基于LoRa無線技術(shù)的動(dòng)車軸溫?zé)o線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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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(xué)院)

引 言

隨著高速鐵路的快速發(fā)展，動(dòng)車組列車在鐵路運(yùn)輸中的角色越來越重要，所以對(duì)動(dòng)車組列車關(guān)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(biāo)之一。動(dòng)車組列車在行車過程中，由于線路狀況以及行車環(huán)境對(duì)列車車軸發(fā)熱產(chǎn)生一定的影響。當(dāng)動(dòng)車組列車軸溫出現(xiàn)異常時(shí)，輕則造成機(jī)械損壞，影響動(dòng)車組列車正常行駛，重則造成車軸斷裂，車毀人亡，嚴(yán)重影響著鐵路運(yùn)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(shí)間將列車軸溫信息反饋給列車檢修人員。造成報(bào)警信息發(fā)現(xiàn)滯后，不能及時(shí)處理列車故障，影響行車安全。因此，基于上述原因，本文對(duì)動(dòng)車組列車軸溫報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行了改善，在原有設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)之上設(shè)計(jì)了無線采集節(jié)點(diǎn)，無線采集節(jié)點(diǎn)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(shí)時(shí)查看列車軸溫是否在安全范圍之內(nèi)，保證了列車的行車安全。

1 無線監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

無線監(jiān)測系統(tǒng)主要由無線采集節(jié)點(diǎn)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(diǎn)只需要與原先的溫度采集系統(tǒng)進(jìn)行通信，進(jìn)而讀出軸溫信息，通常這種接口為RS485通信接口。為此，本文設(shè)計(jì)了RS485通信電路。圖1為無線監(jiān)測系統(tǒng)采集節(jié)點(diǎn)功能示意圖。無線手持終端由LoRa 無線傳輸模塊、SD 卡存儲(chǔ)模塊、OLED 顯示模塊、人機(jī)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(jī)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(shè)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(bào)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(diǎn)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(shè)計(jì)

STM32L151C8T6是基于Cortex-M3內(nèi)核的微處理器。STM32L151C876相對(duì)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(yīng)用十分廣泛。除此之外，STM32L151C8T6還具有豐富的外圍設(shè)備，具有豐富的外圍I/O引腳，標(biāo)準(zhǔn)的SPI協(xié)議通信接口、I2C協(xié)議接口、高精度的ADC數(shù)模轉(zhuǎn)換單元。圖3為采集節(jié)點(diǎn)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(shè)計(jì)

為了適應(yīng)列車運(yùn)行環(huán)境的復(fù)雜性，設(shè)計(jì)了基于LoRa無線技術(shù)的無線通信傳輸模塊， LoRa是一種基于擴(kuò)頻技術(shù)的遠(yuǎn)距離無線傳輸技術(shù)，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(yuǎn)距離調(diào)制解調(diào)器，接收靈敏度可達(dá)-148 dBm，能夠最大限度降低電流消耗，解決了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案無法同時(shí)兼顧距離、抗干擾和功耗的問題。圖4為設(shè)計(jì)的SX1278接口示意圖。

1.3 功率增強(qiáng)模塊硬件設(shè)計(jì)

由于監(jiān)測對(duì)象環(huán)境比較復(fù)雜，考慮到監(jiān)測對(duì)象所處位置的復(fù)雜性和惡劣性，為確保監(jiān)測數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確無誤地發(fā)送手持監(jiān)測終端，設(shè)計(jì)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(nèi)部匹配，圖5為BLT53A功率增強(qiáng)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(qiáng)模塊電路圖

2 監(jiān)測節(jié)點(diǎn)軟件的設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)的構(gòu)造。

2.1 無線采集節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

由于軸溫報(bào)警器分別分布在各個(gè)車廂，且軸溫報(bào)警器通信協(xié)議已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，為此無線采集節(jié)點(diǎn)的采集協(xié)議必須按照軸溫報(bào)警器的通信方式進(jìn)行編程。為了避免所有的無線采集節(jié)點(diǎn)同時(shí)將采集的溫度信息發(fā)送給無線手持終端，產(chǎn)生信息“內(nèi)爆”現(xiàn)象，引入了基于TDMA的通信方式，無線采集節(jié)點(diǎn)分別在自己的通信時(shí)隙內(nèi)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(diǎn)信息發(fā)送經(jīng)過兩個(gè)過程：① 采集節(jié)點(diǎn)開機(jī)等待手持終端的導(dǎo)頻命令。② 采集節(jié)點(diǎn)接收到導(dǎo)頻命令后，按照接收到的手持終端時(shí)隙命令，發(fā)送采集到的溫度信息。

無線采集節(jié)點(diǎn)程序流程圖如圖6所示。

圖6 無線采集節(jié)點(diǎn)程序流程圖

2.2 無線手持終端的軟件設(shè)計(jì)

無線手持終端具有三種功能：

① 向無線采集節(jié)點(diǎn)發(fā)送并采集命令，控制著采集節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行狀態(tài)。

② 通過顯示模塊顯示軸溫信息、車輛ID 號(hào)、車輛種類等信息。

③ 具有報(bào)警功能，通過判斷采集的軸溫信息是否在正常范圍內(nèi)，若出現(xiàn)異常，則微控制器通過報(bào)警單元向列車巡檢員發(fā)送報(bào)警信號(hào)，以便列車人員作出及時(shí)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(jié)構(gòu)構(gòu)建

無線采集節(jié)點(diǎn)采集到軸溫信息之后，為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和可控性，設(shè)計(jì)了無線數(shù)據(jù)傳輸幀結(jié)構(gòu)，該數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)由幀頭(SOF)、車廂號(hào)(ID)、軸溫信息(General frame format)、校驗(yàn)幀(FCS)四部分組成，數(shù)據(jù)幀具體結(jié)構(gòu)如下所示。

123SOFIDGeneralFrameFormat

其中幀頭SOF占用2個(gè)字節(jié)，ID號(hào)占用1個(gè)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(jì)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(jié)果分析

為了保證軸溫?zé)o線監(jiān)測系統(tǒng)能夠適應(yīng)各種復(fù)雜環(huán)境，在極端情況下也能夠準(zhǔn)確、可靠地接收各個(gè)軸溫采集節(jié)點(diǎn)的軸溫信息，為此系統(tǒng)測試主要在無線通信距離方面進(jìn)行。按照我國客運(yùn)列車編組標(biāo)準(zhǔn)，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(diǎn)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(yùn)行的情況下進(jìn)行測試。測試結(jié)果表明，手持終端能夠穩(wěn)定地接收無線采集節(jié)點(diǎn)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(diǎn)。為此，本文選取一個(gè)無線采集節(jié)點(diǎn)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(shí)驗(yàn)，每次數(shù)據(jù)傳輸100字節(jié)，圖8為測試結(jié)果分析圖。

結(jié) 語

圖8 測試結(jié)果分析圖

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曹昱(助理工程師),主要從事動(dòng)車組列車運(yùn)用與維護(hù)、檢修工作。