無縫鋼軌溫度無線監(jiān)測節(jié)點研究
2015-03-20
1.引言
近年來，我國無縫線路鋪設(shè)里程日益增加，與普通鋼軌相比，無縫鋼軌消除了列車運行時車輪對鋼軌軌頭造成的沖擊破壞，減小了列車的震動，增加了列車運行的平穩(wěn)性，提高了列車運行速度。無縫鋼軌長期暴露在野外使用，它不僅承受列車運行時作用于鋼軌的高強度應(yīng)力，而且會隨著外界環(huán)境溫度的變化產(chǎn)生熱變形[1]。由于無縫鋼軌受扣件和道床阻力等外力作用，使其不能自由伸縮，導(dǎo)致鋼軌內(nèi)部產(chǎn)生溫度應(yīng)力，當(dāng)內(nèi)部溫度應(yīng)力積累到一定數(shù)值時，無縫軌道發(fā)生脹軌甚至斷軌，危及行車安全[2]。針對高速鐵路中鋼軌溫度的測量設(shè)計出無線監(jiān)測節(jié)點，實時監(jiān)控鋼軌溫度，以保證無縫鋼軌冬天不被拉斷，夏天不致脹軌跑道，防止事故甚至災(zāi)難的發(fā)生。
Zigbee技術(shù)是一種新興的短距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率的雙向無線通訊技術(shù)，主要用于近距離無線傳輸。由Zigbee模塊組成的節(jié)點體積小且能自動組網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)具有很強的自愈能力，布局十分方便。相比之下，傳統(tǒng)的多路溫度測量在一些長距離或者采集范圍較大的場合，存在著布線復(fù)雜，傳輸距離近，對測量環(huán)境要求高、可靠性差、應(yīng)用靈活性差等缺點，無法滿足實時測量無縫鋼軌的溫度。另外，大量較長的引線受鐵路現(xiàn)場電磁環(huán)境的干擾，不僅影響到數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性和可靠性，而且也為列車的安全帶來了隱患。因此，運用無線Zigbee技術(shù)設(shè)計出的單總線多路溫度監(jiān)測節(jié)點，具有安裝方便，受測量環(huán)境影響小，傳輸距離遠(yuǎn)，組網(wǎng)靈活等優(yōu)點，在需要多點測量場合應(yīng)用價值比較高。
本文選用美國Dallas公司生產(chǎn)的DS18B20數(shù)字溫度傳感器和MSP430單片機組成的多路測溫節(jié)點，采用單總線方式，通過無線Zigbee模塊將數(shù)據(jù)傳送給上位機進(jìn)行預(yù)處理，并將預(yù)處理后的數(shù)據(jù)實時顯示，真正實現(xiàn)了溫度的檢測與監(jiān)控，無需介質(zhì)互聯(lián)。
2.多路溫度節(jié)點硬件設(shè)計
2.1 節(jié)點硬件總體設(shè)計
無線監(jiān)測節(jié)點通過編程來讀取數(shù)字溫度傳感器DS18B20的溫度，在MSP430F149單片控制下與Zigbee無線發(fā)送模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，經(jīng)添加協(xié)議后，數(shù)據(jù)通過無線傳輸?shù)姆绞桨l(fā)送給上位機，上位機通過溫度檢測軟件實現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的顯示、存檔及遠(yuǎn)程控制。圖1所示為無線監(jiān)測節(jié)點硬件設(shè)計框圖。
2.2 溫度采集電路設(shè)計
監(jiān)測節(jié)點測量的溫度有鋼軌溫度、節(jié)點盒溫和節(jié)點溫度，采用單總線方式進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)傳輸。所測溫度范圍為-30℃～+70℃，測量精度為±1℃。實際應(yīng)用中是將溫度傳感器粘貼于鋼軌軌腰處、節(jié)點盒內(nèi)以及節(jié)點內(nèi)部，要求傳感器具有測溫范圍寬、體積小、精度高的特點。
