基于LoRa無線技術的動車軸溫無線監(jiān)測系統(tǒng)設計

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(1.中國鐵路總公司 呼和浩特鐵路局 包頭車輛段，包頭 014000；2.大連科技學院)

引 言

隨著高速鐵路的快速發(fā)展，動車組列車在鐵路運輸中的角色越來越重要，所以對動車組列車關鍵部件狀態(tài)信息的監(jiān)測顯得尤為重要，其中列車的軸溫為列車健康狀態(tài)的重要指標之一。動車組列車在行車過程中，由于線路狀況以及行車環(huán)境對列車車軸發(fā)熱產(chǎn)生一定的影響。當動車組列車軸溫出現(xiàn)異常時，輕則造成機械損壞，影響動車組列車正常行駛，重則造成車軸斷裂，車毀人亡，嚴重影響著鐵路運輸及行車安全。

傳統(tǒng)的列車軸溫監(jiān)測采用人工巡檢的方式，一旦列車軸溫出現(xiàn)異常，無法第一時間將列車軸溫信息反饋給列車檢修人員。造成報警信息發(fā)現(xiàn)滯后，不能及時處理列車故障，影響行車安全。因此，基于上述原因，本文對動車組列車軸溫報警系統(tǒng)進行了改善，在原有設計的基礎之上設計了無線采集節(jié)點，無線采集節(jié)點通過軸溫信息接口讀取軸溫信息，控制無線傳出模塊將軸溫信息發(fā)送至無線手持終端。檢修人員通過手持終端可以實時查看列車軸溫是否在安全范圍之內，保證了列車的行車安全。

1 無線監(jiān)測系統(tǒng)硬件設計

無線監(jiān)測系統(tǒng)主要由無線采集節(jié)點和無線手持終端兩部分組成。車載系統(tǒng)有現(xiàn)成的溫度采集系統(tǒng)，采集節(jié)點只需要與原先的溫度采集系統(tǒng)進行通信，進而讀出軸溫信息，通常這種接口為RS485通信接口。為此，本文設計了RS485通信電路。圖1為無線監(jiān)測系統(tǒng)采集節(jié)點功能示意圖。無線手持終端由LoRa 無線傳輸模塊、SD 卡存儲模塊、OLED 顯示模塊、人機交互模塊、電源模塊以及MCU 微控制器模塊組成。車檢人員可通過人機交互界面選擇性地顯示特定某一車廂的軸溫信息，也可以設置定期刷新整車的軸溫信息，一旦軸溫信息超過正常的范圍，無線手持終端發(fā)出報警信息，提醒車檢人員軸溫異常。圖2為無線手持終端的功能示意圖。

圖1 無線監(jiān)測系統(tǒng)采集節(jié)點功能示意圖

圖2 無線監(jiān)測系統(tǒng)手持終端功能示意圖

1.1 MCU 微控制器硬件設計

STM32L151C8T6是基于Cortex-M3內核的微處理器。STM32L151C876相對于市場上常用的STMF103系列功耗更低，并且具有和STMF103系列同樣的性能，它在物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)控制、汽車行業(yè)嵌入式系統(tǒng)等行業(yè)應用十分廣泛。除此之外，STM32L151C8T6還具有豐富的外圍設備，具有豐富的外圍I/O引腳，標準的SPI協(xié)議通信接口、I2C協(xié)議接口、高精度的ADC數(shù)模轉換單元。圖3為采集節(jié)點和手持終端的MCU微控制器最小系統(tǒng)圖。

1.2 無線通信模塊硬件設計

為了適應列車運行環(huán)境的復雜性，設計了基于LoRa無線技術的無線通信傳輸模塊， LoRa是一種基于擴頻技術的遠距離無線傳輸技術，最早由美國Semtech公司采用和推廣。無線通信傳輸模塊的控制核心采用SX1278，該收發(fā)器主要采用LoRa遠距離調制解調器，接收靈敏度可達-148 dBm，能夠最大限度降低電流消耗，解決了傳統(tǒng)設計方案無法同時兼顧距離、抗干擾和功耗的問題。圖4為設計的SX1278接口示意圖。

