基于ZigBee的便携式无线列车轴温监测系统设计

袁 航，高军伟，张 震，张 彬

（青岛大学 自动化与电气工程学院，青岛 266071）

0 引言

车轴是带动车轮运动的轴承，普通的列车车轴一般是实心的，动车组为了追求轻量化车身，车轴是中空结构。一个车厢有两个转向架，一个转向架有两组车轮，四个轴端[1]。在列车运行过程中，由于机械运动摩擦产生热量，车轴的温度会有些许升高，这属于正常现象。当遇到恶劣的天气，或者列车的运动状态不正常时，列车轴温会急剧升高，如果不能及时发现、检修，很有可能发生燃轴事故[2]。我国高铁技术一直位列世界先进水平，随着列车速度的不断提高，列车轴温监测的准确性变得尤为重要。目前国内外应用最多的轴温监测方式是红外线轴温探测系统，该方式是在钢轨上每隔一定的距离安置一个红外线探头获取轴温信息，具有一定的滞后性，出现故障后不利于列车的安全运行。有许多厂商对红外线探测方式进行了一些改进，还有一些新兴的轴温探测技术正向着车载智能的方向发展，以提高轴温探测的准确性，确保监测的实时性。当车辆自身的某个终端轴温监测系统出现故障时，为了列车继续安全运行，需要安装应急式的轴温监测装置。近些年随着物联网的发展、ZigBee技术的日趋成熟和智能传感器的广泛使用给轴温传感器带来了新的思路[3,4]。本设计提出的基于ZigBee开发平台的轴温监测系统易于安装，节省时间，功耗低，实现了故障终端温度数据的实时无线传输、监测，给列车安全运行提供了有力的保障。

1 便携式无线轴温监测系统总体设计

当列车的轴温监测系统出现报警或故障，机械师下车检查车轴温度情况和列车轴温监测系统终端故障情况。如果车轴出现激热，列车需要就近到站点更换车底。如果车轴温度完全正常，说明是自身监测系统终端故障[5]。当出现以上两种情况时，需要安装应急式的便携式无线轴温监测系统以保证列车安全运行。便携式无线轴温监测系统主要由多个车轴温度采集终端、协调器和上位机PC终端组成。总体结构设计如图一所示，传感器在收到上位机通过协调器以广播的形式发送到采集终端的指令后进行初始化，经过短暂的延迟后开始收集列车的轴温数据，在自身完成温度转换后将温度数据打包发送到ZigBee采集终端节点，采集终端将温度数据以点播的方式发送到协调器节点，协调器节点汇总各个车轴温度采集终端传送的温度数据，然后通过串口通信的方式发送到上位机显示，监测人员可以在列车车厢内PC端随时观察列车的轴温变化情况。

图1 便携式无线轴温监测系统结构图

2 便携式无线轴温监测系统硬件设计

2.1 ZigBee技术

ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的局域网协议的短距离、低成本、自组网无线通信技术，工作频段为2.4GHz，属于无执照范围。ZigBee协议分为两个部分：IEEE802.15.4定义了物理层（PHY）和媒体访问控制（MAC）层；ZigBee联盟定义了网络层（NWK）、传输层（TL）和应用层（APL）[6]。表1为ZigBee技术与其他常见无线通讯技术的对比。通过表一可以看出ZigBee传输速度较慢，但是组网简单、灵活，功耗低，适用于传感器网络。

ZigBee的网络拓扑形式有树形拓扑、网状拓扑和星型拓扑，拓扑结构形式如图二。网状拓扑和树形拓扑与星型拓扑相比，组网方式比较复杂，存在路由节点，信息传递都必须要经过路由节点。两者区别在于网状拓扑的路由子节点之间可以进行信息传递，树形拓扑的路由子节点只能与父节点和子节点传递信息。星型拓扑结构简单，包括一个协调器和一系列终端节点，每个终端节点只和协调器节点通讯。根据轴温监测应用的实际情况，本设计选择星型拓扑网络结构。

2.2 网络节点设计

ZigBee网络中有三种节点：协调器（Coordinator）、路由器（Router）和终端设备（EndDevice）[7]。本设计包含协调器节点和终端设备节点，车轴温度采集终端属于终端设备节点。在安装便携式无线轴温监测系统时，车轴温度采集终端安装在出现轴温监测故障的车厢车轴终端，协调器按照星型拓扑结构的原则，安装在离各个车轴温度采集终端最近的车厢机械室。

