列车行车状态监测无线传感系统设计

自动化测试技术 计算机测量与控制．２０１２．２０（３）　 Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　＆ Ｃｏｎｔｒｏｌ　  　 ·６２７　　 · 收稿日期：２０１１－０９－１３；　修回日期：２０１１－１０－２３。 作者简介：吴　寅（１９８２－），男，江西上饶人，博士研究生，主要从事 自供电无线传感器网络等方向的研究。 刘文波（１９６８－），女，教授，博士生导师，主要从事测试计量技术及仪 器等方向的研究。 文章编号：１６７１－４５９８（２０１２）０３－０６２７－０３　　　　　　　中图分类号：ＴＰ８７３ 文献标识码：Ａ 列车行车状态监测无线传感系统 吴　寅，刘文波，李开宇 （南京航空航天大学 自动化学院，江苏 南京　２１００１６） 摘要：为了满足列车及城轨安全运行的需求，根据地上 （地下）的铁轨延伸地形特点，设计开发了一套列车行车状态无线监测系统； 详细阐述了以ＣＣ２４３０为核心的传感器节点、以ＣＣ２４３０和 ＭＣＰ２５１５为核心的网关节点的软硬件设计和工作流程；实测结果表明，当安 装在铁轨旁的相邻无线传感节点的距离不超过６０ｍ时，传输成功率可达９６％以上，能够实时、可靠地监测铁轨压力、车辆轴承温度和声 音参数的变化情形；系统完全不影响车辆的正常运行，是对现有铁路列车运行状态监控系统的有益补充。 关键词：无线传感网络；列车行车监测；ＣＣ２４３０；ＣＡＮ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ＷＳＮ　Ｉｎ　Ｒａｉｌｗａｙ　Ｒｕｎｎｉｎｇ　Ｓｔａｔｕｓ　Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ Ｗｕ　Ｙｉｎ，Ｌｉｕ　Ｗｅｎｂｏ，Ｌｉ　Ｋａｉｙｕ （Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎａｎｊｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ　ａｎｄ　Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ，Ｎａｎｊｉｎｇ　２１００１６，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｍｅｅｔ　ｔｈｅ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｔｒａｉｎ　ｒｕｎｎｉｎｇ　ｓｔａｔｕｓ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｉｎ　ｒａｉｌｗａｙ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　ａｎｄ　ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ ｔｈｅ　ｌａｎｄｆｏｒｍ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｔｈｅｍ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｒａｉｌ　ｌａｎｅｗａｙ，ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ａ　ｒｅｌｉａｂｌｅ　ｒａｉｌｗａｙ　ｒｕｎｎｉｎｇ　ｓｔａｔｕｓ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋｓ（ＷＳＮ）．