高鐵輪對健康狀態(tài)實時采集及通信系統(tǒng)設(shè)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(xiàn)軌道交通裝備作為我國重要戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)在現(xiàn)代高端裝備制造業(yè)中占有重要的地位。 高鐵輪對系統(tǒng)是列車運行最重要的保障之一， 其健康狀態(tài)直接影響到列車的行車安全[1]。 對其各項參數(shù)觀測監(jiān)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(guān)重要。隨著我國高鐵數(shù)量的增多、技術(shù)的更新以及需求的變化，傳統(tǒng)的經(jīng)驗化，直觀化，定時化，事后化的“計劃修”（TBM，Time Based Maintenance）已經(jīng)難以適應(yīng)現(xiàn)代化高速動車。當前我國高鐵的維修策略為優(yōu)先預防修， 其次開展狀態(tài)修，集中修[2]就輪對系統(tǒng)而言，目前雖然關(guān)鍵參數(shù)已具備實時監(jiān)控功能，但其數(shù)據(jù)還遠遠不夠全面。研究通過海量參數(shù)監(jiān)測，提取特征參數(shù)，通過特定數(shù)學模型計算，在故障發(fā)生之前預測車輛狀態(tài)并給出維護方案的故障預測技術(shù)十分必要。 實現(xiàn)故障預測的前提是建立完善的參數(shù)采集及通信體系。 另一方面，目前輪對系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)是基于輪對本體結(jié)構(gòu)設(shè)計。 如果因為增加監(jiān)測點而改變輪對機械機構(gòu)則成本過高[3]。 基于這一問題，本文研究了在不改變輪對結(jié)構(gòu)的情況下高鐵輪對健康狀態(tài)實時采集及傳輸技術(shù)。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計

本系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1 所示， 主要包括數(shù)據(jù)控制處理中心C1，溫度監(jiān)測單元U2，震動監(jiān)測單元U3，聲音監(jiān)測單元U4，標簽識別系統(tǒng)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(jiān)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(shù)據(jù)并上傳至數(shù)據(jù)控制處理中心， 判斷高鐵輪對所處環(huán)境是否在安全范圍內(nèi)。 超出閾值即反饋狀態(tài)異樣，啟動報警。 震動監(jiān)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(shù)據(jù)， 參考確認高鐵輪對是否發(fā)生偏移，與安全距離產(chǎn)生異樣，超出安全距離即產(chǎn)生預警。 位移振動傳感器Z2 所采集到的振動數(shù)據(jù)用于檢測高鐵輪對在工作時的狀態(tài)，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(jiān)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(chǎn)生的聲音數(shù)據(jù)，上傳至云端。音頻監(jiān)測系統(tǒng)可通過所采集到的聲音數(shù)據(jù)判斷高鐵的運行是否正常。 標簽識別系統(tǒng)S5 包括應(yīng)答器S1、閱讀器S2、計算機系統(tǒng)S3，基于RFID 技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)無線通信。 其中應(yīng)答器S1 主要包括標簽天線和標簽芯片。 系統(tǒng)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(guān)控制元件。 計算機系統(tǒng)S3 用于無線通信，實現(xiàn)對應(yīng)答器S1 的數(shù)據(jù)的讀出與寫入。 計算機系統(tǒng)S3 也可通過各類接口，例如RS232 串口或是USB 實現(xiàn)與閱讀器之間的數(shù)據(jù)交互。 該識別系統(tǒng)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(shù)據(jù)管理。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

