利用無線模塊的列車軸承在線監測系統的設計

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(中國科學技術大學精密機械與精密儀器系，安徽 合肥 230027)

利用無線模塊的列車軸承在線監測系統的設計

余文航，孔凡讓，張海濱，陸思良，沈長青

(中國科學技術大學精密機械與精密儀器系，安徽 合肥 230027)

鑒于道旁麥克風采集的聲音信號受多普勒效應及周圍噪聲影響而難以提取的缺陷，提出一種基于無線模塊的軸承在線監測系統。通過振動傳感器在線采集軸承振動信號，利用無線模塊進行無線數據傳輸，最后對接收到的數據進行分析處理以確定是否有故障。主要從無線模塊選型、硬件電路實現、通信協議等幾個方面介紹了系統的設計與實現過程。

軸承監測；振動信號；無線模塊；無線數據傳輸

0 引言

鐵路運輸在交通運輸領域占有十分重要的地位，在國民經濟建設中發揮著舉足輕重的作用，據統計，鐵路運輸每年承擔了全國旅客三分之一以上的運送量，完成了全國貨物運送量的55%[1]。然而，由于列車所處的環境差異很大，列車的軸承、車輪輪箍和轉向架等受到交變的作用力，常常會發生故障。這些故障對鐵路運輸造成的影響輕則是被迫停車，嚴重的則會導致列車出軌等嚴重事故。軸承故障是最常見最主要的列車故障類型[2]，因此，研究針對列車軸承的故障診斷與狀態監測技術具有重要意義。

根據故障診斷技術機理的不同，診斷軸承故障的常用方法有振動分析法、噪聲分析法、油樣分析法、溫度分析法和聲發射診斷等[3]。其中，油樣分析法僅僅適用于使用油潤滑的軸承故障診斷，對使用脂潤滑的軸承較困難；溫度分析法對于列車軸承的早期故障檢測能力弱；噪聲分析法優點是可以進行無接觸測量，其弊端是難以從周圍環境中的各種其他噪聲中分離出軸承異常的聲音信號；聲發射診斷使用超聲波信號，檢測頻率更高，可以避開低頻源和噪聲干擾，在提高信噪比方面有一定作用，只是現階段利用聲發射診斷的應用還不多見；振動分析法是通過安裝在軸承座和箱體上的振動傳感器來監測軸承的振動信號，并對其進行分析和處理的方法，可以有效地診斷出早期輕微故障信號，具有測試與處理簡單、直觀，診斷結果可靠等優點，在實際中得到了廣泛的應用。因此，選用振動分析法來監測列車軸承故障。

用振動分析法監測列車軸承的振動信號，關鍵在于怎樣把傳感器測到的振動信號實時地傳給PC，再對接收到的信號進行分析處理以確定是否有故障。在此，介紹了一種基于無線模塊的列車軸承振動數據采集系統，采用電池供電，整個電路功耗極低，所有數據傳輸都是無線的方式，是一個完全獨立的系統。

1 總體設計

系統總體結構如圖1所示(為單個軸承終端的示意)。圖1中，上位機由PC、RS232串口和無線模塊組成，下位機由單片機(MCU)系統、振動傳感器和無線模塊組成。實際應用中上位機置于列車的中間車廂中，下位機安裝在軸承旁，由于列車有多個車廂，每節車廂又有很多軸承，每個軸承旁都裝有一個下位機終端。當上位機PC發送采集某個軸承振動數據的指令時，此軸承對應的下位機便會接收指令、采集振動信號，然后通過無線模塊把數據傳給PC，最后PC對數據進行處理以確定是否有故障。系統設計的關鍵是無線模塊的選型、主控電路的設計以及通信協議的制定。

圖1 系統總體結構

2 無線模塊選型

系統選擇的是基于CC1101芯片的SM46型433 MHz無線串口通信模塊。選擇SM46模塊，主要基于以下幾個原因：

a.低功耗。CC1101是美國TI公司推出的一款低功耗、集成度高而多通道的無線收發芯片[4]，其供電電壓為1.8～3.6 V，當其在發射模式下發射功率為0dBm時，電流消耗僅為11.3 mA;工作在接收模式下接收速率為最高的500Kb/s時，電流消耗僅為12.3 mA。而且SM46模塊還有休眠及無線喚醒功能，當不需要傳輸數據時可讓模塊進入休眠狀態，休眠電流不大于25μA。

