基于无线传感器网络轴温探测系统的设计

铁路列车在高速运行过程中，车辆走行部分各轴承的温度会不断升高，当轴温过高时，会造成热轴、切轴等现象，严重影响铁路运输安全。现阶段我国铁路列车上主要使用两种轴温探测装置：一种是直接接触式的车载轴温探测系统；另一种是非接触式的红外轴温探测系统。前者是在轴箱部位安装温度传感器对温度进行采集，并通过电缆传送到各个车厢的控制器显示，由专门巡检人员或各车厢乘务员进行巡检。但由于货运列车车厢是无人值守的，且车厢频繁编组，不能靠有线方式传送给有人车厢，所以这种方式在货运列车中很少使用。后者是通过每隔30 km安装红外探头对轴温进行检测。这种方式由于易受外界环境影响、定位困难等原因，使得轴温过高告警兑现率低、误报率高，而且成本很高。随着无线传感器网络技术的发展，利用无线传感器网络的感知能力、计算能力和通信能力，组成对行驶中的列车轴温变化情况进行实时监控的网络，对保证列车运行安全具有重要意义。将无线传感器网络节点装在列车各车厢的特定位置，节点间以自组织的方式形成网络，可以有效实时地对车轴参数进行采集和传输。

1 系统的结构组成介绍

货运列车与客运列车的区别有以下几点：

(1)客运列车车厢有固定的电力来源，因此不必考虑系统的功耗问题；货运列车车厢没有电源，所以应用在货车上的系统要求自带电源，并尽量降低系统功耗。

(2)客车每节车厢都有列车员，可以对检测到的轴温进行监视，当发现有异常时可以通知专人负责处理；货车车厢一般都是无人值守的，因此需要将采集到的数据传输到车头，由技术人员进行处理。

(3)客车车厢基本上是固定的，不会频繁地重新编组，因此客车可以在各车厢之间连接电力线或通信线；货车所挂各节车厢目的地可能不同，因此需要频繁变动，有时需要甩掉某节车厢，有时需要挂上新的车厢，因此在货车车厢间用有线方式通信是不可能的。

针对目前列车轴温探测存在的问题，及以上货运列车不同于客车的特点，我们设计了基于无线传感器网络轴温探测系统，结构如图1所示。

整个系统是由固定在每个车厢上的温度采集单元和车头总控制器组成。温度采集单元称为无线传感器网络节点。系统在上电后采用自组织的方式工作，并可以随时加入或去掉某节车厢而不会影响整个系统工作(如图1所示)。此外，节点数据到车头采用的是多跳方式传输，每个节点无线发射的功率不需要太大，因此可以有效节约单个节点的能耗，平衡整个网络的能耗。

2 无线传感器网络节点的组成

无线传感器网络节点的结构如图2所示。

无线传感器网络节点包括传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块。节点的作用是对轴温数据进行采集，并通过无线传感器网络发送到车头总控制器，同时充当其他各节点到车头总控制器的路由器。

传感器模块负责数据的采集，在本系统中，将8路温度传感器分别安装在车厢的8个轴箱上，对轴温进行检测，并通过1-Wire总线将温度数据传送到处理器单元。

处理器单元是节点的核心，主要负责控制数据的采集，对数据进行分析计算，并控制无线通信模块将处理好的数据通过与其连接的其他网络节点传送给车头总控制器节点。此外，处理器模块负责处理其他节点发来的数据，并按照规则进行转发。

无线通信模块负责数据的接收与发送，本设计采用nRF905模块。nRF905是一款工作在433／868／915 MHz的单片无线射频收发芯片，由频率合成器、接收解调器、功率放大器、晶体振荡器和调制器组成。他采用高抗干扰GFSK调制，数据速率90 kb／s，发射功率可调，最大为+10 dBm，独特的载波检测输出(CD)、数据就绪输出(DR)、地址匹配输出(AM)，自动产生前导码和CRC，使用SPI接口与微处理器通信，配置非常方便。此外，nRF905的工作电压范围为1.9～3.6 V，其电流消耗很低，发射电流约为11 mA(-10 dBm输出)，接收电流约为12.5 mA，待机电流约为2 μA，能够满足系统高性能低功耗的需要。