高鐵在啟動的同時，本系統(tǒng)上電工作，各類傳感器實時采集高鐵輪對數(shù)據(jù)并通過數(shù)據(jù)控制處理中心上傳至云端， 依次判斷高鐵輪對系統(tǒng)關(guān)鍵數(shù)據(jù)的狀態(tài)。溫度傳感器Z1 用于檢測高鐵輪對溫度， 若溫度數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)出現(xiàn)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(shù)據(jù)過大，則說明高鐵輪軸內(nèi)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(shù)據(jù)過小， 則說明高鐵輪對內(nèi)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(tǒng)S5 主要用于識別確認系統(tǒng)所監(jiān)測高鐵身份，并在檢測之后存儲相應(yīng)的故障監(jiān)測信息與監(jiān)測日期等等。上述信號均由傳感器采集后送入數(shù)據(jù)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(tǒng)發(fā)生故障時，一方面將所確認的故障信息存入標簽識別系統(tǒng)S5，另一方面通過Wi-Fi 技術(shù)傳遞給云端，向高鐵輪值人員報警。

2 器件選型及系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)控制核心

本系統(tǒng)所選用的主控芯片為STM32F407， 其最小系統(tǒng)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(tǒng)電路已經(jīng)可以滿足大部分系統(tǒng)設(shè)計的要求且STM32F407 的引腳眾多，根據(jù)具體要求的不同，可按需接不同的外設(shè)電路。 電源電路存在的作用為其為嵌入式系統(tǒng)供電、為其提供運行支撐。時鐘電路為系統(tǒng)提供晶振時間，可控制存儲器與CPU 之間的信息數(shù)據(jù)傳遞。復位電路可初始化嵌入式系統(tǒng)內(nèi)的所有數(shù)據(jù)設(shè)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(xié)助開發(fā)者將編譯結(jié)束的程序下載至存儲器中。

2.2 無線傳輸模塊

本系統(tǒng)選用ESP8266 作為無線傳輸數(shù)據(jù)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(tǒng)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(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)手機或電腦通過互聯(lián)網(wǎng)對設(shè)備的遠程控制。

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

STA+AP：兩種方式共存，即可通過互聯(lián)網(wǎng)控制可無縫切換，方便操作。

2.3 本地顯示模塊

本系統(tǒng)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(qū)動和長期驅(qū)動產(chǎn)品。 本顯示屏是320×480 的分辨率，系統(tǒng)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(qū)動IC為ILI9481，采用16 位總線與STM32F407連接。

3 系統(tǒng)控制軟件設(shè)計

3.1 控制系統(tǒng)總體架構(gòu)

高鐵運行時，各傳感器實時采集輪對狀態(tài)參數(shù)。 系統(tǒng)在運行過程中傳輸各類傳感器采集的數(shù)據(jù)，包括高鐵輪對的溫度數(shù)據(jù)、位移數(shù)據(jù)（橫滾角、航向角、俯仰角等）、聲音數(shù)據(jù)、震動數(shù)據(jù)以及當前日期、時間等。高鐵輪對健康監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)啟動之后可以連接至基礎(chǔ)設(shè)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(tài)準備開始傳輸工作。 一開始，將兩個主要傳感器所獲得的數(shù)據(jù)信息上傳至CPU 系統(tǒng)， 經(jīng)過CPU 系統(tǒng)通過無線傳輸系統(tǒng)上傳至計算機終端， 同時也顯示在系統(tǒng)所攜帶的LCD 顯示屏中，方便查看。 在LCD 顯示屏中將數(shù)據(jù)信息按類型分為兩種，可以按需求選擇相應(yīng)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(yīng)的溫度，傳輸速度大概為每秒一次，將數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)并上傳至計算機終端，方便排查故障與保存數(shù)據(jù)。

