高鐵輪對健康狀態實時采集及通信系統設計

張 穎， 季銀銀， 繆 響， 文 凱， 朱 昊

（南京工程學院 信息與通信工程學院， 江蘇 南京 211167）

0 引言

現軌道交通裝備作為我國重要戰略性新興產業在現代高端裝備制造業中占有重要的地位。 高鐵輪對系統是列車運行最重要的保障之一， 其健康狀態直接影響到列車的行車安全[1]。 對其各項參數觀測監控，及時解決各類問題，維修各種故障對于高鐵安全運行來說至關重要。隨著我國高鐵數量的增多、技術的更新以及需求的變化，傳統的經驗化，直觀化，定時化，事后化的“計劃修”（TBM，Time Based Maintenance）已經難以適應現代化高速動車。當前我國高鐵的維修策略為優先預防修， 其次開展狀態修，集中修[2]就輪對系統而言，目前雖然關鍵參數已具備實時監控功能，但其數據還遠遠不夠全面。研究通過海量參數監測，提取特征參數，通過特定數學模型計算，在故障發生之前預測車輛狀態并給出維護方案的故障預測技術十分必要。 實現故障預測的前提是建立完善的參數采集及通信體系。 另一方面，目前輪對系統關鍵參數監測系統是基于輪對本體結構設計。 如果因為增加監測點而改變輪對機械機構則成本過高[3]。 基于這一問題，本文研究了在不改變輪對結構的情況下高鐵輪對健康狀態實時采集及傳輸技術。

1 系統總體架構設計

本系統總體架構如圖1 所示， 主要包括數據控制處理中心C1，溫度監測單元U2，震動監測單元U3，聲音監測單元U4，標簽識別系統S5。圖中控制處理中心C1 包括微處理器M1， 無線傳輸單元U5。 輪對溫度監測單元U2的主要元件為輪對溫度傳感器Z1，用于采集高鐵輪對的溫度數據并上傳至數據控制處理中心， 判斷高鐵輪對所處環境是否在安全范圍內。 超出閾值即反饋狀態異樣，啟動報警。 震動監測單元U3 包括位移震動傳感器Z2，用于采集高鐵輪對的位移與震動數據， 參考確認高鐵輪對是否發生偏移，與安全距離產生異樣，超出安全距離即產生預警。 位移振動傳感器Z2 所采集到的振動數據用于檢測高鐵輪對在工作時的狀態，輕微振動不作處理，振動幅度超出閾值即啟動預警， 保證高鐵安全運作。 聲音監測單元U4 包括聲音傳感器Z3，其實時采集高鐵輪對在正常工作時所產生的聲音數據，上傳至云端。音頻監測系統可通過所采集到的聲音數據判斷高鐵的運行是否正常。 標簽識別系統S5 包括應答器S1、閱讀器S2、計算機系統S3，基于RFID 技術實現數據無線通信。 其中應答器S1 主要包括標簽天線和標簽芯片。 系統標簽主要以電子標簽形式存在。 閱讀器S2 主要包括信號接收器、閱讀天線以及相關控制元件。 計算機系統S3 用于無線通信，實現對應答器S1 的數據的讀出與寫入。 計算機系統S3 也可通過各類接口，例如RS232 串口或是USB 實現與閱讀器之間的數據交互。 該識別系統主要存儲運行高鐵的身份以及故障檢修信息，方便高鐵輪值人員進行數據管理。

