基于无线传感器网络的机车 便携式轴温报警装置的研制及应用

马森月

摘 要：文章以Android系统为服务器、ARM11开发板为客户端开发一种便捷式的轴温监测报警装置，通过无线通信进行数据传输，达到在实际应用中维护人员可以在列车的任意位置对每一车轴的温度值进行实时检测，并将结果实时上传到手机端，对机车轴温起到一定的监控和报警作用。

关键词：便携式轴温检测;机车;无线通信;Android;ARM;报警

中图分类号：U270.7;TP39 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2021）07-0185-03

Development and Application of Locomotive Portable Axle Temperature Alarm Device Based on Wireless Sensor Network

Ma Senyue

（Environment & Equipment Design Department of China Railway First Survey & Design Institute Group Co.，Ltd.， Xi an 710043， China）

Abstract：The paper uses the Android system as the server and an ARM11 development board for the client to develop a convenient shaft temperature monitoring and alarm device， through wireless communication for data transmission， maintenance personnel can perform real-time detection of the temperature value of each axle at any position of the train， and the result is uploaded to the mobile phone in real time， which plays a certain role in monitoring and alarming the temperature of the axle.

Key words：portable axle temperature detection; locomotive; wireless communication; Android; ARM; alarm

0 引言

近年來，铁路运量以及提速范围均呈现出逐渐增加的发展态势，在这一背景之下，人们对铁路运输所提的要求越来越严格，要求其进一步提升安全以及技术等各个层面的保障。轴温检测是机车安全监测系统中的重要组成部分，传统的高速列车轴温报警装置由于无法及时动态地获取车辆在运输过程中由车轴与轴承摩擦产生的温度信息，导致在温度过高时不能及时发现，进而引发燃轴、切轴等一系列问题，甚至造成列车运行事故，影响铁路的运输安全。因此，迫切地需要开发出一个相对独立的轴温探测设备，能够实现对轴温持续性的动态检修，同时携带方便、操作简单，能够减少一定的人力成本输出。

本文对国内外学者相关研究进行借鉴，同时，以一些具有先进性的检测模式及其相关理念为指导，进一步结合实际使用需求，进行创新与探索，寻求从单片机向ARM的嵌入式过渡，传感器到数字型温度传感器网络的温度采集研究方向出发，提出一种便携式的轴温报警装置设计，该设计以Android手机端为服务器，以ARM11开发板为信号终端，经无线传感器通信系统进行数据传输，在保证检测系统的可靠性和稳定性的前提下，把分析数据及时发送到手机端，完成对车轴温度的实时动态检测。

1 便携式轴温报警装置设计

1.1 整体方案

基于无线传感器网络的机车便携式轴温报警装置的主要功能体现为：使温度测量采集开发板与智能手持终端两者之间实现稳定连接、对车轴温度数据的采集、可靠的无线数据传输。这就要求无线信号覆盖面积达包含整个列车，才能保证手持终端可实时获取车轴温度。

目前，嵌入式系统非常丰富，其应用领域越来越多。本文中以 ARM11处理芯片为基础展开高速轴温检测报警装置的研究，主要是由于该处理芯片具有比较快的处理速度，可以保持一个较低的功耗，同时，支持无线网络等较为突出的优势。具体系统方案如图 1所示。

1.2 ARM设计

以开发板OK6410-A进行车轴温采集和数据发送模块的设计，其关键芯片采用 S3C6410，并使用数字温度传感器 DS18B20实现温度采集。为优化多点检测，采用模拟开关 +GPIO 驱动控制的方式，利用+GPIO的控制可通用性，并提供标准的操作函数，可跨平台使用。

在数据发送核心设计中，采用 SDIO Wi-Fi和 TP-LINK-WR700N 便携式路由器模式创建无线局域网，使用其自带的静态IP地址，便于通信时对设备地址的获取和控制。为保证信号强度，可以对Wi-Fi技术加以应用，以该技术中的无线分散系统为支持，通过对特定方式的采用，将无线路由器的发射功率增加，或者是对中继器进行合理的增减处理，以此优化无线分散系统中各相关指标所具有的性能，达到信号全面而又有效覆盖的最终目的。

