基于ZigBee的便攜式無線列車軸溫監測系統設計

袁 航，高軍偉，張 震，張 彬

（青島大學 自動化與電氣工程學院，青島 266071）

0 引言

車軸是帶動車輪運動的軸承，普通的列車車軸一般是實心的，動車組為了追求輕量化車身，車軸是中空結構。一個車廂有兩個轉向架，一個轉向架有兩組車輪，四個軸端[1]。在列車運行過程中，由于機械運動摩擦產生熱量，車軸的溫度會有些許升高，這屬于正常現象。當遇到惡劣的天氣，或者列車的運動狀態不正常時，列車軸溫會急劇升高，如果不能及時發現、檢修，很有可能發生燃軸事故[2]。我國高鐵技術一直位列世界先進水平，隨著列車速度的不斷提高，列車軸溫監測的準確性變得尤為重要。目前國內外應用最多的軸溫監測方式是紅外線軸溫探測系統，該方式是在鋼軌上每隔一定的距離安置一個紅外線探頭獲取軸溫信息，具有一定的滯后性，出現故障后不利于列車的安全運行。有許多廠商對紅外線探測方式進行了一些改進，還有一些新興的軸溫探測技術正向著車載智能的方向發展，以提高軸溫探測的準確性，確保監測的實時性。當車輛自身的某個終端軸溫監測系統出現故障時，為了列車繼續安全運行，需要安裝應急式的軸溫監測裝置。近些年隨著物聯網的發展、ZigBee技術的日趨成熟和智能傳感器的廣泛使用給軸溫傳感器帶來了新的思路[3,4]。本設計提出的基于ZigBee開發平臺的軸溫監測系統易于安裝，節省時間，功耗低，實現了故障終端溫度數據的實時無線傳輸、監測，給列車安全運行提供了有力的保障。

1 便攜式無線軸溫監測系統總體設計

當列車的軸溫監測系統出現報警或故障，機械師下車檢查車軸溫度情況和列車軸溫監測系統終端故障情況。如果車軸出現激熱，列車需要就近到站點更換車底。如果車軸溫度完全正常，說明是自身監測系統終端故障[5]。當出現以上兩種情況時，需要安裝應急式的便攜式無線軸溫監測系統以保證列車安全運行。便攜式無線軸溫監測系統主要由多個車軸溫度采集終端、協調器和上位機PC終端組成。總體結構設計如圖一所示，傳感器在收到上位機通過協調器以廣播的形式發送到采集終端的指令后進行初始化，經過短暫的延遲后開始收集列車的軸溫數據，在自身完成溫度轉換后將溫度數據打包發送到ZigBee采集終端節點，采集終端將溫度數據以點播的方式發送到協調器節點，協調器節點匯總各個車軸溫度采集終端傳送的溫度數據，然后通過串口通信的方式發送到上位機顯示，監測人員可以在列車車廂內PC端隨時觀察列車的軸溫變化情況。

圖1 便攜式無線軸溫監測系統結構圖

2 便攜式無線軸溫監測系統硬件設計

2.1 ZigBee技術

ZigBee是基于IEEE802.15.4標準的局域網協議的短距離、低成本、自組網無線通信技術，工作頻段為2.4GHz，屬于無執照范圍。ZigBee協議分為兩個部分：IEEE802.15.4定義了物理層（PHY）和媒體訪問控制（MAC）層；ZigBee聯盟定義了網絡層（NWK）、傳輸層（TL）和應用層（APL）[6]。表1為ZigBee技術與其他常見無線通訊技術的對比。通過表一可以看出ZigBee傳輸速度較慢，但是組網簡單、靈活，功耗低，適用于傳感器網絡。

ZigBee的網絡拓撲形式有樹形拓撲、網狀拓撲和星型拓撲，拓撲結構形式如圖二。網狀拓撲和樹形拓撲與星型拓撲相比，組網方式比較復雜，存在路由節點，信息傳遞都必須要經過路由節點。兩者區別在于網狀拓撲的路由子節點之間可以進行信息傳遞，樹形拓撲的路由子節點只能與父節點和子節點傳遞信息。星型拓撲結構簡單，包括一個協調器和一系列終端節點，每個終端節點只和協調器節點通訊。根據軸溫監測應用的實際情況，本設計選擇星型拓撲網絡結構。

2.2 網絡節點設計

ZigBee網絡中有三種節點：協調器（Coordinator）、路由器（Router）和終端設備（EndDevice）[7]。本設計包含協調器節點和終端設備節點，車軸溫度采集終端屬于終端設備節點。在安裝便攜式無線軸溫監測系統時，車軸溫度采集終端安裝在出現軸溫監測故障的車廂車軸終端，協調器按照星型拓撲結構的原則，安裝在離各個車軸溫度采集終端最近的車廂機械室。