圖1 系統總體架構

高鐵在啟動的同時，本系統上電工作，各類傳感器實時采集高鐵輪對數據并通過數據控制處理中心上傳至云端， 依次判斷高鐵輪對系統關鍵數據的狀態。溫度傳感器Z1 用于檢測高鐵輪對溫度， 若溫度數據超過所屬安全范圍的閾值即說明存在高鐵運作時間過久或是高鐵輪軸摩擦過大的故障。 高鐵位移振動傳感器Z2 用于檢測輪軸的位移振動情況，若所采集到的數據出現振動量逐漸加大或是突然加大， 則說明高鐵輪軸可能存在軸承松動的故障。 若位移振動傳感器所采集到的位移數據過大，則說明高鐵輪軸內部可能存在元件脫落的故障。若位移振動傳感器所采集到的數據過小， 則說明高鐵輪對內可能混入了不明物體，需要進行排查。 聲音傳感器Z3 用于檢測高鐵在工作時的輪對聲音， 云端預存入大量高鐵正常工作輪對的聲音，若采集到的聲音信號與之差異較大，則啟動預警，進行排查工作。 標簽識別系統S5 主要用于識別確認系統所監測高鐵身份，并在檢測之后存儲相應的故障監測信息與監測日期等等。上述信號均由傳感器采集后送入數據控制處理匯總新C1 中的微處理器M1，由M1 進行故障的分析與預判斷。 當M1 確認系統發生故障時，一方面將所確認的故障信息存入標簽識別系統S5，另一方面通過Wi-Fi 技術傳遞給云端，向高鐵輪值人員報警。

2 器件選型及系統硬件設計

2.1 系統控制核心

本系統所選用的主控芯片為STM32F407， 其最小系統包括電源電路、時鐘電路、啟動電路、復位電路、程序下載電路[4]。最小系統電路已經可以滿足大部分系統設計的要求且STM32F407 的引腳眾多，根據具體要求的不同，可按需接不同的外設電路。 電源電路存在的作用為其為嵌入式系統供電、為其提供運行支撐。時鐘電路為系統提供晶振時間，可控制存儲器與CPU 之間的信息數據傳遞。復位電路可初始化嵌入式系統內的所有數據設置。 啟動電路確保主控芯片可以找到存儲器中啟動程序的具體位置。 下載電路主要功能則為協助開發者將編譯結束的程序下載至存儲器中。

2.2 無線傳輸模塊

本系統選用ESP8266 作為無線傳輸數據模塊， 其原理如圖2 所示。

ESP8266 與STM32F407 之間的連接如表1 所示。

圖2 無線傳輸模塊電路原理

表1 ESP8266 與STM32F407連接表

本系統所涉及到的ESP8266 模塊支持STA/AP/STA+AP 三種工作模式。

STA 模式：ESP8266 模塊通過路由器接入互聯網，實現手機或電腦通過互聯網對設備的遠程控制。

AP 模式：默認無線模塊為熱點， 實現手機或電腦與模塊之間互相通信，實現局域網無線控制。

STA+AP：兩種方式共存，即可通過互聯網控制可無縫切換，方便操作。

2.3 本地顯示模塊

本系統選用TFT3.5-HX8357D 彩屏作為本地LCD 顯示。HX8357-D 彩屏適用于任何小型便攜式電池驅動和長期驅動產品。 本顯示屏是320×480 的分辨率，系統支持16 位彩色，功耗較低且接入3.3V 或是5V 的電壓都可將其點亮。驅動IC為ILI9481，采用16 位總線與STM32F407連接。

3 系統控制軟件設計

3.1 控制系統總體架構

高鐵運行時，各傳感器實時采集輪對狀態參數。 系統在運行過程中傳輸各類傳感器采集的數據，包括高鐵輪對的溫度數據、位移數據（橫滾角、航向角、俯仰角等）、聲音數據、震動數據以及當前日期、時間等。高鐵輪對健康監測系統已經啟動之后可以連接至基礎設定好的WiFi 自動進行與計算機終端的連接，連接完成之后處于待機狀態準備開始傳輸工作。 一開始，將兩個主要傳感器所獲得的數據信息上傳至CPU 系統， 經過CPU 系統通過無線傳輸系統上傳至計算機終端， 同時也顯示在系統所攜帶的LCD 顯示屏中，方便查看。 在LCD 顯示屏中將數據信息按類型分為兩種，可以按需求選擇相應的信息，如本次排查需要的是高鐵輪對的溫度信息， 則可以點擊LCD 顯示屏中的時間按鈕，則可以同時跳出每一個時間所對應的溫度，傳輸速度大概為每秒一次，將數據信息按時間分類，方便查看，且多次傳輸方便去除因為傳感器測量失誤所帶來的判斷失誤。 如果在排查過程中需要的是角度信息，也可以直接點擊輪對信息的按鈕，隨機三種角度信息會直接顯示顯示在LCD 上，并實時改變數據并上傳至計算機終端，方便排查故障與保存數據。