Ｔｈｅ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｏｄｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｗａｓ　ｍａｉｎｌｙ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｂｙ　ＣＣ２４３０；ｗｉｔｈ ＭＣＰ２５１５ｔｈｅ　ｓｉｎｋ　ｎｏｄｅ　ｗａｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｈａｒｄｗａｒｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｆｌｏｗ　ｃｈａｒｔ　ｏｆ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｗｅｒｅ　ｇｉｖｅｎ．Ｔｈｒｏｕｇｈ　ｅｘｐｅｒｉ－ ｍｅｎｔｓ　ｉｎ　ａ　ｒａｉｌｗａｙ　ｓｔａｔｉｏｎ，ｉｔ　ｃｈｅｃｋｓ　ｔｈｅ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ　ａｔ　２．４ＧＨｚ，ａｎｄ　ａｌｓｏ　ｍａｋｅｓ　ｓｕｒｅ　ｔｈａｔ　ｗｈｉｌｅ　ｔｈｅ　ｄｉｓｔａｎｃｅ ｂｅｔｗｅｅｎ　ｔｗｏ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｏｄｅｓ　ｉｓ　６０ｍｅｔｅｒｓ，ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｃａｎ　ｍｏｎｉｔｏｒ　ｔｈｅ　ｓｔａｔｕｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｌａｎｅ　ｗａｙ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｔｒａｉｎ　ｕｎｄｅｒ　ｗｅｌｌ ｒｅａｌ　ｔｉｍｅ　ａｎｄ　ｒｅｌｉａｂｌｅ，ｉｎ　ａｄｄｉｔｉｏｎ　ｉｔ　ａｌｓｏ　ｈａｖｅ　ｎｏ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｎｏｒｍａｌ　ｒａｉｌｗａｙ　ｗｏｒｋｉｎｇ．Ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｍａｋｅｓ　ａ　ｇｏｏｄ　ｓｕｐｐｌｅ－ ｍｅｎｔ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｅｘｉｓｔｉｎｇ　ｒａｉｌｗａｙ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ． Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＷＳＮ；ｒａｉｌｗａｙ　ｒｕｎｎｉｎｇ　ｓｔａｔｕｓ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ；ＣＣ２４３０；ＣＡＮ ０　引言 随着我国铁路建设的高速发展，铁路客运和货运列车的大 提速，对机车的使用安全性提出了越来越高的要求，为了保证 列车的安全和平稳运行，针对铁道车辆行车状态监测和控制技 术方面的研究得到越来越多的重视。国内现有铁路车辆运行安 全监控系统 （５Ｔ）尚存在监控范围有限、单点单向测量和车 载设备并未和地面设备互联等不足之处，本系统通过使用无线 传感节点监测安装于铁轨边的轴承温度、铁轨压力和轴承噪声 等传感器数据，系统内各数据融合共享，互为参考；并且无线 网关通过ＣＡＮ总线和监测中心服务器传输数据，可以全路综 合联网。整个系统操作简便、容错能力强且容易扩展，具有极 大的应用前景［１－３］。 １　无线监测系统整体框架 本系统总体结构示意图如图１所示，为主从结构。无线节 点可通过安装于铁轨边上的钢轨测力传感器采集压力数据、红 外探头和车轮传感器采集轴承温度、声音传感器采集轴承和车 轮响声，同侧的每个无线节点之间适当隔开２０ｍ距离，即一 节火车车厢长度；所有的无线数据采集节点则沿铁轨上下行方 向一字排开安装，通过自组织方式组建无线网络。网关节点安 装于车站信号监测中心，通过ＣＡＮ线与数据监控中心连接， 将各采集节点所传送的压力、温度、声音及时间等数据汇聚， 便可计算得出铁轨及列车运行状态，为行车安全提供多方面监 测保障。 