鐵路列車在高速運(yùn)行過程中，車輛走行部分各軸承的溫度會不斷升高，當(dāng)軸溫過高時，會造成熱軸、切軸等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響鐵路運(yùn)輸安全?，F(xiàn)階段我國鐵路列車上主要使用兩種軸溫探測裝置：一種是直接接觸式的車載軸溫探測系統(tǒng)；另一種是非接觸式的紅外軸溫探測系統(tǒng)。前者是在軸箱部位安裝溫度傳感器對溫度進(jìn)行采集，并通過電纜傳送到各個車廂的控制器顯示，由專門巡檢人員或各車廂乘務(wù)員進(jìn)行巡檢。但由于貨運(yùn)列車車廂是無人值守的，且車廂頻繁編組，不能靠有線方式傳送給有人車廂，所以這種方式在貨運(yùn)列車中很少使用。后者是通過每隔30 km安裝紅外探頭對軸溫進(jìn)行檢測。這種方式由于易受外界環(huán)境影響、定位困難等原因，使得軸溫過高告警兌現(xiàn)率低、誤報率高，而且成本很高。隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的感知能力、計算能力和通信能力，組成對行駛中的列車軸溫變化情況進(jìn)行實時監(jiān)控的網(wǎng)絡(luò)，對保證列車運(yùn)行安全具有重要意義。將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點裝在列車各車廂的特定位置，節(jié)點間以自組織的方式形成網(wǎng)絡(luò)，可以有效實時地對車軸參數(shù)進(jìn)行采集和傳輸。
1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成介紹
貨運(yùn)列車與客運(yùn)列車的區(qū)別有以下幾點：
(1)客運(yùn)列車車廂有固定的電力來源，因此不必考慮系統(tǒng)的功耗問題；貨運(yùn)列車車廂沒有電源，所以應(yīng)用在貨車上的系統(tǒng)要求自帶電源，并盡量降低系統(tǒng)功耗。
(2)客車每節(jié)車廂都有列車員，可以對檢測到的軸溫進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有異常時可以通知專人負(fù)責(zé)處理；貨車車廂一般都是無人值守的，因此需要將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)杰囶^，由技術(shù)人員進(jìn)行處理。
(3)客車車廂基本上是固定的，不會頻繁地重新編組，因此客車可以在各車廂之間連接電力線或通信線；貨車所掛各節(jié)車廂目的地可能不同，因此需要頻繁變動，有時需要甩掉某節(jié)車廂，有時需要掛上新的車廂，因此在貨車車廂間用有線方式通信是不可能的。
針對目前列車軸溫探測存在的問題，及以上貨運(yùn)列車不同于客車的特點，我們設(shè)計了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)軸溫探測系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)如圖1所示。
整個系統(tǒng)是由固定在每個車廂上的溫度采集單元和車頭總控制器組成。溫度采集單元稱為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。系統(tǒng)在上電后采用自組織的方式工作，并可以隨時加入或去掉某節(jié)車廂而不會影響整個系統(tǒng)工作(如圖1所示)。此外，節(jié)點數(shù)據(jù)到車頭采用的是多跳方式傳輸，每個節(jié)點無線發(fā)射的功率不需要太大，因此可以有效節(jié)約單個節(jié)點的能耗，平衡整個網(wǎng)絡(luò)的能耗。
2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的組成
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的結(jié)構(gòu)如圖2所示。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點包括傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供應(yīng)模塊。節(jié)點的作用是對軸溫數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到車頭總控制器，同時充當(dāng)其他各節(jié)點到車頭總控制器的路由器。
傳感器模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集，在本系統(tǒng)中，將8路溫度傳感器分別安裝在車廂的8個軸箱上，對軸溫進(jìn)行檢測，并通過1-Wire總線將溫度數(shù)據(jù)傳送到處理器單元。
處理器單元是節(jié)點的核心，主要負(fù)責(zé)控制數(shù)據(jù)的采集，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計算，并控制無線通信模塊將處理好的數(shù)據(jù)通過與其連接的其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點傳送給車頭總控制器節(jié)點。此外，處理器模塊負(fù)責(zé)處理其他節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)，并按照規(guī)則進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。
無線通信模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送，本設(shè)計采用nRF905模塊。nRF905是一款工作在433／868／915 MHz的單片無線射頻收發(fā)芯片，由頻率合成器、接收解調(diào)器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器組成。他采用高抗干擾GFSK調(diào)制，數(shù)據(jù)速率90 kb／s，發(fā)射功率可調(diào)，最大為+10 dBm，獨特的載波檢測輸出(CD)、數(shù)據(jù)就緒輸出(DR)、地址匹配輸出(AM)，自動產(chǎn)生前導(dǎo)碼和CRC，使用SPI接口與微處理器通信，配置非常方便。此外，nRF905的工作電壓范圍為1.9～3.6 V，其電流消耗很低，發(fā)射電流約為11 mA(-10 dBm輸出)，接收電流約為12.5 mA，待機(jī)電流約為2 μA，能夠滿足系統(tǒng)高性能低功耗的需要。
能量供應(yīng)模塊是系統(tǒng)工作的前提，由于貨車不像客車一樣具備穩(wěn)定的供電電源，所以本設(shè)計采用電池供電，在低功耗設(shè)計的基礎(chǔ)上，使用兩節(jié)5號堿性電池可持續(xù)工作1年左右。
我們在為每節(jié)車廂設(shè)計節(jié)點時，將節(jié)點的硬件編號設(shè)定為車廂的編號，這樣就使節(jié)點與車廂形成一一對應(yīng)的關(guān)系，無論在何時何地系統(tǒng)在上電自組的時候都可以自動地識別該車廂，極大地方便了車廂的管理。
