利用无线模块的列车轴承在线监测系统的设计

，，，，

(中国科学技术大学精密机械与精密仪器系，安徽 合肥 230027)

利用无线模块的列车轴承在线监测系统的设计

余文航，孔凡让，张海滨，陆思良，沈长青

(中国科学技术大学精密机械与精密仪器系，安徽 合肥 230027)

鉴于道旁麦克风采集的声音信号受多普勒效应及周围噪声影响而难以提取的缺陷，提出一种基于无线模块的轴承在线监测系统。通过振动传感器在线采集轴承振动信号，利用无线模块进行无线数据传输，最后对接收到的数据进行分析处理以确定是否有故障。主要从无线模块选型、硬件电路实现、通信协议等几个方面介绍了系统的设计与实现过程。

轴承监测；振动信号；无线模块；无线数据传输

0 引言

铁路运输在交通运输领域占有十分重要的地位，在国民经济建设中发挥着举足轻重的作用，据统计，铁路运输每年承担了全国旅客三分之一以上的运送量，完成了全国货物运送量的55%[1]。然而，由于列车所处的环境差异很大，列车的轴承、车轮轮箍和转向架等受到交变的作用力，常常会发生故障。这些故障对铁路运输造成的影响轻则是被迫停车，严重的则会导致列车出轨等严重事故。轴承故障是最常见最主要的列车故障类型[2]，因此，研究针对列车轴承的故障诊断与状态监测技术具有重要意义。

根据故障诊断技术机理的不同，诊断轴承故障的常用方法有振动分析法、噪声分析法、油样分析法、温度分析法和声发射诊断等[3]。其中，油样分析法仅仅适用于使用油润滑的轴承故障诊断，对使用脂润滑的轴承较困难；温度分析法对于列车轴承的早期故障检测能力弱；噪声分析法优点是可以进行无接触测量，其弊端是难以从周围环境中的各种其他噪声中分离出轴承异常的声音信号；声发射诊断使用超声波信号，检测频率更高，可以避开低频源和噪声干扰，在提高信噪比方面有一定作用，只是现阶段利用声发射诊断的应用还不多见；振动分析法是通过安装在轴承座和箱体上的振动传感器来监测轴承的振动信号，并对其进行分析和处理的方法，可以有效地诊断出早期轻微故障信号，具有测试与处理简单、直观，诊断结果可靠等优点，在实际中得到了广泛的应用。因此，选用振动分析法来监测列车轴承故障。

用振动分析法监测列车轴承的振动信号，关键在于怎样把传感器测到的振动信号实时地传给PC，再对接收到的信号进行分析处理以确定是否有故障。在此，介绍了一种基于无线模块的列车轴承振动数据采集系统，采用电池供电，整个电路功耗极低，所有数据传输都是无线的方式，是一个完全独立的系统。

1 总体设计

系统总体结构如图1所示(为单个轴承终端的示意)。图1中，上位机由PC、RS232串口和无线模块组成，下位机由单片机(MCU)系统、振动传感器和无线模块组成。实际应用中上位机置于列车的中间车厢中，下位机安装在轴承旁，由于列车有多个车厢，每节车厢又有很多轴承，每个轴承旁都装有一个下位机终端。当上位机PC发送采集某个轴承振动数据的指令时，此轴承对应的下位机便会接收指令、采集振动信号，然后通过无线模块把数据传给PC，最后PC对数据进行处理以确定是否有故障。系统设计的关键是无线模块的选型、主控电路的设计以及通信协议的制定。

图1 系统总体结构

2 无线模块选型

系统选择的是基于CC1101芯片的SM46型433 MHz无线串口通信模块。选择SM46模块，主要基于以下几个原因：

a.低功耗。CC1101是美国TI公司推出的一款低功耗、集成度高而多通道的无线收发芯片[4]，其供电电压为1.8～3.6 V，当其在发射模式下发射功率为0dBm时，电流消耗仅为11.3 mA;工作在接收模式下接收速率为最高的500Kb/s时，电流消耗仅为12.3 mA。而且SM46模块还有休眠及无线唤醒功能，当不需要传输数据时可让模块进入休眠状态，休眠电流不大于25μA。

b.传输距离远。可靠传输距离大于4 000m，而现在的列车总长一般都小于3 000m，满足传输距离的要求。

c.高抗干扰能力和低误码率。无线数据传输方式相对于有线通讯的主要缺点就是传输数据的可靠性有待改进，受环境影响较大。SM46模块使用GFSK调制方式，采用高效前向纠错信道误码技术，提高了数据抗突发干扰和随机干扰的能力，在信道误码率为10-3，可得到实际误码率为10-5～10-6。

d.其他的特点，如多信道多速率、透明的数据传输、智能数据控制无需用户编制多余的程序和体积小重量轻等。

3 主控电路设计

主控电路是终端最重要的部分。系统的硬件电路是按模块的功能进行设计的，设计选择STM32单片机作为控制器，符合高性能、低成本和低功耗的要求，适合作为无线通信系统的MCU。