协调器和车轴温度采集终端选用美国TI公司新一代ZigBee处理器CC2530。CC2530芯片内置增强型8051内核，在本设计中可实现片上处理温度数据，工作环境温度为-40℃～125℃，符合轴温监测环境的需要[8]。

图2 ZigBee网络拓扑方式

2.3 协调器硬件设计

协调器节点与PC端通信方式为串口通信，考虑到USB接口的易操作性和普遍性，本设计在主芯片外围增设了PL2303HX芯片实现了Uart接口和USB接口的转换。PL2303HX接口转换电路如图3所示。USB接口的电压为+5V直流电，符合协调器的供电标准，PC端可以直接给协调器供电。增设TTL接口，用来连接TFT彩屏模块。协调器上电后，TFT屏幕显示组网信息。

表1 无线通讯技术比较

2.4 车轴温度采集终端硬件设计

车轴温度采集终端如图4所示，包括DS18B20数字温度传感器、ZigBee芯片CC2530和电池电源供给模块[9]。本设计采用的轴温传感器是直接接触式数字传感器DS18B20，该传感器具有体积小、抗干扰能力强、精度高，成本低等优点[10]。测温范围是-55℃～125℃，符合轴温监测要求。DS18B20采用单总线设计，有三个引脚分别是VCC、DQ和GND，DQ为通讯传输引脚，温度数据通过该线传输到CC2530的片上处理器。DS18B20引脚输出为数字量，方便CC2530的MCU单元处理。在本设计中车轴温度采集终端采用电池供电，两节电池可以支撑一个采集节点常规使用半年左右，在本设计的情况下可以实现反复多次使用。

图3 PL2303HX接口转换电路

图4 车轴温度采集终端结构图

图5 功放电路图

2.5 功放电路设计

考虑实际情况，如果车头和车尾的车轴出现轴温监测故障，将协调器安装在中间车厢，协调器和采集终端最远距离可达到100m以上，而普通的CC2530芯片的稳定通信距离最多到达50m。为了满足需要，在ZigBee芯片外围增加了以RFX2401C为芯片的PA功放电路，增大发射功率，阻抗匹配50Ω，进而提高无线传输的距离和稳定性。功放电路如图5所示，功放电路由巴伦电路和RFX2401C组成。巴伦电路的原理是使平衡信号和不平衡信号互相转换[11]。CC2530发出的射频信号是双向差分形式，因此需要巴伦电路将双端口转化成单端口，然后接入功率放大器RF2401C。功率放大器RF2401C的ANT端口为天线输入接口，接入单极天线后，由天线发射放大处理后的射频信号。

3 便携式无线轴温监测系统软件设计

便携式无线轴温监测系统软件设计包括下位机CC2530的程序开发和PC端上位机监控软件设计两部分。下位机CC2530程序开发主要实现协调器和采集终端的组网，以及对温度的采集和无线传输。上位机监控软件主要实现对多个列车轴端温度的实时监测。

3.1 下位机软件设计

本设计下位机的程序开发环境为嵌入式开发工具IAR Embedded Workbench。IAR支持多种微处理器，兼容汇编语言和C语言，方便调试ZigBee。下位机的程序开发主要是在IAR中使用TI公司自带的ZigBee协议栈—Zstack。Zstack中有丰富的函数库，可直接用于调用，再根据官方给出的程序例程，结合轴温监测的需要，移植DS18B20温度传感器的程序。协调器、车轴温度采集终端和DS18B20温度传感器的程序在IAR的环境下编译成功后，连接ZigBee仿真器SmartRF04EB烧写入程序，最后进行实地调试。

DS18B20温度传感器有着严格的时序要求，包括初始化时序、写时序和读时序。在给DS18B20编写程序时，要按照时序的要求执行操作。采集终端中CC2530的CPU控制DS18B20的执行操作，先发送复位脉冲，使DS18B20初始化，再写入跳过ROM指令、发送温度转换指令，然后再执行复位，匹配ROM，最后写ROM，读RAM温度数据。利用协议栈里的定时器，规定车轴温度采集终端每隔1秒向协调器发送一次数据。具体车轴温度采集终端的软件流程图如图6所示。

协调器负责组建ZigBee网络，是网络的核心设备。将协调器连接到计算机以后，协调器自动进行信道搜索完成网络初始化，然后设定采集终端的地址和网络参数[12]。组网成功后自动接收来自各个采集终端的温度数据，通过串口通信发送到PC端的上位机显示。协调器的软件流程图如图7所示。

