作者/ 张高超 吴新春 白日蕊 西南交通大学 信息科学与技能学院(四川 成都 610031)
摘要：滚动轴承是列车最重要的机械部件之一，它在列车行进中起着接受载荷和传递载荷的作用，作业条件十分恶劣。一起滚动轴承也是易损元件。据统计，旋转机械的毛病有30%是由滚动轴承毛病引起的,它的好坏对列车的作业状况影响极大。因而，研讨轴承毛病诊断技能关于列车安全作业十分有意义。现在有许多轴承毛病检测办法。大致能够分为:振荡法、噪声法、温度法、油样剖析法。其间温度监测对轴承负荷、速度和光滑状况的改变反映比较活络，尤其是对光滑不良而引起的轴承过热现象很活络[1]。针对铁路方便卡车车厢没有电源、车辆随时解编或编组、无人值守等问题，提出方便卡车轴温监测办法，选用无线通讯技能ZigBee和数字温度传感器DS18B20精确快速地丈量多个车厢轴温，使用CC2530星型网络完成各个车厢的轴承温度聚集以及报警功用。
导言
当时，铁路货运物流严峻滞后，除了铁路基础建设缺乏，更重要的是很多的卡车速度遍及在100公里/小时以下，形成这一现象的原因在于滚动轴承作为机械设备中重要的旋转零件,也是机械设备中重要毛病源之一，在轴承正常作业期间,假如呈现缺油、少油、损害、冲突、磕碰等原因，会呈现“烧轴”现象[2]，导致轴承温度不同程度的上升，因而通过调查轴温的改变能够判别出轴承的作业状况。当时，在我国铁路卡车提速的大布景下，对轴承的安全监测技能提出了更严厉的要求，研讨轴温实时监测技能具有实践使用价值。现在，检测轴温的办法常选用人工定时检查和红外测温文有线测温法，最早的人工检查办法便是当列车进站后，工人用测温仪器逐一检查轴承温度，很明显，这种办法精确性不高，实时性差，并且功率低。后来选用红外测温法，是在铁路轨迹每隔30公里铺设红外探测器，当列车通过期搜集轴承辐射的电磁波，尽管完成了主动测温，但因为红外辐射差错较高。再后来选用的有线测温法，但因为选用的PN结温度传感器，精确性仍是不高。针对以上测温办法存在的问题和缺点 ，本文提出车载测温的办法，即选用ZigBee短间隔无线自组网和DS18B20单总线数字输出技能，处理了测温点涣散问题，又具有低功耗，实时性强的特色，十分适合于方便铁路卡车的轴温监测。
1 体系功用和架构装备
1.1 功用剖析
1)能满意列车作业过程中恶劣的环境要求，如高强度振荡和不同区域的温度差;
2)实时监测轴承温度;
3)报警功用，选用肯定温度和相对温度判别轴承状况，即肯定温度(轴承温度)高于设定报警温度T1显现报警，当相对温度(轴承温度减去环境温度差值)高于设定的报警温度T2报警;
4)能够人工设置两个报警温度;
5)能够显现ZigBee组网网络拓扑结构。
1.2 架构装备方案规划
本体系的总体规划框图如图1所示。每节车厢轴承箱处装置九个DS18B20，这些温度传感器别离搜集8个轴承温度和1个环境温度，搜集结束通过单总线的办法送到ZigBee 温度搜集节点，车厢之间通过ZigBee星型无线网络办法与ZigBee聚集节点通讯，并把本车厢温度数据上签到和谐器处。和谐器收到数据后将数据打包成固定的数据帧格局，通过Uart口发送到显现设备。一起，外部指令也能够通过串口发送给ZigBee聚集节点，然后ZigBee温度搜集节点会通过播送收到指令，之后搜集温度或是获取地址。
2 硬件结构的完成
2.1 温度搜集
本文选用触摸式数字温度传感器DS18B20，它选用on-board 专利技能，悉数的电路都集成在一个三极管巨细的芯片上。DS18B20具有数字信号输出和支撑单总线多挂特色，能够精确地丈量多个温度值。DS18B20每一次读取温度之前都要进行严厉时序操作，要读出当时温度总共需求两个周期：第一个周期进行复位(初始化)、越过ROM和敞开温度转化;第二个周期里履行复位、匹配ROM、写ROM ID和读RAM数据。
本文选用的是单总线多挂的结构测温，CC2530的P0_6口接DS18B20的DQ操控器，顺次向单总线写入ROM ID，比较单总线上的ROM ID和本身ROM ID，若相同，则呼应后边的操作，最终读出该节点温度;若不同，则不会呼应。因为ROM ID是仅有的，所以每次只会有一个DS18B20呼应。
2.2 ZigBee节点规划
