基于RFID的列車輪對識別與振動監(jiān)控系統(tǒng)設計

李 哲，高軍偉，張柏娜

(青島大學自動化學院,山東青島 266071)

0 引言

鐵路是綜合交通運輸體系的骨干和主要交通方式，列車輪對作為承載列車運行的重要走行部件，在列車行駛過程中，會接受撞擊、循環(huán)應力、摩擦以及高低溫等影響，很容易造成輪對踏面磨損、裂紋和剝離等傷損現(xiàn)象，對列車安全運行造成巨大隱患[1]。

長久以來，我國列車采用的是傳統(tǒng)的計劃預防檢修制度，主要是定期檢修和事后維修為主，在維修時加強對輪對的檢查，對出現(xiàn)故障的輪對及時進行更換和鏇修[2]。這種檢修制度存在一些弊端，列車檢修過頻，修時過長，導致了車輛的利用率降低；過剩維修嚴重，造成維修成本的增加，不利于車輛可靠性的提高[3]。面對當前列車的高速發(fā)展速度，現(xiàn)有的檢修制度難免遇到一些挑戰(zhàn)，亟需一種準確的、高效的檢測手段。

當今時代，互聯(lián)網(wǎng)通信技術的進步，物聯(lián)網(wǎng)技術的出現(xiàn)，為傳統(tǒng)工業(yè)向智能化變革提供了技術條件[4]。射頻識別技術(RFID)是智能化物聯(lián)網(wǎng)的核心技術，將它應用到列車監(jiān)控中來，從列車運行的關鍵部件輪對入手，進而推廣到其他結構件，對實現(xiàn)列車監(jiān)控向數(shù)字化、自動化、網(wǎng)絡化、智能化的變革具有重大意義。

1 RFID技術簡介

RFID技術利用無線射頻方式在閱讀器和電子標簽之間進行非接觸雙向數(shù)據(jù)傳輸，以達到目標識別和數(shù)據(jù)交換的目的。系統(tǒng)主要由3部分組成，包括電子標簽、讀寫器、天線以及后臺應用系統(tǒng)[5]。

工作原理是將儲存著輪對信息的電子標簽安裝到車輪的合適位置，天線安裝在軌道旁邊，當裝有電子標簽的列車行駛到天線的工作范圍時，輪對上的電子標簽獲得能量被激活，將自身標識信息以載波信號的形式通過天線調(diào)節(jié)器發(fā)送出去。讀寫器接收到電子標簽的載波信號后，對信號進行解調(diào)和解碼，然后送到后臺主系統(tǒng)進行相關處理[6]。主系統(tǒng)根據(jù)邏輯運算判斷該卡的合法性，若數(shù)據(jù)合法，便可獲得電子標簽中的信息。

RFID技術不僅穩(wěn)定可靠，讀寫迅速，成本低廉，同時讀取間隔遠，生命周期長，防水防磁，耐高溫，可動態(tài)實時通信。憑借這些優(yōu)點，RFID技術已經(jīng)廣泛地應用在醫(yī)療、物流、倉庫等各個領域中，為物品的精準識別提供了解決方案。

2 系統(tǒng)概述

利用RFID技術可以實現(xiàn)輪對的識別、定位和通信，若能再與故障診斷技術結合起來，便可以形成全面的輪對設備監(jiān)管網(wǎng)絡。針對輪對的故障診斷，傳統(tǒng)方法主要有噪聲檢測、圖像檢測、超聲波檢測、電信號檢測、振動檢測[7]。

本文選用基于加速度的振動檢測技術，通過加速度傳感器采集振動加速度信號。通過對振動信號的分析處理便可以提取出與輪對故障相關的特征信息[8]。

通過將電子標簽和加速度傳感器安裝在列車輪對上，在RFID讀寫器獲取的電子標簽數(shù)據(jù)識別到輪對位置的同時采集振動信號，通過對振動信號處理和分析判斷故障車輪，實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)綜合報警。系統(tǒng)設計方案如圖1所示，首先根據(jù)系統(tǒng)的要求進行分析，選擇對應系統(tǒng)標準的硬件，構建了下位機硬件平臺和相應的上位機程序，逐步搭建了系統(tǒng)。

