无缝钢轨温度无线监测节点研究
2015-03-20
1.引言
近年来，我国无缝线路铺设里程日益增加，与普通钢轨相比，无缝钢轨消除了列车运行时车轮对钢轨轨头造成的冲击破坏，减小了列车的震动，增加了列车运行的平稳性，提高了列车运行速度。无缝钢轨长期暴露在野外使用，它不仅承受列车运行时作用于钢轨的高强度应力，而且会随着外界环境温度的变化产生热变形[1]。由于无缝钢轨受扣件和道床阻力等外力作用，使其不能自由伸缩，导致钢轨内部产生温度应力，当内部温度应力积累到一定数值时，无缝轨道发生胀轨甚至断轨，危及行车安全[2]。针对高速铁路中钢轨温度的测量设计出无线监测节点，实时监控钢轨温度，以保证无缝钢轨冬天不被拉断，夏天不致胀轨跑道，防止事故甚至灾难的发生。
Zigbee技术是一种新兴的短距离、低复杂度、低功耗、低速率的双向无线通讯技术，主要用于近距离无线传输。由Zigbee模块组成的节点体积小且能自动组网，网络具有很强的自愈能力，布局十分方便。相比之下，传统的多路温度测量在一些长距离或者采集范围较大的场合，存在着布线复杂，传输距离近，对测量环境要求高、可靠性差、应用灵活性差等缺点，无法满足实时测量无缝钢轨的温度。另外，大量较长的引线受铁路现场电磁环境的干扰，不仅影响到数据采集的准确性和可靠性，而且也为列车的安全带来了隐患。因此，运用无线Zigbee技术设计出的单总线多路温度监测节点，具有安装方便，受测量环境影响小，传输距离远，组网灵活等优点，在需要多点测量场合应用价值比较高。
本文选用美国Dallas公司生产的DS18B20数字温度传感器和MSP430单片机组成的多路测温节点，采用单总线方式，通过无线Zigbee模块将数据传送给上位机进行预处理，并将预处理后的数据实时显示，真正实现了温度的检测与监控，无需介质互联。
2.多路温度节点硬件设计
2.1 节点硬件总体设计
无线监测节点通过编程来读取数字温度传感器DS18B20的温度，在MSP430F149单片控制下与Zigbee无线发送模块进行数据交换，经添加协议后，数据通过无线传输的方式发送给上位机，上位机通过温度检测软件实现温度数据的显示、存档及远程控制。图1所示为无线监测节点硬件设计框图。
2.2 温度采集电路设计
监测节点测量的温度有钢轨温度、节点盒温和节点温度，采用单总线方式进行温度数据传输。所测温度范围为-30℃～+70℃，测量精度为±1℃。实际应用中是将温度传感器粘贴于钢轨轨腰处、节点盒内以及节点内部，要求传感器具有测温范围宽、体积小、精度高的特点。
测温选用DALLAS半导体公司生产的数字温度传感器DS18B20，其测量温度范围为-55℃～+125℃，-10℃～+85℃的精度为±0.5℃。DS18B20可以程序设定9～12位的分辨率，其设定值及用户设定的报警温度存储在EEPROM中，掉电后依然保存[3]。每个DS18B20都有各自唯一片内序列号，通过序列号来区别单总线上挂接的多个器件。虽然单总线上可以挂接多个DS18B20，但是超过8个时就需要考虑微处理器的总线驱动问题。如图2所示DS18B20单总线接口部分电路，设计中多个温度传感器的信号线通过单总线与单片机I/O口P5.0连接，既保证了温度数据的传输又能传输时钟，同时节省了单片机I/O端口。DS18B20采用单总线方式与微控制器进行串行数据交互，因此应严格按照其读写时序进行编程，否则将无法读取测温结果[4]。测得温度直接以单总线的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性，适用于铁路沿线复杂环境的测量。
