基于无线传输的高速列车轴温集中监测系统方案

　　图4 监测节点软件流程

　　3.2 数据格式

　　系统了制定了简单的数据帧格式，如表1所示。 

　　表1 监测节点数据帧结构

　　每个帧的帧头都以“start”开始，占用5个字节；然后是占用3个节点的ID，可以认为是节点在网络中的地址；再接下来就是占用6个字节的温度值。当监测台发送指令时，每个监测节点都收到数据，但只有指令中ID与节点ID匹配时才会将该数据返回给监测台，如果不匹配则不做任何处理。

　　3.3 监测台指令帧结构

　　监测台与各监测节点通信的时候主要是通过发送指令完成的，指令帧结构如表2所示。 

　　表2 监测台数据帧结构

　　每个指令帧也是以“start”开始，占用5个字节；然后是需要提供温度数据的节点ID，占用3个字节；再接下来是指令的有无效，占用1个字节；最后是以“end”的帧尾结束符，占用3个字节。
　　3.4 数据发送和接收

　　发送数据。首先将nRF24L01配置为工作在PTX模式，接着把地址TX_ADDR和数据TX_PLD按照时序由SPI口写入nRF24L01缓存区，置CE为高电平并保持至少10μs，拉低CE后发射数据，并立即进入接收模式等待应答信号。如果收到应答，则认为此次通信成功，TX_DS置高，同时TX_PLD从发送堆栈中清除；若未收到应答，则自动重新发射该数据，若重发次数ARC_CNT达到上限，MAX_RT置高，TX_PLD不会被清除；MAX_RT或TX_DS置高时，使IRQ变低，通知处理器做相应处理。发射成功后，进入空闲模式。

　　接收数据。首先将nRF24L01配置为PRX接收模式，接着延迟130μs进入接收状态等待数据的到来。当接收方检测到有效的地址和CRC时，就将数据包存储在接收堆栈中，同时中断标志位RX_DR置高，IRQ变低，通知处理器读取数据，接收完数据后进入发射状态并回传应答信号，接收成功，CE变低进入空闲模式。

　　4 试验结果与分析

　　试验采用双层集装箱车，分别对空载和载重的两种不同情况车厢进行了测试。空载车厢自重为25t，载重车厢重为78t。

　　两种情况的测量结果如图5所示。 

　　图5 测试结果

　　由于列车运行情况相对复杂，轴温与速度、运行时间、制动、载重和环境温度等情况都有密切关系。从对图5的分析看，具体关系是：速度越快，轴温越高；列车启动阶段，即0~30km之间，随着运行时间的增加轴温越高，当达到一定程度时，运行时间不再轴温；在行驶到43~50km处，列车制动使车轴急剧升高，温度达到71.45℃；在运行稳定状态下，载重78t的车厢明显比载重25t的车厢，温度高6℃左右；另外，环境越高，轴温越高。不难看出，载重越大，轴承运转温度越高，并且上升速度越快。

　　5 结论

　　针对目前列车轴温探测存在的不足，借助于现代无线传感器网络技术，设计了系统简洁、布局小巧、灵敏度高、收发信息能力快速的高速列车轴温集中监测系统，摆脱了传统有线的传输方式，可实时监测运行中的列车轴承情况，如超过轴温监测预设定值，就发出报警信号，便于及时采取有效措施，有效地降低事故发生率，避免因事故而产生的巨大经济损失。经过实验得到两种载重情况运行列车的轴温数据，分析了提速列车的轴温变化规律，给改进热轴预报提供了数据基础，对维护铁路运输的正常运行和高速铁路的发展具有重要意义。