測溫選用DALLAS半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的數(shù)字溫度傳感器DS18B20，其測量溫度范圍為-55℃～+125℃，-10℃～+85℃的精度為±0.5℃。DS18B20可以程序設(shè)定9～12位的分辨率，其設(shè)定值及用戶設(shè)定的報警溫度存儲在EEPROM中，掉電后依然保存[3]。每個DS18B20都有各自唯一片內(nèi)序列號，通過序列號來區(qū)別單總線上掛接的多個器件。雖然單總線上可以掛接多個DS18B20，但是超過8個時就需要考慮微處理器的總線驅(qū)動問題。如圖2所示DS18B20單總線接口部分電路，設(shè)計中多個溫度傳感器的信號線通過單總線與單片機I/O口P5.0連接，既保證了溫度數(shù)據(jù)的傳輸又能傳輸時鐘，同時節(jié)省了單片機I/O端口。DS18B20采用單總線方式與微控制器進(jìn)行串行數(shù)據(jù)交互，因此應(yīng)嚴(yán)格按照其讀寫時序進(jìn)行編程，否則將無法讀取測溫結(jié)果[4]。測得溫度直接以單總線的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性，適用于鐵路沿線復(fù)雜環(huán)境的測量。
DS18B20具有兩種供電方式：寄生電源供電方式和外部電源供電方式。當(dāng)為寄生電源供電方式時，VDD引腳與GND引腳相連，通過數(shù)據(jù)線對其供電。當(dāng)為外部電源供電方式時，VDD接外部電源，GND接地。設(shè)計中采用外部供電方式。當(dāng)DS18B20處在存儲器操作和溫度A/D變換時，總線上必須有上拉電阻來保證在其有效時鐘周期內(nèi)提供足夠的電流，設(shè)計時電源線與信號線之間須加一個4.7K的上拉電阻[5]。
2.3 無線通信模塊設(shè)計
監(jiān)測節(jié)點與網(wǎng)關(guān)之間的數(shù)據(jù)通信都是通過通信模塊完成的，由于鐵路現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜，過多的引線干擾會降低節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，也不利于現(xiàn)場的布置。因此，節(jié)點與網(wǎng)關(guān)之間數(shù)據(jù)傳輸采用無線通信方式。安裝在現(xiàn)場的多個監(jiān)測節(jié)點通過無線局域網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳送，要求所選用的無線通信模塊具有近距離通信，自組網(wǎng)能力強，低功耗等特點。
在當(dāng)前普遍使用的短距離無線通信技術(shù)中，Zigbee技術(shù)以其低速率、低功耗、低成本、低復(fù)雜度的突出優(yōu)點在無線傳感器領(lǐng)域獲得迅猛發(fā)展。Zigbee技術(shù)是一種雙向低速率無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，應(yīng)用于868MHz、915MHz和2.4GHz三個頻段上，其中在2.4GHz頻段上的最大數(shù)據(jù)傳輸速度為250kbps，適用于高吞吐量、低速率和短距離傳輸?shù)膱龊蟍6]。
設(shè)計中選用基于Zigbee技術(shù)的無線通信模塊。該模塊是ZigBee技術(shù)的首批認(rèn)證產(chǎn)品其設(shè)計滿足IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，工作頻率2.4GHz，其基本性能參數(shù)如下[7]：發(fā)送功率63mW（+18dBm），接收靈敏度-102dBm，最大傳輸數(shù)據(jù)速率為250kbps，室內(nèi)傳輸距離100m、室外傳輸距離最遠(yuǎn)可達(dá)到1600m；在3.3V供電模式下，發(fā)送數(shù)據(jù)時最大電流為45mA，接收數(shù)據(jù)時最大電流為50mA；組網(wǎng)性能方面采用DSSS（直接序列擴頻）功能，實現(xiàn)點對點和點對多點組網(wǎng)。模塊射頻部分芯片全部內(nèi)部集成，共有20引腳，直插式，可設(shè)計安裝到一個插座上，因此模塊在裝上傳感節(jié)點時不需焊接。選用的ZigBee模塊滿足了鐵路沿線長距離布設(shè)組網(wǎng)的需要，圖3給出了通信模塊與微控器的外圍接口電路圖。 Zigbee模塊與MCU通過串口DIN和DOUT進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，當(dāng)SRST為低電平信號，可實現(xiàn)MCU復(fù)位Zigbee模塊，同樣CRST可實現(xiàn)Zigbee模塊復(fù)位MCU。為了進(jìn)一步降低通信模塊功耗，在無數(shù)據(jù)傳輸?shù)那闆r下啟用模塊的休眠功能。模塊的PIN9是是休眠控制I/O口，PIN13用于指示當(dāng)前模塊休眠狀態(tài)。