協調器和車軸溫度采集終端選用美國TI公司新一代ZigBee處理器CC2530。CC2530芯片內置增強型8051內核，在本設計中可實現片上處理溫度數據，工作環境溫度為-40℃～125℃，符合軸溫監測環境的需要[8]。

圖2 ZigBee網絡拓撲方式

2.3 協調器硬件設計

協調器節點與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，本設計在主芯片外圍增設了PL2303HX芯片實現了Uart接口和USB接口的轉換。PL2303HX接口轉換電路如圖3所示。USB接口的電壓為+5V直流電，符合協調器的供電標準，PC端可以直接給協調器供電。增設TTL接口，用來連接TFT彩屏模塊。協調器上電后，TFT屏幕顯示組網信息。

表1 無線通訊技術比較

2.4 車軸溫度采集終端硬件設計

車軸溫度采集終端如圖4所示，包括DS18B20數字溫度傳感器、ZigBee芯片CC2530和電池電源供給模塊[9]。本設計采用的軸溫傳感器是直接接觸式數字傳感器DS18B20，該傳感器具有體積小、抗干擾能力強、精度高，成本低等優點[10]。測溫范圍是-55℃～125℃，符合軸溫監測要求。DS18B20采用單總線設計，有三個引腳分別是VCC、DQ和GND，DQ為通訊傳輸引腳，溫度數據通過該線傳輸到CC2530的片上處理器。DS18B20引腳輸出為數字量，方便CC2530的MCU單元處理。在本設計中車軸溫度采集終端采用電池供電，兩節電池可以支撐一個采集節點常規使用半年左右，在本設計的情況下可以實現反復多次使用。

圖3 PL2303HX接口轉換電路

圖4 車軸溫度采集終端結構圖

圖5 功放電路圖

2.5 功放電路設計

考慮實際情況，如果車頭和車尾的車軸出現軸溫監測故障，將協調器安裝在中間車廂，協調器和采集終端最遠距離可達到100m以上，而普通的CC2530芯片的穩定通信距離最多到達50m。為了滿足需要，在ZigBee芯片外圍增加了以RFX2401C為芯片的PA功放電路，增大發射功率，阻抗匹配50Ω，進而提高無線傳輸的距離和穩定性。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和不平衡信號互相轉換[11]。CC2530發出的射頻信號是雙向差分形式，因此需要巴倫電路將雙端口轉化成單端口，然后接入功率放大器RF2401C。功率放大器RF2401C的ANT端口為天線輸入接口，接入單極天線后，由天線發射放大處理后的射頻信號。

3 便攜式無線軸溫監測系統軟件設計

便攜式無線軸溫監測系統軟件設計包括下位機CC2530的程序開發和PC端上位機監控軟件設計兩部分。下位機CC2530程序開發主要實現協調器和采集終端的組網，以及對溫度的采集和無線傳輸。上位機監控軟件主要實現對多個列車軸端溫度的實時監測。

3.1 下位機軟件設計

本設計下位機的程序開發環境為嵌入式開發工具IAR Embedded Workbench。IAR支持多種微處理器，兼容匯編語言和C語言，方便調試ZigBee。下位機的程序開發主要是在IAR中使用TI公司自帶的ZigBee協議棧—Zstack。Zstack中有豐富的函數庫，可直接用于調用，再根據官方給出的程序例程，結合軸溫監測的需要，移植DS18B20溫度傳感器的程序。協調器、車軸溫度采集終端和DS18B20溫度傳感器的程序在IAR的環境下編譯成功后，連接ZigBee仿真器SmartRF04EB燒寫入程序，最后進行實地調試。

DS18B20溫度傳感器有著嚴格的時序要求，包括初始化時序、寫時序和讀時序。在給DS18B20編寫程序時，要按照時序的要求執行操作。采集終端中CC2530的CPU控制DS18B20的執行操作，先發送復位脈沖，使DS18B20初始化，再寫入跳過ROM指令、發送溫度轉換指令，然后再執行復位，匹配ROM，最后寫ROM，讀RAM溫度數據。利用協議棧里的定時器，規定車軸溫度采集終端每隔1秒向協調器發送一次數據。具體車軸溫度采集終端的軟件流程圖如圖6所示。

協調器負責組建ZigBee網絡，是網絡的核心設備。將協調器連接到計算機以后，協調器自動進行信道搜索完成網絡初始化，然后設定采集終端的地址和網絡參數[12]。組網成功后自動接收來自各個采集終端的溫度數據，通過串口通信發送到PC端的上位機顯示。協調器的軟件流程圖如圖7所示。