在此电路设计中，STM32单片机完成的主要功能有：数据采集(通过振动传感器)、A/D转换(MAX1300芯片)、数据传输(无线模块SM46)、控制无线模块的休眠及唤醒、参数设置(采样频率、采样时间和波特率等参数)、温度及电池电量检测等。整个主控电路的组成如图2所示。

图2 主控电路组成

由图2可以看到，主控电路由5V的蓄电池进行供电。A/D转换器的5路中，4路用于振动数据，剩下1路用于电池电量，温度传感器监测终端的温度。

4 通信协议[5]

所谓通信协议就是指通信双方共同遵守的交换数据的格式和意义上的一组规则[6]。虽然SM46无线模块有高抗干扰能力，但是不能完全不受干扰，数据的传输总会受到周围的干扰，因此，需要拟定通信协议来保证获得数据的稳定性。

系统中需要传输的数据有指令和数据2种。指令又可以分为2类：上位机给下位机的指令(下行指令)，下位机给上位机的指令(上行指令)。

4.1 指令传输

先来介绍指令的通信协议。下行指令主要有启动采集数据、上传数据、休眠命令、唤醒命令、采样频率设置、采样时间设置、波特率设置、温度检测、电量检测、重新发送和校验通过等，上行指令则对应有下行指令执行的反馈。根据这些需要的指令可以看到，指令通信帧格式有3个字节即可。如表1所示，第1个字节表示此指令的方向和内容，指令方向即是上行指令还是下行指令，此处0x(Hex)表示下行指令，4x(Hex)表示上行指令。中间1个字节给出的是目标地址，即终端的地址。列车有多节车厢，每节车厢又有很多个轴承，因此，整个系统会有很多个终端，终端地址就是代表这些终端的编号。最后1个字节是出错校验码，由于指令数据相对比较可靠，这里采用校验和的校验方式，因此，这里第3个字节的值是第1个字节和第2个字节进行按位或运算的结果。通过第3个字节的值，可以检验收到的指令是否正确。

表1 指令数据的通信帧格式

指令方向指令内容目标地址校验码1字节1字节1字节上行指令00～0F00～FF00～FF下行指令40～4F00～FF00～FF

以一个例子来说明指令格式，如十六进制数“020103”的意思是PC给第2个终端的上传数据指令。第1个字节“02”中的“0”代表下行指令，PC发给终端的，“2”是指令内容，第2个字节“01”是终端的地址，第3个字节“03”是02和01按位或运算的结果。

4.2 数据传输

振动信号的无线数据传输是系统的核心内容，必须要保证数据的准确完整。尽管SM46无线模块理论上可以发送无限长的数据包，但为了传输数据的可靠性，在这里须将数据包分成很多小数据包进行传输。分析如下：假设无线模块实际通信误码率为10-4，实际需要传输1KB=8192bit的数据，如果将1KB数据当成1包发送，则至少有1位出错的概率很大(接近于1)，这样导致1KB的数据包被准确接收的概率很小；而如果将这1KB数据分成10包，每包数据1000bit,则发送10包后，按概率只有1包会出错，将出错的数据包重新发送，则虽然多发了1次数据，效率降低了约10%，但是能保证所有数据的正确接收。

在系统中，小数据包的校验采用循环冗余校验码(CRC校验)。CRC校验是数据通信领域中最常用的一种差错校验码，其特征是信息字段和校验字段的长度可以任意选定。在这里，信息字段取25个字节的长度，校验码取1个字节的长度。如表2所示，将振动信号数据按包分成每包29个字节进行发送。前面3个字节是帧首，其中中间1个字节给出的是终端地址，第3个字节是帧首校验码。接下来25个字节给出的是信号数据。第29个字节是CRC校验码。

表2 振动信号的通信帧格式(调整前)

帧首信号数据CRC校验码3字节25字节1字节

用表2的格式做无线数据传输的测试结果，发现经常出现暂停和数据错误的结果。下面来分析原因。

按照上面的通信格式，无线数据传输流程如图3所示。上位机发送传输数据的指令给下位机，下位机校验指令之后做出判断，成功则发送OK回馈给上位机，同时准备发送第1个数据包，上位机收到OK之后进入循环等待时间，收到第1个数据包之后进行CRC校验并判断，成功则发送yes(Y)，下位机收到之后开始发送第2个数据，失败则发送no(N)，下位机收到之后重新发送第1个数据，以此循环。