2.4 微控制器選型
微控制器是監(jiān)測節(jié)點進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的控制核心，進(jìn)行協(xié)調(diào)和管理模擬電路和數(shù)字電路。因此，它的性能直接關(guān)系到節(jié)點能否進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)的采集以及與網(wǎng)關(guān)的無線傳輸。由于監(jiān)測節(jié)點安裝在鋼軌，依靠蓄電池供電，且要實現(xiàn)全天工作，因此能耗是微控制器選型的重點；為充分實現(xiàn)各控制模塊功能，需考慮微控制器的性能，外設(shè)資源以及所支持的開發(fā)工具。片上資源豐富的微控制器可以減少外圍器件的數(shù)量，從某種程度上降低了成本[8]。
基于以上考慮選用美國德州儀器公司16位單片機MSP430F149作為下位機部分的控制芯片，其最顯著的特點就是在1.8V～3.6V、1MHz的條件下運行超低功耗模式耗電電流在0.1mA～400mA之間，RAM在等待模式下為0.7mA，節(jié)電模式下耗電為僅0.1mA。MSP430F149內(nèi)部擁有大容量的存儲空間，60KB+256字節(jié)FLASH和2KBRAM的存儲空間完全可以滿足程序及數(shù)據(jù)的需要[9]。另外，在環(huán)境溫度范圍為-40℃～+85℃下MSP430F149可正常運行，能夠適應(yīng)惡劣的環(huán)境。
3.溫度采集軟件設(shè)計
3.1 軟件設(shè)計總體框圖
軟件設(shè)計采用模塊化編程思想，分為外部接口模塊、處理函數(shù)模塊及存儲區(qū)模塊，各個功能模塊有各自較獨立的程序來控制完成相應(yīng)的能。外部接口模塊主要功能是完成對Zigbee模塊和DS18B20的初始化；處理函數(shù)模塊包括單片機系統(tǒng)初始化、Zigbee網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接收和發(fā)送處理、Zigbee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處理、設(shè)置采集參數(shù)。存儲區(qū)模塊是完成節(jié)點設(shè)置參數(shù)存儲和要發(fā)送到無線網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行暫存。
首先節(jié)點上電以后，單片機進(jìn)行系統(tǒng)初始化（初始化單片機時鐘、時鐘芯片、Flash芯片、串口、定時器），DS18B20初始化和XBee無線發(fā)送模塊的初始化；然后設(shè)置參數(shù)（實時采集或定時采集）開始進(jìn)行溫度的采集，將采集后的數(shù)據(jù)按照通訊協(xié)議添加幀頭、幀尾和校驗，放入發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，然后通過Zigbee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)到網(wǎng)關(guān)，完成節(jié)點與網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)傳輸。圖4給出了節(jié)點運行程序流程圖。
3.2 DS18B20溫度采集程序設(shè)計
DS18B20的操作步驟主要有以下幾步：先對DS18B20進(jìn)行初始化、搜索ROM，然后RAM操作，最后讀取溫度值。如下圖5所示DS18B20的溫度采集程序流程圖。
