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、切軸等現象，嚴重影響鐵路運輸安全。現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；另一種是非接觸式的紅外軸溫探測系統。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境影響、定位困難等原因，使得軸溫過高告警兌現率低、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點裝在列車各車廂的特定位置，節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、系統的結構組成介紹 貨運列車與客運列車的區別有以下幾點： （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要求自帶電源，并盡量降低系統功耗。 （2）客車每節車廂都有列車員，可以對檢測到的軸溫進行監視，當發現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，結構如圖1所示。 整個系統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點。系統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車廂而不會影響整個系統工作（如圖1所示）。此外，節點數據到車頭采用的是多跳方式傳輸，每個節點無線發射的功率不需要太大，因此可以有效節約單個節點的能耗，平衡整個網絡的能耗。 2、無線傳感器網絡節點的組成 無線傳感器網絡節點的結構如圖2所示。 無線傳感器網絡節點包括傳感器模塊、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送到車頭總控制器，同時充當其他各節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點傳送給車頭總控制器節點。此外，處理器模塊負責處理其他節點發來的數據，并按照規則進行轉發。 無線通信模塊負責數據的接收與發送，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，能夠滿足系統高性能低功耗的需要。 能量供應模塊是系統工作的前提，由于貨車不像客車一樣具備穩定的供電電源，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5號堿性電池可持續工作1年左右。 我們在為每節車廂設計節點時，將節點的硬件編號設定為車廂的編號，這樣就使節點與車廂形成一一對應的關系，無論在何時何地系統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、系統的硬件介紹 系統框圖如圖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的運行環境溫度范圍為-40～+85℃，可以適應各種惡劣的環境。 無線通信模塊采用的是nRF905，其性能如上節所述。 通過這樣的設計，可以實時地對貨車各節車廂的軸溫進行監測，極大地保證了鐵路運輸的安全。 4、系統的軟件介紹 系統軟件設計主要包括節點發送接收程序、溫度采集程序、車頭總控器發送接收程序等。 節點發送程序流程如圖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送到與其相連通的下一級節點，并重新進入接收狀態。反之則繼續對命令號進行判斷，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，分站將現場的數據進行采集、打包，并發給主站，或啟動參數調節系統進行參數調節，然后重新進入接收狀態。 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送數據，這樣地面站就可以對列車發送的數據進行存儲，以備在出現事故后可以找到事故發生時的軸溫數據。 5、結 語 該系統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，該系統具有很好的可擴展性，在節點上安裝其他傳感器，可以對車廂的其他參數進行檢測，如：在車廂內安裝相應的傳感器可以對貨車車廂情況進行監控，可以起到防盜的作用；在車廂一定位置安裝壓力傳感器可以對車廂的載重情況進行監控；安裝濕度傳感器可以對車廂內濕度進行檢測等。隨著技術的進步，無線傳感器網絡將廣泛地應用于鐵路運輸，可以方便地對各種參數進行采集、分析、存儲，從而滿足人們日益提高的需求。