基于LoRa无线技术的动车轴温无线监测系统设计
2018-03-01，，，
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(1.中国铁路总公司 呼和浩特铁路局 包头车辆段，包头 014000；2.大连科技学院)
引 言
随着高速铁路的快速发展，动车组列车在铁路运输中的角色越来越重要，所以对动车组列车关键部件状态信息的监测显得尤为重要，其中列车的轴温为列车健康状态的重要指标之一。动车组列车在行车过程中，由于线路状况以及行车环境对列车车轴发热产生一定的影响。当动车组列车轴温出现异常时，轻则造成机械损坏，影响动车组列车正常行驶，重则造成车轴断裂，车毁人亡，严重影响着铁路运输及行车安全。
传统的列车轴温监测采用人工巡检的方式，一旦列车轴温出现异常，无法第一时间将列车轴温信息反馈给列车检修人员。造成报警信息发现滞后，不能及时处理列车故障，影响行车安全。因此，基于上述原因，本文对动车组列车轴温报警系统进行了改善，在原有设计的基础之上设计了无线采集节点，无线采集节点通过轴温信息接口读取轴温信息，控制无线传出模块将轴温信息发送至无线手持终端。检修人员通过手持终端可以实时查看列车轴温是否在安全范围之内，保证了列车的行车安全。
1 无线监测系统硬件设计
无线监测系统主要由无线采集节点和无线手持终端两部分组成。车载系统有现成的温度采集系统，采集节点只需要与原先的温度采集系统进行通信，进而读出轴温信息，通常这种接口为RS485通信接口。为此，本文设计了RS485通信电路。图1为无线监测系统采集节点功能示意图。无线手持终端由LoRa 无线传输模块、SD 卡存储模块、OLED 显示模块、人机交互模块、电源模块以及MCU 微控制器模块组成。车检人员可通过人机交互界面选择性地显示特定某一车厢的轴温信息，也可以设置定期刷新整车的轴温信息，一旦轴温信息超过正常的范围，无线手持终端发出报警信息，提醒车检人员轴温异常。图2为无线手持终端的功能示意图。
图1 无线监测系统采集节点功能示意图
图2 无线监测系统手持终端功能示意图
1.1 MCU 微控制器硬件设计
STM32L151C8T6是基于Cortex-M3内核的微处理器。STM32L151C876相对于市场上常用的STMF103系列功耗更低，并且具有和STMF103系列同样的性能，它在物联网、工业控制、汽车行业嵌入式系统等行业应用十分广泛。除此之外，STM32L151C8T6还具有丰富的外围设备，具有丰富的外围I/O引脚，标准的SPI协议通信接口、I2C协议接口、高精度的ADC数模转换单元。图3为采集节点和手持终端的MCU微控制器最小系统图。
1.2 无线通信模块硬件设计
为了适应列车运行环境的复杂性，设计了基于LoRa无线技术的无线通信传输模块， LoRa是一种基于扩频技术的远距离无线传输技术，最早由美国Semtech公司采用和推广。无线通信传输模块的控制核心采用SX1278，该收发器主要采用LoRa远距离调制解调器，接收灵敏度可达-148 dBm，能够最大限度降低电流消耗，解决了传统设计方案无法同时兼顾距离、抗干扰和功耗的问题。图4为设计的SX1278接口示意图。
1.3 功率增强模块硬件设计
由于监测对象环境比较复杂，考虑到监测对象所处位置的复杂性和恶劣性，为确保监测数据能够准确无误地发送手持监测终端，设计了功率放大电路。本文采用BLT53A功率放大芯片，它提供了DC-3G的大带宽支持，并且提供了完整的输入输出接近50 Ω的内部匹配，图5为BLT53A功率增强模块电路图。
图3 CC2530微控制器模块
图4 SX1278接口示意图
图5 BLT53A功率增强模块电路图
2 监测节点软件的设计
软件设计主要涉及到无线发射器和无线手持接收器的编程,以及两者之间的数据传输帧结构的构造。
2.1 无线采集节点软件设计
由于轴温报警器分别分布在各个车厢，且轴温报警器通信协议已经标准化，为此无线采集节点的采集协议必须按照轴温报警器的通信方式进行编程。为了避免所有的无线采集节点同时将采集的温度信息发送给无线手持终端，产生信息“內爆”现象，引入了基于TDMA的通信方式，无线采集节点分别在自己的通信时隙内将采集的温度信息发送给无线手持终端。无线采集节点信息发送经过两个过程：① 采集节点开机等待手持终端的导频命令。② 采集节点接收到导频命令后，按照接收到的手持终端时隙命令，发送采集到的温度信息。
无线采集节点程序流程图如图6所示。
图6 无线采集节点程序流程图
2.2 无线手持终端的软件设计
无线手持终端具有三种功能：
① 向无线采集节点发送并采集命令，控制着采集节点的运行状态。
② 通过显示模块显示轴温信息、车辆ID 号、车辆种类等信息。
③ 具有报警功能，通过判断采集的轴温信息是否在正常范围内，若出现异常，则微控制器通过报警单元向列车巡检员发送报警信号，以便列车人员作出及时处理。无线手持终端的程序流程图如图7所示。
图7 无线手持终端程序流程图
2.3 无线监测系统信息传输数据帧结构构建
无线采集节点采集到轴温信息之后，为了保证数据传输的准确性和可控性，设计了无线数据传输帧结构，该数据帧结构由帧头(SOF)、车厢号(ID)、轴温信息(General frame format)、校验帧(FCS)四部分组成，数据帧具体结构如下所示。
123SOFIDGeneralFrameFormat
其中帧头SOF占用2个字节，ID号占用1个字节，General Frame Format占用不定长度，长度范围为4字节，FCS占1字节，表1为各字段定义。
表1 各字段定义
以下是FCS字段计算C语言示例程序：
unsigned char CalcFCS(unsigned char *pMsg, unsigned char len){
unsigned char result = 0;
while (len--){
result ^= *pMsg++;
}
return result;
}
3 通信测试及结果分析
为了保证轴温无线监测系统能够适应各种复杂环境，在极端情况下也能够准确、可靠地接收各个轴温采集节点的轴温信息，为此系统测试主要在无线通信距离方面进行。按照我国客运列车编组标准，无线通信距离至少满足1 500 m。考虑最不利的情况，无线采集节点放置列车的车尾，无线手持终端放置在列车车头，并且在列车正常运行的情况下进行测试。测试结果表明，手持终端能够稳定地接收无线采集节点的发射的轴温信息，并且能够发送命令操作特定的无线采集节点。为此，本文选取一个无线采集节点放置在车尾，手持终端放置在列车车头，做100次数据传输实验，每次数据传输100字节，图8为测试结果分析图。
结 语
图8 测试结果分析图
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曹昱(助理工程师),主要从事动车组列车运用与维护、检修工作。