TI公司的CC2530是专门针对IEEE 802.15.4和ZigBee使用的单芯片处理方案，可作业在2.4GHz的16个信道。理论上传输间隔在0~400m，最高传输速率可达200Kbps。从网络装备上来讲，ZigBee网络中有3种类型的节点：ZigBee和谐器节点、ZigBee路由器节点和 ZigBee终端节点，这三种节点在硬件上是彻底相同的，都能够通过软件装备成不同的节点。ZigBee三种常见的网络结构别离是：星状网络、树状网络和Mesh网络。本文温度搜集节点悉数装备成终端设备，只担任和DS18B20搜集温度。终端设备搜集到温度或许地址信息后从头生成固定的帧格局发送到和谐器，也便是温度聚集节点。本文中规划的温度帧格局字段主要有：车厢编号、车厢状况、环境温度和每个轴承对应的温度和状况以及编号。地址帧格局字段有：设备类型、本节点地址和父节点地址。
本文选用TI的协议栈为ZStack-CC2530-2.5.1a，OSAL是一种依据事情驱动的轮询式操作体系，选用轮询的办法不断地检查事情列表，假如有事情发生了，则会调用相应的事情处理函数进行处理。
为了完成对ZigBee节点的简略操控，温度聚集节点一旦收到串口接纳的指令“colldata”和“topology”，和谐器就分辩该指令是获取温度数据仍是网络拓扑，然后通过播送向一切终端节点发送相应的Command ID，终端节点收到指令后别离设置两个事情，一个温度搜集事情和一个获取地址事情，OSAL检测到事情后，发动温度或许地址获取动作，并主动发送到和谐器。
3 软件规划
本文的软件开发环境为IAR for 8051 V8.10，支撑一切的编译、调试和下载。
3.1 温度搜集节点软件规划
因为DS18B20选用总线协议办法，有严厉的时序概念，因而，对DS18B20的软件规划有必要严厉依照协议进行。操控器向DS18B20发送复位脉冲进行初始化，初始化成功之后，再向总线写入“Skip ROM”指令，再接着写入温度转化指令。等候少量延时后，读取转化的温度，因为要读取9个温度值，所以通过一个循环，每次读取一个温度，总共读取9次即可。其间每一次读取温度，都要先初始化，然后匹配要读取的DS18B20，最终读取RAM里的温度。
因为温度搜集点选用终端设备节点，故只能恳求参加网络，设备上电并入网成功与和谐器绑定完成后，等候和谐器的指令，如收到指令，则每隔5s钟搜集一次温度或许获取一次地址信息，详细流程图如图2。
3.2 ZigBee聚集节点软件规划
聚集节点一方面搜集终端设备发送来的数据，另一方面通过串口与外部设备通讯，这儿为了获得模仿作用，选用串口帮手来演示数据显现和指令发送，该部分的软件规划流程如图3。
4 完成成果和剖析
本体系规划的操控指令主要有两个“topology”和“collect”别离为获取网络拓扑结构和获取温度数据。当在PC的串口调试界面发送“topology”，在接纳栏界面如图4所示。当PC的串口调试界面发送入 “colldata” 收到如图5的信息。
剖析：如图4所示，依据地址信息能够剖分出这是一个星型网络结构，跟希望的规划共同。
剖析：如图5所示，Box_no:车厢编号，Et_temp:环境温度，Bear_No：轴承编号，Bear_temp:轴承温度，State:轴承状况。依照报警原理，轴承状况取决于设定的肯定报警温度和相对报警温度，只需轴承满意恣意一个报警条件，就会显现毛病状况F(False)，不然显现N(Normal)，比照各个车厢的轴承温度精确地反映了作业状况，证明了此体系作业的正确性。
5 总结
本文专门针对铁路方便卡车的本身特色以及铁路货运需求，提出铁路卡车轴承温度主动监测的处理方案，规划了以CC2530和DS18B20为中心轴承温度监测的软硬件部分。本体系侧重介绍了ZigBee操控DS18B20搜集温度、无线传输、指令操控和报警显现等部分。通过试验测验，各项显现正确地反映了轴承的状况，证明了本规划的使用价值。
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本文来源于我国科技期刊《电子产品世界》2016年第10期第79页，欢迎您写论文时引证，并注明出处。