圖6 車軸溫度采集終端流程圖

3.2 上位機軟件設計

上位機監控軟件采用C++語言編寫，開發環境為微軟公司的Visual Studio平臺，支持同時監測四個溫度采集終端。監測界面有串口號的選擇，打開串口后，系統即開始運行。下位機波特率通過IAR軟件設定為115200，監控界面默認波特率為115200。系統運行時，監測界面有每個采集終端的實時溫度數據顯示和溫度趨勢圖像顯示。在溫度趨勢圖中，x軸為時間，y軸為溫度。車輛管理人員可以向左移動x軸查閱圖像上暫存的歷史溫度數據。

4 實驗測試及結果分析

便攜式無線軸溫監測系統硬件環境為一臺筆記本計算機、ZigBee協調器、車軸溫度采集終端和電池電源，將協調器連接到筆記本計算機，并用電池電源給車軸溫度采集終端供電。網絡節點采用星型拓撲網絡結構，根據列車車廂以及周圍環境的實地情況，在控制工程實驗室模擬出系統設備在現場使用的環境。

協調器和車軸溫度采集終端上電以后，車軸溫度采集終端會自動搜索網絡并綁定離自己最近的協調器。協調器節點的TFT屏在上電后會顯示組網信息，通過查看TFT屏幕的組網信息可以判斷組網是否成功。如圖八是上電后的協調器節點實物圖，圖9是車軸溫度采集終端實物圖。

圖7 協調器流程圖

圖8 協調器實物圖

組網成功后，車軸溫度采集終端自動打包溫度數據并以點播的方式通過RF射頻端發送到協調器節點。打開軟件啟動上位機程序，首先設置與協調器串口通信時的串口號，設置成功后開始讀取協調器發送的溫度數據，點擊自動刷新，四個車軸溫度采集終端溫度會實時顯示，并且自動繪制溫度趨勢圖，溫度數據每隔1秒刷新一次。上位機程序監測溫度數據結果如圖10所示。經實驗測試，上位機程序運行穩定，傳感器采集溫度正常，當測試距離100m時，溫度數據傳輸正常，丟包率低于1%，符合應急軸溫監測的需要。

圖9 車軸溫度采集終端實物圖

圖10 軸溫監測系統上位機運行結果

5 結束語

本設計針對鐵路運輸的特點和需求，提出一種應急式的可以快速安裝的便攜式無線軸溫監測系統方案：使用數字溫度傳感器DS18B20檢測軸溫，并借助無線通信ZigBee技術傳輸溫度數據，最后通過串口通信發送至上位機顯示。該系統體積小，易于安裝，操作簡單。監測界面簡潔易懂，方便車輛管理人員使用。模擬實驗的結果表明，該系統可以準確、實時監測軸溫的變化，當列車某幾節車廂的軸溫監測系統發生故障時，安裝便攜式無線軸溫監測系統可以保證故障車廂軸溫處于正常監控狀態，繼而保障了列車的正點、安全運行。

[1]張長青.無線軸溫監測系統在CRH380A/AL型動車組中的應用[J].工業控制計算機,2016,29(1):157-158.

[2]趙志梅,張帆.基于無線傳輸的高速列車軸溫集中監測系統[J].計算機測量與控制,2012,20(5):93-95.

[3]楊旭英,楊俊杰.基于ZigBee技術的變電站高壓室溫濕度監控系統的設計[J].制造業自動化,2015(5):118-120.

[4]吳晨霞.基于ZigBee技術的軸承溫度監控系統[D].大連理工大學,2009.

[5]哈大雷,王乾,蔣濤,等.新型軸溫監測系統在高速動車組上的應用[J].大連交通大學學報,2013,34(1):89-94.

[6]馮艷波.基于無線傳感器網絡的列車運行安全監測系統[D].西南交通大學,2009.

[7]Mohan K J, Samar Jyoti M, R.Venketeshwaran P, et al. Intelligent Localization Algorithm for Temperature Monitoring using Wireless Sensor Networks[J].International Journal of Computer Applications,2014,94(14):42-49.

[8]張高明,吳新春,白天蕊.基于CC2530的軸承溫度監測[J].電子產品世界,2016,23(11):79-81.

[9]王新玲,孫運強,姚愛琴.列車車軸溫度無線監測系統設計[J].計算機測量與控制,2012,20(1):119-121,186.

[10]徐超凡,姜璐,劉飛,等.鐵路列車便攜式軸溫報警裝置的研制[J].鐵路計算機應用,2016,25(3):50-53.

[11]楊京,周鳳星.ZigBee無線網絡功放的設計與仿真[J].通信技術,2010,43(6):120-122.

[12]Malhi K, Mukhopadhyay S C,Schnepper J, et al. A Zigbee-Based Wearable Physiological Parameters Monitoring System[J].IEEE Sensors Journal,2012,12(3):423-430.