DS18B20溫度傳感器內(nèi)部有著各自唯一的64位序列號，這就方便了程序中采用二叉樹搜索算法，利用單總線上所有器件DS18B20的注冊碼構(gòu)成二叉樹的深度為64[10]。在搜索過程中根據(jù)兩次讀取的數(shù)據(jù)來判斷節(jié)點是左子結(jié)點、右子結(jié)點、還是葉子節(jié)點。在搜索程序遍歷二叉樹時，記錄下搜索到的葉子節(jié)點數(shù)和所走過的路徑，從而得到從器件的注冊碼和數(shù)量，完成對單總線上所有DS18B20的搜索。程序中對DS18B20進(jìn)行ROM操作時，采用二叉樹搜索算法遍歷單總線上所有溫度傳感器，然后等待數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，當(dāng)接收到實時采集或定時采集命令后開始采集溫度[11]。
4.實驗測試
4.1 實驗設(shè)備搭建
本實驗按照節(jié)點測量溫度設(shè)計要求，在高低溫箱環(huán)境中對節(jié)點進(jìn)行測試。實驗設(shè)備包括監(jiān)測節(jié)點、八路DS18B20傳感器、調(diào)試網(wǎng)關(guān)、節(jié)點電源、PC機和高低溫箱。實驗設(shè)備搭建如圖6所示。
4.2 實驗過程及監(jiān)測溫度顯示
本實驗選取-30℃、-15℃、0℃、15℃、30℃、45℃、60℃這7個測溫點進(jìn)行測試，具體實驗方法為：將安裝有八路DS18B20傳感器的監(jiān)測節(jié)點放在高低溫箱內(nèi)，通過編程設(shè)置實現(xiàn)高低溫箱內(nèi)溫度保持在-30℃、-15℃、0℃、15℃、30℃、45℃、60℃各2小時；設(shè)置節(jié)點定時采集溫度數(shù)據(jù)，采集間隔為1min，采集頻率設(shè)置為1Hz，采集時長為10S；通過上位機軟件實時監(jiān)測節(jié)點采集的溫度數(shù)據(jù)，如圖7所示溫度從15℃上升到30℃時監(jiān)測界面，顯示的溫度值為節(jié)點采集10個溫度數(shù)據(jù)的平均值；對上位機保存的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。
4.3 實驗數(shù)據(jù)分析
以45℃測溫點為例，具體闡述溫度數(shù)據(jù)分析過程：設(shè)置高低溫箱保持在45℃并維持2小時，節(jié)點各通道分別采集并保存了約120個溫度數(shù)據(jù)，對采集到的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)分析，得出結(jié)果如表1所示。
對上位機保存的其他5個測溫點進(jìn)行同樣的數(shù)據(jù)分析，得出結(jié)論如下：
1）監(jiān)測節(jié)點測量溫度的重復(fù)精度達(dá)到了±0.5℃；
2）監(jiān)測節(jié)點在-30℃～+60℃運行正常，滿足鐵路環(huán)境下使用要求；
5.實際應(yīng)用
目前本監(jiān)測節(jié)點已進(jìn)入現(xiàn)場調(diào)試階段，現(xiàn)安裝于某城際鐵路段，主要用于采集鋼軌的溫度、節(jié)點溫度和節(jié)點盒溫。經(jīng)幾個月的現(xiàn)場測試結(jié)果表明，節(jié)點各部分功能穩(wěn)定，遠(yuǎn)程可控性良好，實現(xiàn)了現(xiàn)場溫度數(shù)據(jù)的實時、定時采集，并及時將數(shù)據(jù)經(jīng)網(wǎng)關(guān)遠(yuǎn)程傳輸至服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中，供技術(shù)人員分析匯總，為研究鋼軌溫度力提供必要的數(shù)據(jù)支持。
6.結(jié)論
DS18B20的測溫傳感器具有測量速度快，精度高，高低溫報警等特點，由此構(gòu)成的單總線多路溫度采集無線監(jiān)測節(jié)點體積小、安裝方便、可靠性高，適用于戶外無人值守的惡劣監(jiān)測環(huán)境。另外，本文研究的無線監(jiān)測節(jié)點安裝在環(huán)境復(fù)雜多變的鋼軌上，對多點溫度進(jìn)行實時監(jiān)測，并對監(jiān)測數(shù)據(jù)實現(xiàn)存儲、顯示、報警等多項功能，確保線路運行正常。