图１　系统结构示意图 ２　节点及网关系统硬件设计 ２．１　节点硬件设计 无线数据采集节点主要由四部分组成：射频模块、数据采 集模块、时钟模块及电源模块，如图２所示。 节点的核心处理器是 ＴＩ公司的ＣＣ２４３０－Ｆ１２８单片机： 它是一个８位 ＭＣＵ，具有１２８ｋＢ　Ｆｌａｓｈ和８ｋＢ　ＲＡＭ，还包 含模拟数字转换器、定时器、看门狗定时器、３２ｋＨｚ晶振的 　　 计算机测量与控制　 第２０  卷·６２８　　 · 图２　无线数据采集节点结构框图 休眠模式定时器、上电复位电路、掉电检测电路以及２１个可 编程Ｉ／Ｏ引脚。ＣＣ２４３０芯片工作时的电流损耗为２７ｍＡ，在 接收和发射模式下，电流损耗分别低于２７ｍＡ或２５ｍＡ［４］。 （１）射频模块：本系统的节点由于安装于铁轨沿线，电磁 干扰较为严重，故使用了功率放大芯片 ＣＣ２５９１。ＴＩ公司的 ＣＣ２５９１是一款高性能的低成本射频前端，它集成了可将输出 功率提高＋２２ｄＢｍ的功率放大器以及可将接收机灵敏度提高 ＋６ｄＢ的低噪声放大器。并且可以与ＣＣ２４３０实现无缝连接， 只需要两根信号线和几根控制线，通过不同的控制命令就可以 控制该芯片工作在发送模式、低增益接收模式和高增益接收模 式，根据不同的场合调整发送功率，减小系统的功耗。 （２）数据采集模块：本系统的钢轨测力传感器安装于铁轨 枕木与钢轨的接合处，在钢轨垂直方向上车轮对钢轨的压力经 传感器采集信号调理转换后，直接传入ＣＣ２４３０内置的已配置 好的ＡＤ转换器接口，该ＡＤ转换器可软件编程转换精度，精 度可达８～１４位；红外轴温传感器则使用ＴＨＤＳ （铁路货车红 外线轴温探测系统）原有设备，同样采集轴温和车轮数据后输 入ＣＣ２４３０的ＡＤ端口进行转换；声传感器也使用ＴＡＤＳ （铁 路货车滚动轴承早期故障轨边声学诊断系统）的原有设备，采 集声音数据后输入ＣＣ２４３０的ＡＤ端口。将模拟信号转换成数 字量后，存储于相应的发送数据存储区。 （３）电源模块：由于系统节点都安装于野外现场，大部分 不具备稳压电源供给，故节点都使用电池供电，本系统节点使 用ＳＡＦＴ的ＬＳ３３６００系列１６．５ＡＨ 电池。电量管理电路主要 负责将电池电压转换成ＣＣ２４３０模块工作所需的３．３Ｖ，由于 节点的射频耗电量故须选用瞬间最大输出电流较大的芯片。 （４）时钟模块：如果系统节点上的所有功能部分每时刻都 处于工作状态，节点的功耗将会很大，特别是无线收发器长时 间处于工作状态时会消耗绝大部分的能量。为此，节点必须启 用工作／休眠轮换机制，对系统进行休眠管理。本系统就使用 一个时钟模块来进行休眠控制：ＣＣ２４３０在没有当前任务时转 入ＰＭ３级模式，功耗可忽略不计，定时时间到任务启动则通 过时钟芯片 ＰＣＦ８５６３产生外部中断将处于深度休眠态的 ＣＣ２４３０唤醒工作。最后芯片采集了压力等数据后也需将当前 时间同步记录于对应数据存储区中［５］。 ２．２　网关硬件设计 无线网关主要由四部分组成：射频模块、ＣＡＮ通信模块、 时钟模块及电源模块，如图３所示。 网关的核心处理器同样是 ＣＣ２４３０－Ｆ１２８，也采用了 图３　无线网关结构框图 ＣＣ２５９１进行射频功率放大，并且网关安装于车站信号楼附近， 可以直接使用稳压电源。但由于监控中心的铁路列车安全状态 监测系统多使用ＣＡＮ通讯，所以在本网关上使用了 ＭＣＰ２５１５ 和 ＭＣＰ２５５１以实现 ＣＡＮ 功能：ＭＣＰ２５１５是一款ＳＰＩ口的 ＣＡＮ控制器，与 ＣＣ２４３０芯片互连；ＭＣＰ２５５１是高速 ＣＡＮ 总线收发器，支持１Ｍｂ／ｓ的运行速率，可连接高达１１２个 ＣＡＮ节点［６］。无线网关采集各个不同节点数据后实时传送至 上级监控中心，以达到综合监控列车运行状态的目的。 ３　节点及网关系统软件设计 由于无线传感器网络节点处理能力、电源及存储能力有 限，故采用了 ＴｉｎｙＯＳ嵌入式系统。ＴｉｎｙＯＳ是一种专门为嵌 入式操作系统设计的基于组件的操作系统，由ｎｅｓＣ语言实现， 主要应用于无线传感器网络。它根据具体应用可以轻易增减控 制执行的功能，而且编译器可避免数据竞争的现象，节省硬件 资源，能执行多个快速响应的控制操作。 