1.3 功率增強模塊硬件設計

由于監(jiān)測對象環(huán)境比較復雜，考慮到監(jiān)測對象所處位置的復雜性和惡劣性，為確保監(jiān)測數(shù)據(jù)能夠準確無誤地發(fā)送手持監(jiān)測終端，設計了功率放大電路。本文采用BLT53A功率放大芯片，它提供了DC-3G的大帶寬支持，并且提供了完整的輸入輸出接近50 Ω的內部匹配，圖5為BLT53A功率增強模塊電路圖。

圖3 CC2530微控制器模塊

圖4 SX1278接口示意圖

圖5 BLT53A功率增強模塊電路圖

2 監(jiān)測節(jié)點軟件的設計

軟件設計主要涉及到無線發(fā)射器和無線手持接收器的編程,以及兩者之間的數(shù)據(jù)傳輸幀結構的構造。

2.1 無線采集節(jié)點軟件設計

由于軸溫報警器分別分布在各個車廂，且軸溫報警器通信協(xié)議已經(jīng)標準化，為此無線采集節(jié)點的采集協(xié)議必須按照軸溫報警器的通信方式進行編程。為了避免所有的無線采集節(jié)點同時將采集的溫度信息發(fā)送給無線手持終端，產(chǎn)生信息“內爆”現(xiàn)象，引入了基于TDMA的通信方式，無線采集節(jié)點分別在自己的通信時隙內將采集的溫度信息發(fā)送給無線手持終端。無線采集節(jié)點信息發(fā)送經(jīng)過兩個過程：① 采集節(jié)點開機等待手持終端的導頻命令。② 采集節(jié)點接收到導頻命令后，按照接收到的手持終端時隙命令，發(fā)送采集到的溫度信息。

無線采集節(jié)點程序流程圖如圖6所示。

圖6 無線采集節(jié)點程序流程圖

2.2 無線手持終端的軟件設計

無線手持終端具有三種功能：

① 向無線采集節(jié)點發(fā)送并采集命令，控制著采集節(jié)點的運行狀態(tài)。

② 通過顯示模塊顯示軸溫信息、車輛ID 號、車輛種類等信息。

③ 具有報警功能，通過判斷采集的軸溫信息是否在正常范圍內，若出現(xiàn)異常，則微控制器通過報警單元向列車巡檢員發(fā)送報警信號，以便列車人員作出及時處理。無線手持終端的程序流程圖如圖7所示。

圖7 無線手持終端程序流程圖

2.3 無線監(jiān)測系統(tǒng)信息傳輸數(shù)據(jù)幀結構構建

無線采集節(jié)點采集到軸溫信息之后，為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性和可控性，設計了無線數(shù)據(jù)傳輸幀結構，該數(shù)據(jù)幀結構由幀頭(SOF)、車廂號(ID)、軸溫信息(General frame format)、校驗幀(FCS)四部分組成，數(shù)據(jù)幀具體結構如下所示。

123SOFIDGeneralFrameFormat

其中幀頭SOF占用2個字節(jié)，ID號占用1個字節(jié)，General Frame Format占用不定長度，長度范圍為4字節(jié)，F(xiàn)CS占1字節(jié)，表1為各字段定義。

表1 各字段定義

以下是FCS字段計算C語言示例程序：

unsigned char CalcFCS(unsigned char *pMsg, unsigned char len){

unsigned char result = 0;

while (len--){

result ^= *pMsg++;

}

return result;

}

3 通信測試及結果分析

為了保證軸溫無線監(jiān)測系統(tǒng)能夠適應各種復雜環(huán)境，在極端情況下也能夠準確、可靠地接收各個軸溫采集節(jié)點的軸溫信息，為此系統(tǒng)測試主要在無線通信距離方面進行。按照我國客運列車編組標準，無線通信距離至少滿足1 500 m。考慮最不利的情況，無線采集節(jié)點放置列車的車尾，無線手持終端放置在列車車頭，并且在列車正常運行的情況下進行測試。測試結果表明，手持終端能夠穩(wěn)定地接收無線采集節(jié)點的發(fā)射的軸溫信息，并且能夠發(fā)送命令操作特定的無線采集節(jié)點。為此，本文選取一個無線采集節(jié)點放置在車尾，手持終端放置在列車車頭，做100次數(shù)據(jù)傳輸實驗，每次數(shù)據(jù)傳輸100字節(jié)，圖8為測試結果分析圖。

結 語

圖8 測試結果分析圖

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曹昱(助理工程師),主要從事動車組列車運用與維護、檢修工作。