图6 车轴温度采集终端流程图

3.2 上位机软件设计

上位机监控软件采用C++语言编写，开发环境为微软公司的Visual Studio平台，支持同时监测四个温度采集终端。监测界面有串口号的选择，打开串口后，系统即开始运行。下位机波特率通过IAR软件设定为115200，监控界面默认波特率为115200。系统运行时，监测界面有每个采集终端的实时温度数据显示和温度趋势图像显示。在温度趋势图中，x轴为时间，y轴为温度。车辆管理人员可以向左移动x轴查阅图像上暂存的历史温度数据。

4 实验测试及结果分析

便携式无线轴温监测系统硬件环境为一台笔记本计算机、ZigBee协调器、车轴温度采集终端和电池电源，将协调器连接到笔记本计算机，并用电池电源给车轴温度采集终端供电。网络节点采用星型拓扑网络结构，根据列车车厢以及周围环境的实地情况，在控制工程实验室模拟出系统设备在现场使用的环境。

协调器和车轴温度采集终端上电以后，车轴温度采集终端会自动搜索网络并绑定离自己最近的协调器。协调器节点的TFT屏在上电后会显示组网信息，通过查看TFT屏幕的组网信息可以判断组网是否成功。如图八是上电后的协调器节点实物图，图9是车轴温度采集终端实物图。

图7 协调器流程图

图8 协调器实物图

组网成功后，车轴温度采集终端自动打包温度数据并以点播的方式通过RF射频端发送到协调器节点。打开软件启动上位机程序，首先设置与协调器串口通信时的串口号，设置成功后开始读取协调器发送的温度数据，点击自动刷新，四个车轴温度采集终端温度会实时显示，并且自动绘制温度趋势图，温度数据每隔1秒刷新一次。上位机程序监测温度数据结果如图10所示。经实验测试，上位机程序运行稳定，传感器采集温度正常，当测试距离100m时，温度数据传输正常，丢包率低于1%，符合应急轴温监测的需要。

图9 车轴温度采集终端实物图

图10 轴温监测系统上位机运行结果

5 结束语

本设计针对铁路运输的特点和需求，提出一种应急式的可以快速安装的便携式无线轴温监测系统方案：使用数字温度传感器DS18B20检测轴温，并借助无线通信ZigBee技术传输温度数据，最后通过串口通信发送至上位机显示。该系统体积小，易于安装，操作简单。监测界面简洁易懂，方便车辆管理人员使用。模拟实验的结果表明，该系统可以准确、实时监测轴温的变化，当列车某几节车厢的轴温监测系统发生故障时，安装便携式无线轴温监测系统可以保证故障车厢轴温处于正常监控状态，继而保障了列车的正点、安全运行。

[1]张长青.无线轴温监测系统在CRH380A/AL型动车组中的应用[J].工业控制计算机,2016,29(1):157-158.

[2]赵志梅,张帆.基于无线传输的高速列车轴温集中监测系统[J].计算机测量与控制,2012,20(5):93-95.

[3]杨旭英,杨俊杰.基于ZigBee技术的变电站高压室温湿度监控系统的设计[J].制造业自动化,2015(5):118-120.

[4]吴晨霞.基于ZigBee技术的轴承温度监控系统[D].大连理工大学,2009.

[5]哈大雷,王乾,蒋涛,等.新型轴温监测系统在高速动车组上的应用[J].大连交通大学学报,2013,34(1):89-94.

[6]冯艳波.基于无线传感器网络的列车运行安全监测系统[D].西南交通大学,2009.

[7]Mohan K J, Samar Jyoti M, R.Venketeshwaran P, et al. Intelligent Localization Algorithm for Temperature Monitoring using Wireless Sensor Networks[J].International Journal of Computer Applications,2014,94(14):42-49.

[8]张高明,吴新春,白天蕊.基于CC2530的轴承温度监测[J].电子产品世界,2016,23(11):79-81.

[9]王新玲,孙运强,姚爱琴.列车车轴温度无线监测系统设计[J].计算机测量与控制,2012,20(1):119-121,186.

[10]徐超凡,姜璐,刘飞,等.铁路列车便携式轴温报警装置的研制[J].铁路计算机应用,2016,25(3):50-53.

[11]杨京,周凤星.ZigBee无线网络功放的设计与仿真[J].通信技术,2010,43(6):120-122.

[12]Malhi K, Mukhopadhyay S C,Schnepper J, et al. A Zigbee-Based Wearable Physiological Parameters Monitoring System[J].IEEE Sensors Journal,2012,12(3):423-430.