基于ZigBee的便攜式無(wú)線(xiàn)列車(chē)軸溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

袁 航，高軍偉，張 震，張 彬

（青島大學(xué) 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，青島 266071）

0 引言

車(chē)軸是帶動(dòng)車(chē)輪運(yùn)動(dòng)的軸承，普通的列車(chē)車(chē)軸一般是實(shí)心的，動(dòng)車(chē)組為了追求輕量化車(chē)身，車(chē)軸是中空結(jié)構(gòu)。一個(gè)車(chē)廂有兩個(gè)轉(zhuǎn)向架，一個(gè)轉(zhuǎn)向架有兩組車(chē)輪，四個(gè)軸端[1]。在列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中，由于機(jī)械運(yùn)動(dòng)摩擦產(chǎn)生熱量，車(chē)軸的溫度會(huì)有些許升高，這屬于正?，F(xiàn)象。當(dāng)遇到惡劣的天氣，或者列車(chē)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不正常時(shí)，列車(chē)軸溫會(huì)急劇升高，如果不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)、檢修，很有可能發(fā)生燃軸事故[2]。我國(guó)高鐵技術(shù)一直位列世界先進(jìn)水平，隨著列車(chē)速度的不斷提高，列車(chē)軸溫監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性變得尤為重要。目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最多的軸溫監(jiān)測(cè)方式是紅外線(xiàn)軸溫探測(cè)系統(tǒng)，該方式是在鋼軌上每隔一定的距離安置一個(gè)紅外線(xiàn)探頭獲取軸溫信息，具有一定的滯后性，出現(xiàn)故障后不利于列車(chē)的安全運(yùn)行。有許多廠商對(duì)紅外線(xiàn)探測(cè)方式進(jìn)行了一些改進(jìn)，還有一些新興的軸溫探測(cè)技術(shù)正向著車(chē)載智能的方向發(fā)展，以提高軸溫探測(cè)的準(zhǔn)確性，確保監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性。當(dāng)車(chē)輛自身的某個(gè)終端軸溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，為了列車(chē)?yán)^續(xù)安全運(yùn)行，需要安裝應(yīng)急式的軸溫監(jiān)測(cè)裝置。近些年隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展、ZigBee技術(shù)的日趨成熟和智能傳感器的廣泛使用給軸溫傳感器帶來(lái)了新的思路[3,4]。本設(shè)計(jì)提出的基于ZigBee開(kāi)發(fā)平臺(tái)的軸溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)易于安裝，節(jié)省時(shí)間，功耗低，實(shí)現(xiàn)了故障終端溫度數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)無(wú)線(xiàn)傳輸、監(jiān)測(cè)，給列車(chē)安全運(yùn)行提供了有力的保障。

1 便攜式無(wú)線(xiàn)軸溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

當(dāng)列車(chē)的軸溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)出現(xiàn)報(bào)警或故障，機(jī)械師下車(chē)檢查車(chē)軸溫度情況和列車(chē)軸溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)終端故障情況。如果車(chē)軸出現(xiàn)激熱，列車(chē)需要就近到站點(diǎn)更換車(chē)底。如果車(chē)軸溫度完全正常，說(shuō)明是自身監(jiān)測(cè)系統(tǒng)終端故障[5]。當(dāng)出現(xiàn)以上兩種情況時(shí)，需要安裝應(yīng)急式的便攜式無(wú)線(xiàn)軸溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以保證列車(chē)安全運(yùn)行。便攜式無(wú)線(xiàn)軸溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由多個(gè)車(chē)軸溫度采集終端、協(xié)調(diào)器和上位機(jī)PC終端組成?？傮w結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖一所示，傳感器在收到上位機(jī)通過(guò)協(xié)調(diào)器以廣播的形式發(fā)送到采集終端的指令后進(jìn)行初始化，經(jīng)過(guò)短暫的延遲后開(kāi)始收集列車(chē)的軸溫?cái)?shù)據(jù)，在自身完成溫度轉(zhuǎn)換后將溫度數(shù)據(jù)打包發(fā)送到ZigBee采集終端節(jié)點(diǎn)，采集終端將溫度數(shù)據(jù)以點(diǎn)播的方式發(fā)送到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)匯總各個(gè)車(chē)軸溫度采集終端傳送的溫度數(shù)據(jù)，然后通過(guò)串口通信的方式發(fā)送到上位機(jī)顯示，監(jiān)測(cè)人員可以在列車(chē)車(chē)廂內(nèi)PC端隨時(shí)觀察列車(chē)的軸溫變化情況。

圖1 便攜式無(wú)線(xiàn)軸溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 便攜式無(wú)線(xiàn)軸溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 ZigBee技術(shù)