圖1 系統(tǒng)設計方案

3 系統(tǒng)硬件設計

RFID輪對智能監(jiān)控系統(tǒng)分為輪對識別和振動信號2部分，硬件采用模塊化設計，主要包括控制模塊、射頻模塊、電子標簽；傳感器模塊、信號調(diào)理模塊、信號采集模塊以及上位機。圖2為基于RFID的列車輪對智能監(jiān)控系統(tǒng)的硬件結構框圖。

圖2 系統(tǒng)硬件結構框圖

3.1 RFID識別設計

3.1.1 射頻模塊

射頻模塊是RFID中讀寫器的主要部分，以射頻收發(fā)芯片Impinj R2000為核心，R2000支持ISO18000-6C協(xié)議，工作頻率在840～960 MHz，采用0.18 μm Sige BiCMOS工藝，低功耗，集成度高，包括低噪聲放大器，混頻器，可變增益放大器，A/D、D/A轉換器，實現(xiàn)射頻信號的接收發(fā)送、調(diào)制解調(diào)、濾波、數(shù)模轉換，并且內(nèi)部還有一個功率放大器(PA)，以此增加識別距離。

3.1.2 控制模塊

控制模塊主要是對射頻芯片傳輸?shù)男盘柦獯a，獲得電子標簽的消息，也將上位機寫入到電子標簽的信息解碼后發(fā)給射頻芯片，完成對電子標簽數(shù)據(jù)的讀寫[9]?？刂颇K主要采用AT91SAM7S256嵌入式芯片，它是ARM7系列32位RISC處理器，集成了256 KB字節(jié)高速Flash、64 KB字節(jié)高速SRAM，通過4線方式與Indy R2000讀寫數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)按照一幀32位的串行傳輸，它與上位機的通信采用串口通信(RS232)的方式。

3.1.3 電子標簽

電子標簽是RFID中數(shù)據(jù)的載體，由射頻前端、模擬前端、存儲器以及數(shù)字基帶組成[10]。標簽的選型是否恰當對識別的準確度有很大的影響，不同類型的電子標簽適應不同的環(huán)境?？紤]到列車輪對為鋼鐵材料，為了信息的傳遞不受到金屬的干擾，系統(tǒng)選取超高頻無源抗金屬標簽，其壽命長、體積小，抗干擾能力強，支持ISO1800-6C協(xié)議，符合輪對識別中對速度和精度的要求。

3.2 振動采集設計

3.2.1 傳感器

振動加速度傳感器可以將機械的相對運動轉換為電信號。系統(tǒng)采用CA-YD-186壓電式振動傳感器，CA-YD-186靈敏度高，抗干擾性能好，適合高頻振動信號的測量。

3.2.2 信號調(diào)理模塊

信號調(diào)理模塊將采集到的原始電壓信號，進行信號放大、隔離、濾波、多路轉換等，從而提高采集數(shù)據(jù)的準確性和穩(wěn)定性[11]。系統(tǒng)采用YE3822A信號調(diào)理器，通過對采集到的電壓信號隔離和放大，達到信號采集模塊的輸入范圍。

3.2.3 信號采集模塊

信號采集選用USB-6009數(shù)據(jù)采集卡，集成了多路選擇器、逐次逼近型AD、USB微控制器和一個先入先出的FIFO，內(nèi)部具體結構如圖3所示。采集卡通過USB2.0接口將采集的振動數(shù)據(jù)上傳到上位機，實現(xiàn)與上位機監(jiān)控系統(tǒng)的通信。

圖3 USB-6009內(nèi)部結構圖

4 系統(tǒng)軟件設計

主要采用Visual Studio 2013的.NET平臺設計，開發(fā)了上位機應用軟件，設計輪對的編碼規(guī)則，并設計了防沖突算法，解決了標簽的沖突問題，通過調(diào)用Measurement Studio的庫，建立了與NI數(shù)據(jù)采集卡的接口，實現(xiàn)了對振動信號的采集、傳輸并以波形圖顯示在監(jiān)控頁面。

4.1 防沖突算法設計

在列車運行到系統(tǒng)的工作范圍時，會存在多個電子標簽收到能量被激活，這些標簽如果同時向控制模塊發(fā)送輪對的信息，便會使得信號的傳輸發(fā)生沖突，導致控制器無法接收到正確的信號，這便產(chǎn)生了標簽沖突問題。目前常用的防沖突算法有2種，分別是ALOHA算法和二進制搜索算法[12]。

