(shù)據(jù)丟失，系統(tǒng)擴(kuò)展了SD卡存儲(chǔ)電路，采用容量為8GB的SD卡模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)軸溫?cái)?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，方便貨車維護(hù)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(fù)責(zé)主控模塊與監(jiān)控中心主機(jī)遠(yuǎn)程通訊，系統(tǒng)采用的是SIM900A GPRS模塊。該模塊內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，擴(kuò)展的AT命令使用戶方便的使用TCP/IP協(xié)議，這在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)應(yīng)用時(shí)非常有用。

　　2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)軟件部分主要分為ZigBee無線組網(wǎng)軟件設(shè)計(jì)和STM32網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計(jì)。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(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議棧Zstack-CC2530-2.5.1a，主要包括匯聚節(jié)點(diǎn)和采集節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì);STM32網(wǎng)關(guān)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(yīng)用功能對(duì)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(chǔ)任務(wù)、觸摸屏任務(wù)、系統(tǒng)監(jiān)視任務(wù)等。

　　2.1 ZigBee無線組網(wǎng)軟件設(shè)計(jì)

　　2.1.1采集節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

　　采集節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集并發(fā)送軸承的溫度和狀態(tài)數(shù)據(jù)信息，要實(shí)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(gè)DS18B20的64位識(shí)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(gè)8次循環(huán)將64位ROM ID依次讀取到數(shù)組中。獲得了每個(gè)DS18B20的識(shí)別碼之后，就可以在單總線中準(zhǔn)確的控制每個(gè)DS18B20了。程序設(shè)計(jì)思路是：CC2530向DS18B20發(fā)送復(fù)位脈沖進(jìn)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(zhuǎn)換指令。等待少許延時(shí)后讀取轉(zhuǎn)換的溫度，由于要讀取9個(gè)溫度值，所以通過一個(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(shè)計(jì)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(gè)溫度即8個(gè)軸溫和1個(gè)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(huì)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(duì)應(yīng)軸承號(hào)和車廂號(hào)構(gòu)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(diǎn)在ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)中扮演的是既是終端也是路由器的角色。節(jié)點(diǎn)上電后自動(dòng)完成設(shè)備初始化，然后搜素周圍的無線網(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(qǐng)求，若入網(wǎng)成功后，節(jié)點(diǎn)會(huì)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(shè)置發(fā)送事件，同樣在OSAL中會(huì)查詢到該事件，接著啟動(dòng)發(fā)送事件的處理函數(shù)即啟動(dòng)DS18B20采集溫度數(shù)據(jù)并向父節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，等待發(fā)送5秒周期倒計(jì)完成時(shí)開啟下一輪發(fā)送。采集節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)流程如圖6所示。

　　圖6 采集節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)流程

　　2.1.2 匯聚節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

　　匯聚節(jié)點(diǎn)在系統(tǒng)中起到溝通采集節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)的橋梁作用，在ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)中扮演協(xié)調(diào)器的角色。匯聚節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)流程如圖7所示，節(jié)點(diǎn)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(luò)，創(chuàng)建成功之后，啟動(dòng)協(xié)議棧OSAL，輪詢新事件的發(fā)生。當(dāng)有采集節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)加入時(shí)，協(xié)調(diào)器會(huì)查詢到對(duì)應(yīng)的事件，緊接著調(diào)用加入網(wǎng)絡(luò)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(diào)器繼續(xù)輪詢新事件，當(dāng)終端向協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)同樣會(huì)觸發(fā)協(xié)調(diào)器接收事件，調(diào)用接收回調(diào)函數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)封裝打包，然后通過UART0發(fā)送給網(wǎng)關(guān)。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(zhǔn)備下一輪發(fā)送。

　　圖7　匯聚節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)流程