ZigBee是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的局域網(wǎng)協(xié)議的短距離、低成本、自組網(wǎng)無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，工作頻段為2.4GHz，屬于無(wú)執(zhí)照范圍。ZigBee協(xié)議分為兩個(gè)部分：IEEE802.15.4定義了物理層（PHY）和媒體訪問(wèn)控制（MAC）層；ZigBee聯(lián)盟定義了網(wǎng)絡(luò)層（NWK）、傳輸層（TL）和應(yīng)用層（APL）[6]。表1為ZigBee技術(shù)與其他常見(jiàn)無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)的對(duì)比。通過(guò)表一可以看出ZigBee傳輸速度較慢，但是組網(wǎng)簡(jiǎn)單、靈活，功耗低，適用于傳感器網(wǎng)絡(luò)。

ZigBee的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫问接袠?shù)形拓?fù)?、網(wǎng)狀拓?fù)浜托切屯負(fù)?，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式如圖二。網(wǎng)狀拓?fù)浜蜆?shù)形拓?fù)渑c星型拓?fù)湎啾?，組網(wǎng)方式比較復(fù)雜，存在路由節(jié)點(diǎn)，信息傳遞都必須要經(jīng)過(guò)路由節(jié)點(diǎn)。兩者區(qū)別在于網(wǎng)狀拓?fù)涞穆酚勺庸?jié)點(diǎn)之間可以進(jìn)行信息傳遞，樹(shù)形拓?fù)涞穆酚勺庸?jié)點(diǎn)只能與父節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)傳遞信息。星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，包括一個(gè)協(xié)調(diào)器和一系列終端節(jié)點(diǎn)，每個(gè)終端節(jié)點(diǎn)只和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通訊。根據(jù)軸溫監(jiān)測(cè)應(yīng)用的實(shí)際情況，本設(shè)計(jì)選擇星型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

2.2 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)中有三種節(jié)點(diǎn)：協(xié)調(diào)器（Coordinator）、路由器（Router）和終端設(shè)備（EndDevice）[7]。本設(shè)計(jì)包含協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)，車(chē)軸溫度采集終端屬于終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)。在安裝便攜式無(wú)線(xiàn)軸溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)時(shí)，車(chē)軸溫度采集終端安裝在出現(xiàn)軸溫監(jiān)測(cè)故障的車(chē)廂車(chē)軸終端，協(xié)調(diào)器按照星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的原則，安裝在離各個(gè)車(chē)軸溫度采集終端最近的車(chē)廂機(jī)械室。

協(xié)調(diào)器和車(chē)軸溫度采集終端選用美國(guó)TI公司新一代ZigBee處理器CC2530。CC2530芯片內(nèi)置增強(qiáng)型8051內(nèi)核，在本設(shè)計(jì)中可實(shí)現(xiàn)片上處理溫度數(shù)據(jù)，工作環(huán)境溫度為-40℃～125℃，符合軸溫監(jiān)測(cè)環(huán)境的需要[8]。

圖2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞绞?/p>

2.3 協(xié)調(diào)器硬件設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與PC端通信方式為串口通信，考慮到USB接口的易操作性和普遍性，本設(shè)計(jì)在主芯片外圍增設(shè)了PL2303HX芯片實(shí)現(xiàn)了Uart接口和USB接口的轉(zhuǎn)換。PL2303HX接口轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。USB接口的電壓為+5V直流電，符合協(xié)調(diào)器的供電標(biāo)準(zhǔn)，PC端可以直接給協(xié)調(diào)器供電。增設(shè)TTL接口，用來(lái)連接TFT彩屏模塊。協(xié)調(diào)器上電后，TFT屏幕顯示組網(wǎng)信息。

表1 無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)比較

2.4 車(chē)軸溫度采集終端硬件設(shè)計(jì)

車(chē)軸溫度采集終端如圖4所示，包括DS18B20數(shù)字溫度傳感器、ZigBee芯片CC2530和電池電源供給模塊[9]。本設(shè)計(jì)采用的軸溫傳感器是直接接觸式數(shù)字傳感器DS18B20，該傳感器具有體積小、抗干擾能力強(qiáng)、精度高，成本低等優(yōu)點(diǎn)[10]。測(cè)溫范圍是-55℃～125℃，符合軸溫監(jiān)測(cè)要求。DS18B20采用單總線(xiàn)設(shè)計(jì)，有三個(gè)引腳分別是VCC、DQ和GND，DQ為通訊傳輸引腳，溫度數(shù)據(jù)通過(guò)該線(xiàn)傳輸?shù)紺C2530的片上處理器。DS18B20引腳輸出為數(shù)字量，方便CC2530的MCU單元處理。在本設(shè)計(jì)中車(chē)軸溫度采集終端采用電池供電，兩節(jié)電池可以支撐一個(gè)采集節(jié)點(diǎn)常規(guī)使用半年左右，在本設(shè)計(jì)的情況下可以實(shí)現(xiàn)反復(fù)多次使用。