圖3 系統(tǒng)軟件流程圖

系統(tǒng)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(shù)據(jù)是否正常， 檢測通過之后蜂鳴器響一聲提醒管理員系統(tǒng)初始化檢測完成可以正常使用。 若初始化數(shù)據(jù)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(jié)束之后，開始調(diào)用配置WiFi模塊的程序代碼，調(diào)試串口直至顯示出配置ESP8266 成功， 即說明本嵌入式系統(tǒng)可以開始使用。在系統(tǒng)工作過程中，主要由管理人員確認是否需要開啟工作狀態(tài)或是處于待機狀態(tài)， 若數(shù)據(jù)信息獲取已經(jīng)滿足需要或是想要結(jié)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(tǒng)設(shè)計位置采集模塊采用的是MPU6050， 其主要通信協(xié)議為IIC，可用于測量物體的三維參數(shù)，利用三個AD 轉(zhuǎn)換模塊將傳感器所獲得三維模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信息輸出，便于觀察結(jié)果。IIC 通信方式為半雙工，時鐘為高電平時，SDA 線上的數(shù)據(jù)必須保持穩(wěn)定，而當時鐘處于低電平時，SDA 線上數(shù)據(jù)可進行改變。 在數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖铋_始，一定要先輸入從機地址，一般為7 位地址，數(shù)據(jù)的第八位表示數(shù)據(jù)的傳輸方向。 一般系統(tǒng)運行過程中第一步為發(fā)送起始信號，然后等待從機應(yīng)答，從機應(yīng)答之后接著發(fā)送一個從機地址，從機應(yīng)答制后，繼續(xù)發(fā)送寄存器地址等待應(yīng)答。

3.3 溫度采集模塊

高鐵輪對高速旋轉(zhuǎn)， 且滑動摩擦劇烈時表面溫度可達1000℃以上。 因此本系統(tǒng)溫度傳感器并不安裝在輪對之上，而是置于輪對一側(cè)的軸箱轉(zhuǎn)臂上。 溫度采集模塊為DS18B20，DS18B20 內(nèi)含64 位光刻ROM、溫度傳感器，非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器TH 和TL 以及一個配置寄存器。根據(jù)DS18B20 的通訊協(xié)議，主機（單片機）控制DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過：每一次讀寫之前都要對DS18B20進行復位操作，復位成功后發(fā)送一條ROM 指令，最后發(fā)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(shù)據(jù)線下約750μs，然后釋放，當DS18B20 收到信號后等待16～60μs 左右， 后發(fā)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(tǒng)設(shè)計的需要同時將傳感器所獲取到的數(shù)據(jù)通過無線傳輸系統(tǒng)上傳至計算機終端系統(tǒng)， 后續(xù)會升級為云端數(shù)據(jù)庫。 本設(shè)計所使用的網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手為常用的調(diào)試助手，名稱為：USR-TCP232-Test。在進行網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)置的時候， 需要明確本機所接入的無線網(wǎng)絡(luò)與嵌入式系統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)為同一網(wǎng)絡(luò)，獲取本機IP 的方法如下，打開計算機網(wǎng)絡(luò)中心，查看網(wǎng)絡(luò)和Internet 選項之后點擊查看網(wǎng)絡(luò)屬性，尋找所連接到的WLAN 并查看具體信息，網(wǎng)絡(luò)調(diào)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(shè)計采用的默認端口號為8080。 本機IP 查找結(jié)束之后， 打開網(wǎng)絡(luò)助手， 網(wǎng)絡(luò)設(shè)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(jiān)聽， 在助手界面右下方正確連接之后會出現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)的IP 以及端口號。 出現(xiàn)已連接之后即可通過管理人員的選擇實時獲取所需環(huán)境數(shù)據(jù)， 不進行選擇即處于待機狀態(tài)，不進行任何數(shù)據(jù)傳輸。 當CPU 接收到管理員獲取數(shù)據(jù)的指令時LCD 與網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手同時顯示獲取數(shù)據(jù)。

4 結(jié)論

本文闡述了當前高鐵輪對健康狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)的不足。 基于STM32 系統(tǒng)設(shè)計了高鐵輪對健康狀態(tài)采集與通信系統(tǒng)。 介紹了系統(tǒng)總體架構(gòu)、主要元件選型、系統(tǒng)主要硬件模塊電路設(shè)計、系統(tǒng)軟件功能、主要軟件模塊設(shè)計思路。 本系統(tǒng)可以實現(xiàn)對高鐵輪對狀態(tài)參數(shù)的實時采集及無線傳輸，為其故障預測系統(tǒng)提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)。