能量供应模块是系统工作的前提，由于货车不像客车一样具备稳定的供电电源，所以本设计采用电池供电，在低功耗设计的基础上，使用两节5号碱性电池可持续工作1年左右。

我们在为每节车厢设计节点时，将节点的硬件编号设定为车厢的编号，这样就使节点与车厢形成一一对应的关系，无论在何时何地系统在上电自组的时候都可以自动地识别该车厢，极大地方便了车厢的管理。

3 系统的硬件介绍

系统框图如图3所示。

温度传感器采用的是DS18B20，该传感器是美国Dallas公司生产的一款集成数字温度传感器，他与传统的热敏电阻温度传感器不同，能够直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现9～12位的数字值读数方式，可以分别在93.75 ms和750 ms内将温度值转化为9位和12位的数字量。因而使用。DS18B20可使系统结构更简单、可靠性更高。同时芯片的耗电量很小，从总线上获取少量电能(空闲时几μW，工作时几mW)存储在片内的电容中就可正常工作，一般不用另加电源。最主要的是传感器输出的是数字信号，可直接与单片机I／O相连，使连接非常方便。由于在单总线上传送的是数字信号，这使得系统的抗干扰性好、可靠性高、传输距离远。

处理器采用的是MSP430系列单片机，最显著的特点就是他的超低功耗，在1.8～3.6 V电压、1 MHz的时钟条件下运行，耗电电流在0.1～400μA之间，RAM在节电模式耗电为0.1μA，等待模式下仅为0.7μA。能耗是无线传感器网络的瓶颈，节点必须依靠电池供电，所以采用MSP430F149作CPU是最佳选择。MSP430F149采用16位RISC结构，其丰富的寻址方式、简洁的内核指令、较高的处理速度(8 MHz晶体驱动，指令周期125 ns)、大量的寄存器以及片内数据存储器使之具有强大的处理能力。另外，MSP430F149的运行环境温度范围为-40～+85℃，可以适应各种恶劣的环境。

无线通信模块采用的是nRF905，其性能如上节所述。

通过这样的设计，可以实时地对货车各节车厢的轴温进行监测，极大地保证了铁路运输的安全。

4 系统的软件介绍

系统软件设计主要包括节点发送接收程序、温度采集程序、车头总控器发送接收程序等。

节点发送程序流程如图4所示。

当分站接收到数据后，将把字头后的数据认为是有效数据，单片机首先核对分站ID号，如ID号不是本机则将其发送到与其相连通的下一级节点，并重新进入接收状态。反之则继续对命令号进行判断，以确定分站的动作。如主站要数据则对传感器号进行判断，以确认主机所要的是该站的哪个传感器数据。对数据分析完毕后，分站将现场的数据进行采集、打包，并发给主站，或启动参数调节系统进行参数调节，然后重新进入接收状态。

其他程序在这里不再详细叙述。此外，我们在程序中留有接口，车头总控制器在不停地巡检轴温的同时，还可以通过短消息或其他无线通讯方式向地面接收站发送数据，这样地面站就可以对列车发送的数据进行存储，以备在出现事故后可以找到事故发生时的轴温数据。

5 结 语

该系统可应用于货运铁路列车，可以实时可靠地对车辆轴温进行检测报警。此外，该系统具有很好的可扩展性，在节点上安装其他传感器，可以对车厢的其他参数进行检测，如：在车厢内安装相应的传感器可以对货车车厢情况进行监控，可以起到防盗的作用；在车厢一定位置安装压力传感器可以对车厢的载重情况进行监控；安装湿度传感器可以对车厢内湿度进行检测等。随着技术的进步，无线传感器网络将广泛地应用于铁路运输，可以方便地对各种参数进行采集、分析、存储，从而满足人们日益提高的需求。