圖3 PL2303HX接口轉(zhuǎn)換電路

圖4 車(chē)軸溫度采集終端結(jié)構(gòu)圖

圖5 功放電路圖

2.5 功放電路設(shè)計(jì)

考慮實(shí)際情況，如果車(chē)頭和車(chē)尾的車(chē)軸出現(xiàn)軸溫監(jiān)測(cè)故障，將協(xié)調(diào)器安裝在中間車(chē)廂，協(xié)調(diào)器和采集終端最遠(yuǎn)距離可達(dá)到100m以上，而普通的CC2530芯片的穩(wěn)定通信距離最多到達(dá)50m。為了滿(mǎn)足需要，在ZigBee芯片外圍增加了以RFX2401C為芯片的PA功放電路，增大發(fā)射功率，阻抗匹配50Ω，進(jìn)而提高無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)木嚯x和穩(wěn)定性。功放電路如圖5所示，功放電路由巴倫電路和RFX2401C組成。巴倫電路的原理是使平衡信號(hào)和不平衡信號(hào)互相轉(zhuǎn)換[11]。CC2530發(fā)出的射頻信號(hào)是雙向差分形式，因此需要巴倫電路將雙端口轉(zhuǎn)化成單端口，然后接入功率放大器RF2401C。功率放大器RF2401C的ANT端口為天線(xiàn)輸入接口，接入單極天線(xiàn)后，由天線(xiàn)發(fā)射放大處理后的射頻信號(hào)。

3 便攜式無(wú)線(xiàn)軸溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

便攜式無(wú)線(xiàn)軸溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括下位機(jī)CC2530的程序開(kāi)發(fā)和PC端上位機(jī)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)兩部分。下位機(jī)CC2530程序開(kāi)發(fā)主要實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)器和采集終端的組網(wǎng)，以及對(duì)溫度的采集和無(wú)線(xiàn)傳輸。上位機(jī)監(jiān)控軟件主要實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)列車(chē)軸端溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

3.1 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)下位機(jī)的程序開(kāi)發(fā)環(huán)境為嵌入式開(kāi)發(fā)工具IAR Embedded Workbench。IAR支持多種微處理器，兼容匯編語(yǔ)言和C語(yǔ)言，方便調(diào)試ZigBee。下位機(jī)的程序開(kāi)發(fā)主要是在IAR中使用TI公司自帶的ZigBee協(xié)議棧—Zstack。Zstack中有豐富的函數(shù)庫(kù)，可直接用于調(diào)用，再根據(jù)官方給出的程序例程，結(jié)合軸溫監(jiān)測(cè)的需要，移植DS18B20溫度傳感器的程序。協(xié)調(diào)器、車(chē)軸溫度采集終端和DS18B20溫度傳感器的程序在IAR的環(huán)境下編譯成功后，連接ZigBee仿真器SmartRF04EB燒寫(xiě)入程序，最后進(jìn)行實(shí)地調(diào)試。

DS18B20溫度傳感器有著嚴(yán)格的時(shí)序要求，包括初始化時(shí)序、寫(xiě)時(shí)序和讀時(shí)序。在給DS18B20編寫(xiě)程序時(shí)，要按照時(shí)序的要求執(zhí)行操作。采集終端中CC2530的CPU控制DS18B20的執(zhí)行操作，先發(fā)送復(fù)位脈沖，使DS18B20初始化，再寫(xiě)入跳過(guò)ROM指令、發(fā)送溫度轉(zhuǎn)換指令，然后再執(zhí)行復(fù)位，匹配ROM，最后寫(xiě)ROM，讀RAM溫度數(shù)據(jù)。利用協(xié)議棧里的定時(shí)器，規(guī)定車(chē)軸溫度采集終端每隔1秒向協(xié)調(diào)器發(fā)送一次數(shù)據(jù)。具體車(chē)軸溫度采集終端的軟件流程圖如圖6所示。

協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)組建ZigBee網(wǎng)絡(luò)，是網(wǎng)絡(luò)的核心設(shè)備。將協(xié)調(diào)器連接到計(jì)算機(jī)以后，協(xié)調(diào)器自動(dòng)進(jìn)行信道搜索完成網(wǎng)絡(luò)初始化，然后設(shè)定采集終端的地址和網(wǎng)絡(luò)參數(shù)[12]。組網(wǎng)成功后自動(dòng)接收來(lái)自各個(gè)采集終端的溫度數(shù)據(jù)，通過(guò)串口通信發(fā)送到PC端的上位機(jī)顯示。協(xié)調(diào)器的軟件流程圖如圖7所示。