DS18B20具有两种供电方式：寄生电源供电方式和外部电源供电方式。当为寄生电源供电方式时，VDD引脚与GND引脚相连，通过数据线对其供电。当为外部电源供电方式时，VDD接外部电源，GND接地。设计中采用外部供电方式。当DS18B20处在存储器操作和温度A/D变换时，总线上必须有上拉电阻来保证在其有效时钟周期内提供足够的电流，设计时电源线与信号线之间须加一个4.7K的上拉电阻[5]。
2.3 无线通信模块设计
监测节点与网关之间的数据通信都是通过通信模块完成的，由于铁路现场环境复杂，过多的引线干扰会降低节点数据传输的稳定性，也不利于现场的布置。因此，节点与网关之间数据传输采用无线通信方式。安装在现场的多个监测节点通过无线局域网进行数据的传送，要求所选用的无线通信模块具有近距离通信，自组网能力强，低功耗等特点。
在当前普遍使用的短距离无线通信技术中，Zigbee技术以其低速率、低功耗、低成本、低复杂度的突出优点在无线传感器领域获得迅猛发展。Zigbee技术是一种双向低速率无线通信网络技术，应用于868MHz、915MHz和2.4GHz三个频段上，其中在2.4GHz频段上的最大数据传输速度为250kbps，适用于高吞吐量、低速率和短距离传输的场合[6]。
设计中选用基于Zigbee技术的无线通信模块。该模块是ZigBee技术的首批认证产品其设计满足IEEE802.15.4标准，工作频率2.4GHz，其基本性能参数如下[7]：发送功率63mW（+18dBm），接收灵敏度-102dBm，最大传输数据速率为250kbps，室内传输距离100m、室外传输距离最远可达到1600m；在3.3V供电模式下，发送数据时最大电流为45mA，接收数据时最大电流为50mA；组网性能方面采用DSSS（直接序列扩频）功能，实现点对点和点对多点组网。模块射频部分芯片全部内部集成，共有20引脚，直插式，可设计安装到一个插座上，因此模块在装上传感节点时不需焊接。选用的ZigBee模块满足了铁路沿线长距离布设组网的需要，图3给出了通信模块与微控器的外围接口电路图。 Zigbee模块与MCU通过串口DIN和DOUT进行数据通信，当SRST为低电平信号，可实现MCU复位Zigbee模块，同样CRST可实现Zigbee模块复位MCU。为了进一步降低通信模块功耗，在无数据传输的情况下启用模块的休眠功能。模块的PIN9是是休眠控制I/O口，PIN13用于指示当前模块休眠状态。
2.4 微控制器选型
微控制器是监测节点进行数据采集的控制核心，进行协调和管理模拟电路和数字电路。因此，它的性能直接关系到节点能否进行温度数据的采集以及与网关的无线传输。由于监测节点安装在钢轨，依靠蓄电池供电，且要实现全天工作，因此能耗是微控制器选型的重点；为充分实现各控制模块功能，需考虑微控制器的性能，外设资源以及所支持的开发工具。片上资源丰富的微控制器可以减少外围器件的数量，从某种程度上降低了成本[8]。
基于以上考虑选用美国德州仪器公司16位单片机MSP430F149作为下位机部分的控制芯片，其最显著的特点就是在1.8V～3.6V、1MHz的条件下运行超低功耗模式耗电电流在0.1mA～400mA之间，RAM在等待模式下为0.7mA，节电模式下耗电为仅0.1mA。MSP430F149内部拥有大容量的存储空间，60KB+256字节FLASH和2KBRAM的存储空间完全可以满足程序及数据的需要[9]。另外，在环境温度范围为-40℃～+85℃下MSP430F149可正常运行，能够适应恶劣的环境。
3.温度采集软件设计
3.1 软件设计总体框图