ISO18000-6C協(xié)議采用的是時隙ALOHA算法，又稱Q值防沖突算法。通過標簽中存有數(shù)據(jù)中的時隙值的隨機數(shù)來達到防碰撞目的[13]。若待識別的標簽數(shù)為n，幀長為L，在[0，L]范圍內(nèi)產(chǎn)生隨機數(shù)，第i個時隙中標簽數(shù)為m，則第i個時隙中有r個標簽的概率P為

(1)

當r=1時，第i個時隙僅有1個標簽，表示該時隙為成功時隙，此時概率P為

(2)

一幀內(nèi)有成功時隙的期望E為

(3)

系統(tǒng)的吞吐率s為

(4)

即

(5)

則當標簽數(shù)目n和幀長L近似相等時，系統(tǒng)的識別率達到最大。

(6)

Q值防沖突算法令幀長L等于2Q，通過判斷識別幀內(nèi)空閑和碰撞時隙的數(shù)目，結合步長調(diào)整Q值，使得幀長達到最佳值，減少了碰撞概率，使系統(tǒng)在不同的標簽數(shù)目范圍內(nèi)都能實現(xiàn)比較好的識別性能。Q值防沖突算法流程圖如圖4所示。

圖4 防沖突算法流程

4.2 輪對的編碼設計

電子標簽內(nèi)部有4個存儲區(qū)：TID區(qū)、EPC區(qū)、User區(qū)、密碼區(qū)。本系統(tǒng)使用標簽的EPC區(qū)寫入輪對的唯一編制識別碼，用來標識輪對信息。EPC存儲容量有12個字節(jié)，可存24個十六進制數(shù)，輪對信息包括4個內(nèi)容，具體編碼信息見表1。

如當定義信息為“0230C******* ”時，指的是車型為敞車，車號為“******* ”的第2號車廂，第3個輪對。

表1 輪對信息自定義編碼

其中C代表敞車，最后7位為車號，采用的是中國鐵路對列車車種車號的編碼規(guī)范，該編碼方式具有唯一性。

4.3 與數(shù)據(jù)采集卡接口

Visual Studio 2013.NET自身沒有連接NI數(shù)據(jù)采集卡的工具，系統(tǒng)搭配Measurement Studio混合完成編程。NI Measurement Studio為VS 2013.NET環(huán)境提供了一個集成式套件，涵蓋了各種常用的測量和自動化控件、工具和類庫，簡化了數(shù)據(jù)采集和儀器控制接口的連接，因此容易實現(xiàn)對儀器的讀、寫、查詢等操作[14]。利用Measurement Studio中的MAX工具，當USB-6009硬件安裝后，在“設備和接口”可以掃描出對應的硬件信息。然后，利用DAQ Assistant創(chuàng)建任務配置采集通道、采樣點數(shù)、采樣頻率、采樣范圍等參數(shù)[15]。通過在C#項目中添加NationalInstruments.DAQmx和NationalInstruments.Common引用，便可以直接調(diào)用NI_DAQ庫函數(shù)編程采集振動信號，振動信號采集程序流程如圖5所示。

圖5 信號采集流程圖

5 系統(tǒng)界面及測試

本系統(tǒng)在實驗室搭建了列車輪對仿真平臺，對列車輪對識別與振動監(jiān)控系統(tǒng)進行仿真測試。假定實驗列車為車號為9999999的敞型列車，監(jiān)控程序運行界面如圖6，通信串口設置為COM1，波特率設置為115 200，連接讀寫器初始化設備。振動信號的采樣率設置為1 000 Hz，采樣樣本為1 000。系統(tǒng)啟動開始識別按鈕，當安裝電子標簽的輪對處于讀寫器天線的工作范圍時均被系統(tǒng)識別，并在計算機上顯示輪對的ID信息，識別到4個標簽信息為0110C9999999、0120C9999999、0130C9999999、0140C9999999，分別對應列車車型為敞車的車號為9999999的第1個車廂的第1、2、3、4個車輪。采集的振動信號在波形圖中實時顯示，橫坐標為采樣時間(s)，縱坐標為振動信號電壓幅值(V)。

圖6 監(jiān)控程序界面

6 結束語

本文將RFID技術應用到列車輪對識別與振動監(jiān)控上，利用電子標簽存儲輪對信息，并采用C#和Measurement Studio混合編程，開發(fā)了上位機軟件，軟件界面簡潔，易操作，方便人機交互，實現(xiàn)了對輪對的識別和振動信號的采集，為輪對的識別和動態(tài)監(jiān)測提供了一種高效的解決方案。