圖6 車(chē)軸溫度采集終端流程圖

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)監(jiān)控軟件采用C++語(yǔ)言編寫(xiě)，開(kāi)發(fā)環(huán)境為微軟公司的Visual Studio平臺(tái)，支持同時(shí)監(jiān)測(cè)四個(gè)溫度采集終端。監(jiān)測(cè)界面有串口號(hào)的選擇，打開(kāi)串口后，系統(tǒng)即開(kāi)始運(yùn)行。下位機(jī)波特率通過(guò)IAR軟件設(shè)定為115200，監(jiān)控界面默認(rèn)波特率為115200。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，監(jiān)測(cè)界面有每個(gè)采集終端的實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)顯示和溫度趨勢(shì)圖像顯示。在溫度趨勢(shì)圖中，x軸為時(shí)間，y軸為溫度。車(chē)輛管理人員可以向左移動(dòng)x軸查閱圖像上暫存的歷史溫度數(shù)據(jù)。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試及結(jié)果分析

便攜式無(wú)線(xiàn)軸溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件環(huán)境為一臺(tái)筆記本計(jì)算機(jī)、ZigBee協(xié)調(diào)器、車(chē)軸溫度采集終端和電池電源，將協(xié)調(diào)器連接到筆記本計(jì)算機(jī)，并用電池電源給車(chē)軸溫度采集終端供電。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)采用星型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，根據(jù)列車(chē)車(chē)廂以及周?chē)h(huán)境的實(shí)地情況，在控制工程實(shí)驗(yàn)室模擬出系統(tǒng)設(shè)備在現(xiàn)場(chǎng)使用的環(huán)境。

協(xié)調(diào)器和車(chē)軸溫度采集終端上電以后，車(chē)軸溫度采集終端會(huì)自動(dòng)搜索網(wǎng)絡(luò)并綁定離自己最近的協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的TFT屏在上電后會(huì)顯示組網(wǎng)信息，通過(guò)查看TFT屏幕的組網(wǎng)信息可以判斷組網(wǎng)是否成功。如圖八是上電后的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)實(shí)物圖，圖9是車(chē)軸溫度采集終端實(shí)物圖。

圖7 協(xié)調(diào)器流程圖

圖8 協(xié)調(diào)器實(shí)物圖

組網(wǎng)成功后，車(chē)軸溫度采集終端自動(dòng)打包溫度數(shù)據(jù)并以點(diǎn)播的方式通過(guò)RF射頻端發(fā)送到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。打開(kāi)軟件啟動(dòng)上位機(jī)程序，首先設(shè)置與協(xié)調(diào)器串口通信時(shí)的串口號(hào)，設(shè)置成功后開(kāi)始讀取協(xié)調(diào)器發(fā)送的溫度數(shù)據(jù)，點(diǎn)擊自動(dòng)刷新，四個(gè)車(chē)軸溫度采集終端溫度會(huì)實(shí)時(shí)顯示，并且自動(dòng)繪制溫度趨勢(shì)圖，溫度數(shù)據(jù)每隔1秒刷新一次。上位機(jī)程序監(jiān)測(cè)溫度數(shù)據(jù)結(jié)果如圖10所示。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，上位機(jī)程序運(yùn)行穩(wěn)定，傳感器采集溫度正常，當(dāng)測(cè)試距離100m時(shí)，溫度數(shù)據(jù)傳輸正常，丟包率低于1%，符合應(yīng)急軸溫監(jiān)測(cè)的需要。

圖9 車(chē)軸溫度采集終端實(shí)物圖

圖10 軸溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上位機(jī)運(yùn)行結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)針對(duì)鐵路運(yùn)輸?shù)奶攸c(diǎn)和需求，提出一種應(yīng)急式的可以快速安裝的便攜式無(wú)線(xiàn)軸溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案：使用數(shù)字溫度傳感器DS18B20檢測(cè)軸溫，并借助無(wú)線(xiàn)通信ZigBee技術(shù)傳輸溫度數(shù)據(jù)，最后通過(guò)串口通信發(fā)送至上位機(jī)顯示。該系統(tǒng)體積小，易于安裝，操作簡(jiǎn)單。監(jiān)測(cè)界面簡(jiǎn)潔易懂，方便車(chē)輛管理人員使用。模擬實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)軸溫的變化，當(dāng)列車(chē)某幾節(jié)車(chē)廂的軸溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，安裝便攜式無(wú)線(xiàn)軸溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以保證故障車(chē)廂軸溫處于正常監(jiān)控狀態(tài)，繼而保障了列車(chē)的正點(diǎn)、安全運(yùn)行。

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