软件设计采用模块化编程思想，分为外部接口模块、处理函数模块及存储区模块，各个功能模块有各自较独立的程序来控制完成相应的能。外部接口模块主要功能是完成对Zigbee模块和DS18B20的初始化；处理函数模块包括单片机系统初始化、Zigbee网络数据接收和发送处理、Zigbee网络协议处理、设置采集参数。存储区模块是完成节点设置参数存储和要发送到无线网络中的数据进行暂存。
首先节点上电以后，单片机进行系统初始化（初始化单片机时钟、时钟芯片、Flash芯片、串口、定时器），DS18B20初始化和XBee无线发送模块的初始化；然后设置参数（实时采集或定时采集）开始进行温度的采集，将采集后的数据按照通讯协议添加帧头、帧尾和校验，放入发送数据缓冲区，然后通过Zigbee网络发送数据到网关，完成节点与网关的数据传输。图4给出了节点运行程序流程图。
3.2 DS18B20温度采集程序设计
DS18B20的操作步骤主要有以下几步：先对DS18B20进行初始化、搜索ROM，然后RAM操作，最后读取温度值。如下图5所示DS18B20的温度采集程序流程图。
DS18B20温度传感器内部有着各自唯一的64位序列号，这就方便了程序中采用二叉树搜索算法，利用单总线上所有器件DS18B20的注册码构成二叉树的深度为64[10]。在搜索过程中根据两次读取的数据来判断节点是左子结点、右子结点、还是叶子节点。在搜索程序遍历二叉树时，记录下搜索到的叶子节点数和所走过的路径，从而得到从器件的注册码和数量，完成对单总线上所有DS18B20的搜索。程序中对DS18B20进行ROM操作时，采用二叉树搜索算法遍历单总线上所有温度传感器，然后等待数据转换，当接收到实时采集或定时采集命令后开始采集温度[11]。
4.实验测试
4.1 实验设备搭建
本实验按照节点测量温度设计要求，在高低温箱环境中对节点进行测试。实验设备包括监测节点、八路DS18B20传感器、调试网关、节点电源、PC机和高低温箱。实验设备搭建如图6所示。
4.2 实验过程及监测温度显示
本实验选取-30℃、-15℃、0℃、15℃、30℃、45℃、60℃这7个测温点进行测试，具体实验方法为：将安装有八路DS18B20传感器的监测节点放在高低温箱内，通过编程设置实现高低温箱内温度保持在-30℃、-15℃、0℃、15℃、30℃、45℃、60℃各2小时；设置节点定时采集温度数据，采集间隔为1min，采集频率设置为1Hz，采集时长为10S；通过上位机软件实时监测节点采集的温度数据，如图7所示温度从15℃上升到30℃时监测界面，显示的温度值为节点采集10个温度数据的平均值；对上位机保存的温度数据进行分析。
4.3 实验数据分析
以45℃测温点为例，具体阐述温度数据分析过程：设置高低温箱保持在45℃并维持2小时，节点各通道分别采集并保存了约120个温度数据，对采集到的温度数据进行统计学分析，得出结果如表1所示。
对上位机保存的其他5个测温点进行同样的数据分析，得出结论如下：
1）监测节点测量温度的重复精度达到了±0.5℃；
2）监测节点在-30℃～+60℃运行正常，满足铁路环境下使用要求；
5.实际应用
目前本监测节点已进入现场调试阶段，现安装于某城际铁路段，主要用于采集钢轨的温度、节点温度和节点盒温。经几个月的现场测试结果表明，节点各部分功能稳定，远程可控性良好，实现了现场温度数据的实时、定时采集，并及时将数据经网关远程传输至服务器数据库中，供技术人员分析汇总，为研究钢轨温度力提供必要的数据支持。
6.结论
DS18B20的测温传感器具有测量速度快，精度高，高低温报警等特点，由此构成的单总线多路温度采集无线监测节点体积小、安装方便、可靠性高，适用于户外无人值守的恶劣监测环境。另外，本文研究的无线监测节点安装在环境复杂多变的钢轨上，对多点温度进行实时监测，并对监测数据实现存储、显示、报警等多项功能，确保线路运行正常。