圖3 系統軟件流程圖

系統工作時，首先要將各個硬件模塊進行初始化，檢測各項模塊數據是否正常， 檢測通過之后蜂鳴器響一聲提醒管理員系統初始化檢測完成可以正常使用。 若初始化數據失敗或是模塊無法正常， 則在LCD 顯示屏上顯示出錯模塊名稱+ERROR 信號。 所有模塊初始化結束之后，開始調用配置WiFi模塊的程序代碼，調試串口直至顯示出配置ESP8266 成功， 即說明本嵌入式系統可以開始使用。在系統工作過程中，主要由管理人員確認是否需要開啟工作狀態或是處于待機狀態， 若數據信息獲取已經滿足需要或是想要結束本次排查， 只需要點擊LCD 屏幕上的返回鍵回到主界面即可。

3.2 位置采集模塊

本系統設計位置采集模塊采用的是MPU6050， 其主要通信協議為IIC，可用于測量物體的三維參數，利用三個AD 轉換模塊將傳感器所獲得三維模擬數據轉化為數字信息輸出，便于觀察結果。IIC 通信方式為半雙工，時鐘為高電平時，SDA 線上的數據必須保持穩定，而當時鐘處于低電平時，SDA 線上數據可進行改變。 在數據傳輸的最開始，一定要先輸入從機地址，一般為7 位地址，數據的第八位表示數據的傳輸方向。 一般系統運行過程中第一步為發送起始信號，然后等待從機應答，從機應答之后接著發送一個從機地址，從機應答制后，繼續發送寄存器地址等待應答。

3.3 溫度采集模塊

高鐵輪對高速旋轉， 且滑動摩擦劇烈時表面溫度可達1000℃以上。 因此本系統溫度傳感器并不安裝在輪對之上，而是置于輪對一側的軸箱轉臂上。 溫度采集模塊為DS18B20，DS18B20 內含64 位光刻ROM、溫度傳感器，非揮發的溫度報警觸發器TH 和TL 以及一個配置寄存器。根據DS18B20 的通訊協議，主機（單片機）控制DS18B20完成溫度轉換必須經過：每一次讀寫之前都要對DS18B20進行復位操作，復位成功后發送一條ROM 指令，最后發送RAM 指令，這樣才能對DS18B20 進行預定的操作。復位要求主CPU 將數據線下約750μs，然后釋放，當DS18B20 收到信號后等待16～60μs 左右， 后發出60～240μs 的存在低脈沖，主CPU 收到此信號表示復位成功。

3.4 Wifi 通信模塊

系統設計的需要同時將傳感器所獲取到的數據通過無線傳輸系統上傳至計算機終端系統， 后續會升級為云端數據庫。 本設計所使用的網絡調試助手為常用的調試助手，名稱為：USR-TCP232-Test。在進行網絡終端設置的時候， 需要明確本機所接入的無線網絡與嵌入式系統的無線網絡為同一網絡，獲取本機IP 的方法如下，打開計算機網絡中心，查看網絡和Internet 選項之后點擊查看網絡屬性，尋找所連接到的WLAN 并查看具體信息，網絡調試中心的端口號需要查找一個本機未被使用過的端口號，本設計采用的默認端口號為8080。 本機IP 查找結束之后， 打開網絡助手， 網絡設置一欄選擇TCP Server 選項， 之后填入正確的IP 地址與端口號之后點擊開始監聽， 在助手界面右下方正確連接之后會出現嵌入式系統的IP 以及端口號。 出現已連接之后即可通過管理人員的選擇實時獲取所需環境數據， 不進行選擇即處于待機狀態，不進行任何數據傳輸。 當CPU 接收到管理員獲取數據的指令時LCD 與網絡調試助手同時顯示獲取數據。

4 結論

本文闡述了當前高鐵輪對健康狀態監測技術的不足。 基于STM32 系統設計了高鐵輪對健康狀態采集與通信系統。 介紹了系統總體架構、主要元件選型、系統主要硬件模塊電路設計、系統軟件功能、主要軟件模塊設計思路。 本系統可以實現對高鐵輪對狀態參數的實時采集及無線傳輸，為其故障預測系統提供關鍵數據。