本系统中由于铁轨的特征，导致源节点众多而目的节点只 有一个，数据传输方向严重不对称。这种流量分布特点造成的 结果是节点功耗分布极不均匀，接近车站网关处的节点的流量 高、负载重、寿命短；且由于本监测系统可采集铁轨压力、轴 温和声音等不同数据，以数据为中心。所以采用了定向扩散路 由［７］。 ３．１　节点软件设计 无线传感器节点主要负责采集铁轨压力、轴温和声音等数 据，并将这些数据联合当前时间打包传给网关。当没有数据的 发送、接收时，转入休眠模式，使节点功耗降到最低。其工作 流程图如图４所示。 节点上电后，首先执行硬件自检任务，完成 ＲＴＣ时钟、 Ｆｌａｓｈ数据存储区和ＡＤ转换器的初始化及测试，接着进入操 作系统的循环任务流程，开启组网路由任务，同步系统时钟， 直至正常加入网络，完成后即等待特定时刻定时器触发进行采 集数据任务，并将所采集数据存储在 Ｆｌａｓｈ上的对应位置，通 信任务触发时需进行网络信息维护，而当前工作任务完成后即 刻转入休眠态，节省功耗。 ３．２　网关软件设计 网关一方面负责组建无线网络，接收各个节点数据；一方 面将接收数据存储后通过ＣＡＮ线发送至上位监控中心。因为 使用稳压电源，故不存在休眠。工作流程如图５所示。 第３期 吴　寅，等：  列车行车状态监测无线传感系统设计 ·６２９　　 · 图４　无线节点程序流程图 图５　无线网关程序流程图 网关上电后，首先同样执行硬件自检任务，完成ＲＴＣ时 钟和Ｆｌａｓｈ数据存储区的初始化和测试，接着设置系统消息接 收缓冲区数据结构，准备接收各节点传来的数据，可包含数据 包头控制指令、数据段、时钟段、校验段等，完成后开启组网 过程，将各传感器节点路由表记录在Ｆｌａｓｈ中，并填入系统消 息的对应位置，完成后启动操作系统任务循环，开启 ＣＡＮ通 信任务，同时等待接收各数据采集节点传来的消息；当接收到 消息后，将数据包拆包后存储在 Ｆｌａｓｈ中对应位置，使用 ＣＡＮ任务将数据传送至上位监控中心。 ４　实验测试及分析 由于铁轨现场环境下存在金属支架和移动的车辆造成的各 种电磁干扰，无线信号传输距离较为受限。针对这种情况，在 上海站南翔车站做了小规模测试。 实验在车站教练车间中进行，使用了上下行分别６个节点 总共１２个节点做测试。节点只进行压力传感器测试，数据采 集周期为每５秒采集１次；网络唤醒通信周期为每分钟中的前 １５秒；其余时间节点均休眠。节点存活状态界面如图６所示。 图６　节点健康视图 由测试结果可知，压力传感器可监测列车在铁轨上的作用 力并实时发送至无线处理节点，节点将采集数据结合时间戳发 送至网关，实测压力数据与理论值偏差不超过±５％，传输成 功率可达到９６％以上，满足铁轨监测指标。虽然节点都采用 了功率放大芯片来增强无线射频通信距离，但由于各种干扰， 节点的现场最大单跳稳定通信距离只约为６０ｍ。 下一步准备将节点电池剩余电量监测加入采集数据中，并 考虑使用太阳能电池等能源作为电源供给进行研究［８］。 ５　结束语 从硬件系统的搭建及软件平台的设计２个方面介绍了以 ＣＣ２４３０处理器构建基于 ＴｉｎｙＯＳ操作系统下的铁轨压力无线 监测系统，对硬件平台的搭建及系统软件的设计进行了详细的 。经实践测试，该系统实现了以无线网络的方式对铁轨压 力的监测，具有一定的应用前景。 参考文献： ［１］熊书明，王良民，王新胜，等．铁路道口无人监控的 ＷＳＮ应用研 究 ［Ｊ］．计算机与应用，２００９，４５ （１７）：１８５－１８８． ［２］尤著宏，李　帅，孔令成，等．基于 ＷＳＮ的青藏铁路温度监测系 统研究 ［Ｊ］．自动化与仪表，２００８，２３ （９）：２０－２３． ［３］黄采伦，樊晓平，陈特放．旅客列车在线安全状态监测及故障预 警系统 ［Ｊ］．电力机车与城轨车辆，２００７，３０ （４）：３６－４２． ［４］孙利民，李建中．无线传感器网络 ［Ｍ］．北京：清华大学出版 社，２００５． ［５］赵清华．无线传感器节点能量管理系统的研究 ［Ｄ］．太原：太原 理工大学，２０１０． 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