鐵路列車在高速運行過程中，車輛走行部分各軸承的溫度會不斷升高，當軸溫過高時，會造成熱軸、切軸等現(xiàn)象，嚴重影響鐵路運輸安全。現(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員進行巡檢。但由于貨運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。隨著無線傳感器網絡技術的發(fā)展，利用無線傳感器網絡的感知能力、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行實時監(jiān)控的網絡，對保證列車運行安全具有重要意義。將無線傳感器網絡節(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絡，可以有效實時地對車軸參數進行采集和傳輸。

　　1 系統(tǒng)的結構組成介紹

　　貨運列車與客運列車的區(qū)別有以下幾點：

　　(1)客運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;貨運列車車廂沒有電源，所以應用在貨車上的系統(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行監(jiān)視，當發(fā)現(xiàn)有異常時可以通知專人負責處理;貨車車廂一般都是無人值守的，因此需要將采集到的數據傳輸到車頭，由技術人員進行處理。

　　(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，及以上貨運列車不同于客車的特點，我們設計了基于無線傳感器網絡軸溫探測系統(tǒng)，結構如圖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絡節(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)點數據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，平衡整個網絡的能耗。

　　2 無線傳感器網絡節(jié)點的組成

　　無線傳感器網絡節(jié)點的結構如圖2所示。

　　無線傳感器網絡節(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模塊。節(jié)點的作用是對軸溫數據進行采集，并通過無線傳感器網絡發(fā)送到車頭總控制器，同時充當其他各節(jié)點到車頭總控制器的路由器。

　　傳感器模塊負責數據的采集，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，對軸溫進行檢測，并通過1-Wire總線將溫度數據傳送到處理器單元。

　　處理器單元是節(jié)點的核心，主要負責控制數據的采集，對數據進行分析計算，并控制無線通信模塊將處理好的數據通過與其連接的其他網絡節(jié)點傳送給車頭總控制器節(jié)點。此外，處理器模塊負責處理其他節(jié)點發(fā)來的數據，并按照規(guī)則進行轉發(fā)。

　　無線通信模塊負責數據的接收與發(fā)送，本設計采用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、接收解調器、功率放大器、晶體振蕩器和調制器組成。他采用高抗干擾GFSK調制，數據速率90 kb/s，發(fā)射功率可調，最大為+10 dBm，獨特的載波檢測輸出(CD)、數據就緒輸出(DR)、地址匹配輸出(AM)，自動產生前導碼和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，所以本設計采用電池供電，在低功耗設計的基礎上，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)車廂設計節(jié)點時，將節(jié)點的硬件編號設定為車廂的編號，這樣就使節(jié)點與車廂形成一一對應的關系，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。

　　 3 系統(tǒng)的硬件介紹

　　系統(tǒng)框圖如圖3所示。

　　溫度傳感器采用的是DS18B20，該傳感器是美國Dallas公司生產的一款集成數字溫度傳感器，他與傳統(tǒng)的熱敏電阻溫度傳感器不同，能夠直接讀出被測溫度，并且可根據實際要求通過簡單的編程實現(xiàn)9～12位的數字值讀數方式，可以分別在93.75 ms和750 ms內將溫度值轉化為9位和12位的數字量。因而使用。DS18B20可使系統(tǒng)結構更簡單、可靠性更高。同時芯片的耗電量很小，從總線上獲取少量電能(空閑時幾μW，工作時幾mW)存儲在片內的電容中就可正常工作，一般不用另加電源。最主要的是傳感器輸出的是數字信號，可直接與單片機I/O相連，使連接非常方便。由于在單總線上傳送的是數字信號，這使得系統(tǒng)的抗干擾性好、可靠性高、傳輸距離遠。

　　處理器采用的是MSP430系列單片機，最顯著的特點就是他的超低功耗，在1.8～3.6 V電壓、1 MHz的時鐘條件下運行，耗電電流在0.1～400μA之間，RAM在節(jié)電模式耗電為0.1μA，等待模式下僅為0.7μA。能耗是無線傳感器網絡的瓶頸，節(jié)點必須依靠電池供電，所以采用MSP430F149作CPU是最佳選擇。MSP430F149采用16位RISC結構，其豐富的尋址方式、簡潔的內核指令、較高的處理速度(8 MHz晶體驅動，指令周期125 ns)、大量的寄存器以及片內數據存儲器使之具有強大的處理能力。另外，MSP430F149的運行環(huán)境溫度范圍為-40～+85℃，可以適應各種惡劣的環(huán)境。

　　無線通信模塊采用的是nRF905，其性能如上節(jié)所述。

　　通過這樣的設計，可以實時地對貨車各節(jié)車廂的軸溫進行監(jiān)測，極大地保證了鐵路運輸的安全。

　　4 系統(tǒng)的軟件介紹

　　系統(tǒng)軟件設計主要包括節(jié)點發(fā)送接收程序、溫度采集程序、車頭總控器發(fā)送接收程序等。

　　節(jié)點發(fā)送程序流程如圖4所示。

　　當分站接收到數據后，將把字頭后的數據認為是有效數據，單片機首先核對分站ID號，如ID號不是本機則將其發(fā)送到與其相連通的下一級節(jié)點，并重新進入接收狀態(tài)。反之則繼續(xù)對命令號進行判斷，以確定分站的動作。如主站要數據則對傳感器號進行判斷，以確認主機所要的是該站的哪個傳感器數據。對數據分析完畢后，分站將現(xiàn)場的數據進行采集、打包，并發(fā)給主站，或啟動參數調節(jié)系統(tǒng)進行參數調節(jié)，然后重新進入接收狀態(tài)。

　　其他程序在這里不再詳細敘述。此外，我們在程序中留有接口，車頭總控制器在不停地巡檢軸溫的同時，還可以通過短消息或其他無線通訊方式向地面接收站發(fā)送數據，這樣地面站就可以對列車發(fā)送的數據進行存儲，以備在出現(xiàn)事故后可以找到事故發(fā)生時的軸溫數據。

　　5 結 語

　　該系統(tǒng)可應用于貨運鐵路列車，可以實時可靠地對車輛軸溫進行檢測報警。此外，該系統(tǒng)具有很好的可擴展性，在節(jié)點上安裝其他傳感器，可以對車廂的其他參數進行檢測.