1.3 手持终端软件设计

采集端完成对轴温数据的采集和发送，需要发送到手持终端，经手持端软件处理显示具体的轴温数据。构成手持终端软件系统的子模块比较多，主要有以下6个方面：①具体开发环境的搭建：该模块的功能在于为手持终端软件提供一个积极、良好的开发环境。②登录模块：从入口层面为软件安全提供相应的保障，在用户完成登录之后，对他们的相关信息进行维护。③应用界面：将接收到的温度信息进行具体数据展示、曲线展示和警告展示。④数据库：与实际表现出来的应用需求相结合执行对数据的存储任务，同时，对数据库适配器BaseAdapter加以运用，建立起同数据库之间的连接，以此达到对数据来源等的显示、匹配以及解耦等相关目的。⑤数据加载控件：基于缓冲机制的支持，在ListView控件的运行下将数据动态加载并显示出来，以此将查询时间有效缩短，同时，在一定程度上将系统内存消耗降低。⑥通信设计：以UDP协议为基础完成各个模块之间的数据或相关信息传输。

2 便携式轴温报警装置软件实现

机车便携式轴温检测报警系统主要功能集中于手持端，其软件的实现过程如图2所示。

（1） Fragment/界面实现。从登陆界面上来看，其布局主要通过Fragment这一核心应用来完成，登录框架的设计与实现由UI设计来完成。从总体上来看，将Fragment作为核心应用，可以确保一个界面能够被多次使用，这无异于一个轻量级的Activity，无论是在开发上，还是在具体的配置上，都表现出一定的简约优势，对于屏幕空间利用率的提升具有积极意义，另外，界面的优化同样能够通过对Activity中的Fragment加以替换来完成，在具体的维护上具有方便性。

根据实际需求，可静态或动态地使用Fragment，使用步骤为：创建fragment的xml自定义Fragment继承自Fragment，在其中绑定fragment的视图，写fragment自己的事件在Activity的xml中通过id引用该fragment。

（2） Socket通信实现。数据通信过程主要为：传感器采集到车轴上的温度交由开发板，通过开发板内无线通信模块将数据通过Wi-Fi发送给Android智能手机端，完成数据通信。考虑到手机做客户端时IP地址需要频繁更换的问题，采用手机为服务端，结合 IP+端口号便可与多个开发板采集端（客户端）进行连接，并接受多个数据。

通常情况下，Socket通信会以子线程的形式在安卓平台上呈现出来，由于受到安卓机制的影响，子线程并没有对UI线程进行更新的权限。一方面，子线程并不能对UI线程所涉及到的空间句柄加以引用;另一方面，UI线程中原本具备的阻塞功能会在一定程度上造成程序抛出ANR错误。为了对Socket通信耗费时间比较长这一实际问题加以解决，需要将其放置在一个子线程内，以此达到减少CPU占用的目的。借助于LitePal封装开发环节所具有的数据库功能，同时，对main_activity方法加以运用，执行对通信子线程的创建任务，在数据库中执行对各项数据的存储操作。在具体的信息通信环节，各UDP数据均能组装成一份IP数据包，通过对Socket的直接调用，同Socket Server进行对话即可实现数据的收发。

（3）温度数据显示实现。当Socket通信完成了对数据的接收与存储，并实时显示具体的温度数据之时，可以对数据库中最新一条数据进行调用，通过这一方式完成温度的显示。具体地，可以进行一个能够在Fragmen中实现循环读取温度数据代码的编写，并将该代码封装于子线程中，之后持续地刷新并获取最新的数据，便可以实时的显示在UI界面中，这以Handler消息处理机制对消息的发送及处理为支持。

（4） 消息报警与曲线展示实现。针对温度过度时的报警消息提示和数据轨迹展示功能，采用Dialogfragment和MPAndroidChart实现。基于Dialogfragment实现报警提示、用户操作确认提示、连接成功和登录成功提示等等;MPAndroidChart实现的轴温监测曲线图包括：轴温数据、图形坐标、标题等。为了避免由于数据过多而导致信息查看不及时和不方便，系统中添加了Android 的 ScrollView组件，可以实现滚动展示相关信息的功能。

3 机车便携式轴温报警装置可行性测试

根据系统需求分析进行白盒测试，测试项及测试结果如表1所示。

机车便携式轴温报警装置的应用效果如图3所示，途中手持终端中显示了 6个车轴实时的轴温数据，车轴温度过高时会给出报警状态提示，并可进行网络参数设置，绑定车轴。

4 结语

文章将机车车轴温度监测警报功能独立出来进行研究，提出了一种基于便携式手持端，实现接收和实时显示轴温数据功能，达到有效轴温报警效果。设计中，以 DS18B20 数字温度传感器和SDIO Wi-Fi 模块为技术核心，完成温度数据采集与无线传输，并通过TCPSocket 通信机制完成数据闭环流程。经对系统测试，基本可满足实时车轴温度警报功能。

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