3 軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)軟件包括監(jiān)測節(jié)點(diǎn)軟件和監(jiān)測臺(tái)軟件兩部分。為了確保正常通信，采用問答方式，即控制臺(tái)依次與每個(gè)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)建立通信，收到節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)后，再收取下一個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)信息，這樣就避免了阻塞的情況，確保數(shù)據(jù)的可靠性［6］。

　　3.1 監(jiān)測節(jié)點(diǎn)軟件

　　監(jiān)測節(jié)點(diǎn)上電后，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，包括控制器各端口、寄存器和通信模塊nRF2401的配置等，之后進(jìn)入接收控制臺(tái)指令狀態(tài)。當(dāng)接收到指令時(shí)，立即讀取傳感器PT100的輸出值，經(jīng)過查表處理得出當(dāng)前軸溫信息，與節(jié)點(diǎn)ID打包正數(shù)據(jù)幀后發(fā)送到監(jiān)測臺(tái)，并繼續(xù)進(jìn)入到接收指令狀態(tài)。監(jiān)測節(jié)點(diǎn)軟件流程如圖4所示。

　　3.2 數(shù)據(jù)格式

　　系統(tǒng)了制定了簡單的數(shù)據(jù)幀格式，如表1所示。

　　圖4 監(jiān)測節(jié)點(diǎn)軟件流程

　　表1 監(jiān)測節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

　　每個(gè)幀的幀頭都以‘start‘’開始，占用5個(gè)字節(jié)；然后是占用3個(gè)節(jié)點(diǎn)的ID，可以認(rèn)為是節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的地址；再接下來就是占用6個(gè)字節(jié)的溫度值。當(dāng)監(jiān)測臺(tái)發(fā)送指令時(shí)，每個(gè)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)都收到數(shù)據(jù)，但只有指令中ID與節(jié)點(diǎn)ID匹配時(shí)才會(huì)將該數(shù)據(jù)返回給監(jiān)測臺(tái)，如果不匹配則不做任何處理。

　　3.3 監(jiān)測臺(tái)指令幀結(jié)構(gòu)

　　監(jiān)測臺(tái)與各監(jiān)測節(jié)點(diǎn)通信的時(shí)候主要是通過發(fā)送指令完成的，指令幀結(jié)構(gòu)如表2所示。

　　表2 監(jiān)測臺(tái)數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

　　每個(gè)指令幀也是以“start”開始，占用5個(gè)字節(jié)；然后是需要提供溫度數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)ID，占用3個(gè)字節(jié)；再接下來是指令的有無效，占用1個(gè)字節(jié)；最后是以“end”的幀尾結(jié)束符，占用3個(gè)字節(jié)。

　　3.4 數(shù)據(jù)發(fā)送和接收

　　發(fā)送數(shù)據(jù)。首先將nRF24L01配置為工作在PTX 模式，接著把地址TX_ADDR和數(shù)據(jù)TX_PLD按照時(shí)序由SPI口寫入nRF24L01緩存區(qū)，置CE為高電平并保持至少10μs，拉低CE后發(fā)射數(shù)據(jù)，并立即進(jìn)入接收模式等待應(yīng)答信號(hào)。如果收到應(yīng)答，則認(rèn)為此次通信成功，TX_DS置高，同時(shí)TX_PLD從發(fā)送堆棧中清除；若未收到應(yīng)答，則自動(dòng)重新發(fā)射該數(shù)據(jù)，若重發(fā)次數(shù)ARC_CNT達(dá)到上限，MAX_RT置高，TX_PLD 不會(huì)被清除；MAX_RT 或TX_DS置高時(shí)，使IRQ變低，通知處理器做相應(yīng)處理。發(fā)射成功后，進(jìn)入空閑模式。

　　接收數(shù)據(jù)。首先將nRF24L01配置為PRX接收模式，接著延遲130μs進(jìn)入接收狀態(tài)等待數(shù)據(jù)的到來。當(dāng)接收方檢測到有效的地址和CRC時(shí)，就將數(shù)據(jù)包存儲(chǔ)在接收堆棧中，同時(shí)中斷標(biāo)志位RX_DR置高，IRQ變低，通知處理器讀取數(shù)據(jù)，接收完數(shù)據(jù)后進(jìn)入發(fā)射狀態(tài)并回傳應(yīng)答信號(hào)，接收成功，CE變低進(jìn)入空閑模式［5］。

　　4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

　　試驗(yàn)采用雙層集裝箱車，分別對(duì)空載和載重的兩種不同情況車廂進(jìn)行了測試?？蛰d車廂自重為25t，載重車廂重為78t.

　　兩種情況的測量結(jié)果如圖5所示。

　　圖5 測試結(jié)果

　　由于列車運(yùn)行情況相對(duì)復(fù)雜，軸溫與速度、運(yùn)行時(shí)間、制動(dòng)、載重和環(huán)境溫度等情況都有密切關(guān)系。從對(duì)圖5的分析看，具體關(guān)系是：速度越快，軸溫越高；列車啟動(dòng)階段，即0~30km之間，隨著運(yùn)行時(shí)間的增加軸溫越高，當(dāng)達(dá)到一定程度時(shí)，運(yùn)行時(shí)間不再軸溫；在行駛到43~50km處，列車制動(dòng)使車軸急劇升高，溫度達(dá)到71.45℃；在運(yùn)行穩(wěn)定狀態(tài)下，載重78t的車廂明顯比載重25t的車廂，溫度高6℃左右；另外，環(huán)境越高，軸溫越高。不難看出，載重越大，軸承運(yùn)轉(zhuǎn)溫度越高，并且上升速度越快。

　　5 結(jié)論

　　針對(duì)目前列車軸溫探測存在的不足，借助于現(xiàn)代無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)簡潔、布局小巧、靈敏度高、收發(fā)信息能力快速的高速列車軸溫集中監(jiān)測系統(tǒng)，擺脫了傳統(tǒng)有線的傳輸方式，可實(shí)時(shí)監(jiān)測運(yùn)行中的列車軸承情況，如超過軸溫監(jiān)測預(yù)設(shè)定值，就發(fā)出報(bào)警信號(hào)，便于及時(shí)采取有效措施，有效地降低事故發(fā)生率，避免因事故而產(chǎn)生的巨大經(jīng)濟(jì)損失。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)得到兩種載重情況運(yùn)行列車的軸溫?cái)?shù)據(jù)，分析了提速列車的軸溫變化規(guī)律，給改進(jìn)熱軸預(yù)報(bào)提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，對(duì)維護(hù)鐵路運(yùn)輸?shù)恼＿\(yùn)行和高速鐵路的發(fā)展具有重要意義。