基于无线传输的高速列车轴温集中监测系统

　　摘要：为避免高速列车在运行中产生热切轴现象，采用2.4GHz无线通信技术设计了轴温集中监测系统，系统由安装在车轴上的监测节点和监测台组成；监测节点采用ATmega128L作为微控制器，利用温度传感器PT100实现轴温的采集，并通过无线模块nRF24L01实现数据的传输；监测台主要负责集中接收、处理、显示和存储各监测节点发送来的数据；当轴温过高时，报警提醒驾驶员采取紧急措施，避免发生事故；经试验表明，该系统能够准确测量运行列车的轴温状态，给出了实验结果并进行了分析。

　　关键词：轴温集中监测；列车安全；无线传输。

　　0 引言

　　列车在高速运行的过程中，机车与钢轨的频繁冲击会造成车辆轴承的发热，当轴承磨损和产生缺陷时，会造成机损从而影响车辆的正常运行，甚至出现热切轴，直接导致火车发生故障翻车，给国家和社会在铁路运输造成巨大的经济损失。目前我国大部分采用红外轴温监测系统，但这种设备易受外界环境影响、探测点受车身摆动影响定位困难等原因，使得轴温过高告警兑现率低、误报率极高、而且外界因素对其工作状态容易产生很大的干扰，失真严重，极有可能给发出错误的温度提示，影响铁路运输的正常工作［1-2］。针对这种情况，设计了系统简洁、布局小巧、灵敏度高、收发信息能力快速的高速列车轴温集中监测系统，可在第一时间发现运行中的列车轴承是否温度过高，如轴温超过预设定值，就发出报警信号，机车司机可及时的停车检查，有效地降低事故发生率，避免因事故而产生的巨大经济损失，维护铁路运输的正常运行。

　　1 系统总体设计

　　高速列车有多节车厢组成，每节列车车厢有两个车轴架，每个车轴架上有两个车轴，每个车轴两端又有两个轴箱。设计中在每个轴箱上安装一个轴温传感器，每个轴架上设一个监测节点。绝大多数列车轴温报警装置仍然沿用了传统的单车分散报警的模式，又考虑到列车存在经常调换机车车头和车厢的问题，所以在传输方式上系统选用了2.4G无线通信传输方式。

　　为了防止数据阻塞，采用了轮询问答方式进行通信，大大提高了通信质量和可靠度。系统主要由多个监测节点和一个部署在驾驶舱内的监测台组成。系统结构示意如图1所示。

　　

　　图1 系统结构示意图

　　监测节点通过温度传感器将模拟信号转换成数字信号，实时地将列车每个车轴的轴温情况传送到安装在机车头的监测控制台，进行分析、显示，供机车司机或者地面车辆检修部门随时监测车辆运行时轴温的变化情况。在列车运输过程中，当出现轴温异常时，监测台能发出报警信号给司机，提醒及时停车采取一定的措施排除故障，降低了机车在运行过程中因轴温过高发生事故的几率，从而确保列车运行的安全。

　　2 硬件结构

　　系统的无线节点硬件主要由微控制器ATmega128L、温度传感器PT100、无线通信模块nRF24L01、存储器K9F5608和电源管理模块等组成。其中监测台还包括报警和显示屏单元。

　　硬件部件的控制器单元主要功能在于控制温度传感器采集列车的轴温信息，并对信息进行处理和转发，以及对接受到的数据进行分析、显示。数据采集单元主要是通过温度传感器对轴温信息的采集。无线通信单元用于发送采集到的轴温数据，并与列车监测台进行实时通信。节点硬件构成如图2所示。

　　

　　图2 节点硬件构成

　　2.1 微控制器ATmega128L

　　考虑到控制器既要满足系统的需求，又要保持低功耗和小体积的特性，故选用了8位微控制器ATmega128L，相对于其他通用的8位微控制器来说，它具有非常丰富的资源，工作于16MHz时性能高达16MIPS，具有片内128k字节的程序存储器，4k字节的数据存储器和4k字节的E2PROM;具有两个16位定时器/计数器；具有53个通用I/O 口线、实时时钟RTC、两个USART、可工作于主机/从机模式的SPI串行接口、8路10位ADC、两路8位PWM、与IEEE1149.1规范兼容的JTAG测试接口用于片上调试，以及6种可以通过软件选择的省电模式。控制器的ADC口与PT100的输出连接，SPI接口与无线通信模块nRF24L01连接实现数据的收发，PWM口用来驱动监测台的报警单元，数据总线和地址总线与存储器配合使用。

　　2.2 无线通信模块nRF24L01

　　nRF24L01是工作在2.4GHz~2.5GHz的ISM 频段的单片射频收发器，内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块，支持Shock-Burst和Enhanced Shock-Burst两种数据传输方式，其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。nRF24L01功耗低，在以-6dBm的功率发射时，工作电流也只有9mA，接收时，工作电流只有12.3mA，多种低功率工作模式（掉电模式和空闲模式）使节能设计更方便，接口最高速率可以到达8Mbps，工作电压1.9~3.6V，采用SPI接口进行数据的收发，无线数据的传输速率最高达2Mbps，并有自动应答和自动重发射功能。输出功率、频道分配及协议的选择可以通过SPI接口进行设置［3］。

　　2.3 温度传感器PT100

　　常用的接触式测温传感器有热电偶、热电阻、半导体石英晶体等，铂热电阻在0℃时的电阻值称R （0℃）和100℃时的电阻值称R （100℃）以及R （100℃）/R （0℃）叫做比值W100.监测节点温度传感器采用的是铂电PT100，PT100的含义为（0℃）时的名义电阻值为100Ω，在温度作用下，铂热电阻丝的电阻值随之变化而变化，且电阻与温度的关系即分度特性完全和IEC标准等同，因此PT100主要用来测量-200~+600℃的温度。铂电阻的电阻值与温度成非线性关系，所以需要进行非线性校正［4］。校正分为模拟电路校正和微处理器数字化校正，模拟校正有很多现成的电路，其精度不高且易受温漂等干扰因素影响，数字化校正需要在微处理系统中使用，将铂电阻的电阻值和温度对应起来后存入EEPROM 中，根据电路中实测值以查表方式计算相应温度值。常用的Pt电阻采样电路有两种：一为桥式测温电路；另一为恒流源式测温电路。

　　系统中监测节点采用的是是第一种桥式电流测温电路，其具有测量准确度高、测量范围大、复现性和稳定性好等优点。

　　2.4 存储器K9F5608

　　存储器K9F5608 是三星公司生产的32MBytes容量的NAND Flash芯片，用来存储临时的轴温数据，当通信中断时可以把数据存在K9F5608中，待通信恢复正常后再将这些数据发送至监测台。它具有8位数据/地址复用接口以及CLE、ALE、WP、R/B、CE等控制信号，硬件接口比较简单，但读写时序相对较复杂，需要依次送入命令、地址、数据等。实际需要输入24位的地址用来寻址，由于该芯片与控制器ATmega128L的接口是8位地址数据复用线，所以需要3个周期才能完成24位地址的输入［5］。存储器K9F5608外围电路如图3所示。

　　

　　图3 K9F5608外围电路

　　控制器ATmega128L的PA口完成对Flash数据﹑地址与命令的传输；用控制器的PG口来完成对Flash传输状态的选择，如CLE、ALE、R/B、CE等；用控制器的WE和RD信号来选择FLASH是读还是写，在总线上传输的一般顺序为：

　　命令-> 地址-> 命令/数据。