然而实际应用中，由于无线传输的局限性，数据可能出现丢失或者错误的情况。对于数据错误的情况，可以通过和校验(对于指令数据)和CRC校验(对于振动数据包)的方法来很好地解决。数据丢失包括数据包丢失和指令丢失2种情况。对于数据包丢失的情况，这里以图3中第1个数据包丢失为例，上位机收不到数据，也没收到发送失败的信息，就会一直等待下去，下位机没有收到上位机关于发送成功或者失败的信息，也会处于等待状态，这就是实际测试中出现暂停的原因。对于这种情况，可以引入超时的概念来解决，即等待接收有一个时间限制，不会是无期限地等下去。在此，可以使用MCU定时器来准确定义这个超时的长度。在下位机的无线模块发送完第1个数据包之后，打开定时器开始计时，则超时理想的长度时间，由SPI读数据时间、分析时间、转换为发送模式时间、写发送数据时间和无线发送时间来定义。如果收到了上位机发送OK的信息，定时器关闭，而如果超时时间到还未收到回传，则认为此处数据传输失败，重新发送数据。

图3 无线数据传输流程

而对于指令丢失的情况，这里以图3中上位机收到第1个数据之后，发送的yes丢失为例。下位机没有收到发送成功的信息，过了超时时间便会认为发送失败，于是开始重新发送第1个数据包，一直到收到PC传来的发送成功的信息才开始发送第2个数据。这样PC相对于收到了多次第1个数据包，把收到的数据包按顺序处理的时候，显然会出现重复而导致整个数据都错误的情况。这里采用重新定义振动信号的通信帧格式的方法来解决。如表3所示，将振动信号分成每包32个字节进行发送，前面29个字节和调整前的一样，后面3个字节加入数据地址的信息(其中，前2个给出数据地址，第3个是数据地址校验)。数据地址就是本数据包在整个数据中的编号位置。有了数据地址的信息，PC再对数据包进行处理的时候，就可以剔除重复的数据包，并将需要的数据包按数据地址排列好，再分析处理是否有故障。

表3 振动信号的通信帧格式(调整后)

帧首信号数据CRC校验码数据地址3字节25字节1字节3字节

用调整后的通信帧格式再做无线数据传输测试，结果不再出现暂停和数据错误的情况，证明了系统的无线数据传输的可行性。

5 结束语

提出了一种列车轴承在线监测的系统。通过无线模块传送振动数据的方法，可以有效地避免多普勒效应和周围背景噪声给轨边声学诊断系统带来的不足和方法本身的缺陷。 重点介绍了无线模块的选型、主控电路的设计以及无线通信协议。通过无线数据传输实验初步验证了系统的可行性。对于后面的工作，主要有两点：一是想办法将下位机安装在列车轴承旁；二是在列车上试验一下是否能按预期去测轴承的振动数据。

[1] 李明华，罗世民.铁道概论[M].长沙:中南大学出版社，2010.

[2] Sneed W H，Smith R L. On-board real-time bearing defect detection and monitoring[C]//Proceedings of the 1998ASME/IEEE Joint Railroad Conference, 1998:149-153.

[3] 陈變蛟.基于振动信号的滚动轴承故障诊断研究[D].西安:西安电子科技大学，2011.

[4] 李 晶.基于CC1101的短距离无线通信网络的设计[D].成都：电子科技大学, 2011.

[5] 李现勇.Visual C++串口通信技术与工程实践[M].北京：人民邮电出版社，2002.

[6] 刘江沙，雷 伟，尹 酉.基于CC2430的串口无线模块的设计[J].国外电子元器件，2007(4)：47-50.

Design of a Online Monitoring System of Train Bearing Based on Wireless Module

YUWenhang，KONGFanrang，ZHANGHaibin，LUSiliang，SHENChangqing

(Department of Precision Machinery and Precision Instrumentation, University of Science and Technology of China, Hefei 230027,China)

In view of the defect of acoustic signal collected by microphone which is hard to extract for it corrupted by the Doppler Effect and surrounding heavy noise, this paper will show us a online monitoring system of train bearing based on industrial wireless module. It can collect bearing vibration signal in real time by vibration sensors, transport the data by wireless module and finally analyze and process the

data to determine whether there exists a fault. The paper mainly introduces the development and realizing process of the system in the aspects of the selection of wireless module, the design of the hardware configuration, communication protocol and so on.

bearing monitor; vibration signal; wireless module; wireless data transmission

2014-06-04

TH133.3；TN911.7

A

1001-2257(2014)10-0055-04

余文航(1989-)，男，安徽安庆人，硕士研究生，研究方向为基于无线物联网的高速列车轴承故障在线诊断；孔凡让(1951-)，男，安徽合肥人，教授，博士研究生导师，研究方向为强噪声多声源陡畸变高速列车轴承声学诊断、基于无线物联网的高速列车轴承故障在线诊断。