b.傳輸距離遠。可靠傳輸距離大于4 000m，而現在的列車總長一般都小于3 000m，滿足傳輸距離的要求。

c.高抗干擾能力和低誤碼率。無線數據傳輸方式相對于有線通訊的主要缺點就是傳輸數據的可靠性有待改進，受環境影響較大。SM46模塊使用GFSK調制方式，采用高效前向糾錯信道誤碼技術，提高了數據抗突發干擾和隨機干擾的能力，在信道誤碼率為10-3，可得到實際誤碼率為10-5～10-6。

d.其他的特點，如多信道多速率、透明的數據傳輸、智能數據控制無需用戶編制多余的程序和體積小重量輕等。

3 主控電路設計

主控電路是終端最重要的部分。系統的硬件電路是按模塊的功能進行設計的，設計選擇STM32單片機作為控制器，符合高性能、低成本和低功耗的要求，適合作為無線通信系統的MCU。

在此電路設計中，STM32單片機完成的主要功能有：數據采集(通過振動傳感器)、A/D轉換(MAX1300芯片)、數據傳輸(無線模塊SM46)、控制無線模塊的休眠及喚醒、參數設置(采樣頻率、采樣時間和波特率等參數)、溫度及電池電量檢測等。整個主控電路的組成如圖2所示。

圖2 主控電路組成

由圖2可以看到，主控電路由5V的蓄電池進行供電。A/D轉換器的5路中，4路用于振動數據，剩下1路用于電池電量，溫度傳感器監測終端的溫度。

4 通信協議[5]

所謂通信協議就是指通信雙方共同遵守的交換數據的格式和意義上的一組規則[6]。雖然SM46無線模塊有高抗干擾能力，但是不能完全不受干擾，數據的傳輸總會受到周圍的干擾，因此，需要擬定通信協議來保證獲得數據的穩定性。

系統中需要傳輸的數據有指令和數據2種。指令又可以分為2類：上位機給下位機的指令(下行指令)，下位機給上位機的指令(上行指令)。

4.1 指令傳輸

先來介紹指令的通信協議。下行指令主要有啟動采集數據、上傳數據、休眠命令、喚醒命令、采樣頻率設置、采樣時間設置、波特率設置、溫度檢測、電量檢測、重新發送和校驗通過等，上行指令則對應有下行指令執行的反饋。根據這些需要的指令可以看到，指令通信幀格式有3個字節即可。如表1所示，第1個字節表示此指令的方向和內容，指令方向即是上行指令還是下行指令，此處0x(Hex)表示下行指令，4x(Hex)表示上行指令。中間1個字節給出的是目標地址，即終端的地址。列車有多節車廂，每節車廂又有很多個軸承，因此，整個系統會有很多個終端，終端地址就是代表這些終端的編號。最后1個字節是出錯校驗碼，由于指令數據相對比較可靠，這里采用校驗和的校驗方式，因此，這里第3個字節的值是第1個字節和第2個字節進行按位或運算的結果。通過第3個字節的值，可以檢驗收到的指令是否正確。

表1 指令數據的通信幀格式

指令方向指令內容目標地址校驗碼1字節1字節1字節上行指令00～0F00～FF00～FF下行指令40～4F00～FF00～FF

以一個例子來說明指令格式，如十六進制數“020103”的意思是PC給第2個終端的上傳數據指令。第1個字節“02”中的“0”代表下行指令，PC發給終端的，“2”是指令內容，第2個字節“01”是終端的地址，第3個字節“03”是02和01按位或運算的結果。

4.2 數據傳輸

振動信號的無線數據傳輸是系統的核心內容，必須要保證數據的準確完整。盡管SM46無線模塊理論上可以發送無限長的數據包，但為了傳輸數據的可靠性，在這里須將數據包分成很多小數據包進行傳輸。分析如下：假設無線模塊實際通信誤碼率為10-4，實際需要傳輸1KB=8192bit的數據，如果將1KB數據當成1包發送，則至少有1位出錯的概率很大(接近于1)，這樣導致1KB的數據包被準確接收的概率很小；而如果將這1KB數據分成10包，每包數據1000bit,則發送10包后，按概率只有1包會出錯，將出錯的數據包重新發送，則雖然多發了1次數據，效率降低了約10%，但是能保證所有數據的正確接收。

在系統中，小數據包的校驗采用循環冗余校驗碼(CRC校驗)。CRC校驗是數據通信領域中最常用的一種差錯校驗碼，其特征是信息字段和校驗字段的長度可以任意選定。在這里，信息字段取25個字節的長度，校驗碼取1個字節的長度。如表2所示，將振動信號數據按包分成每包29個字節進行發送。前面3個字節是幀首，其中中間1個字節給出的是終端地址，第3個字節是幀首校驗碼。接下來25個字節給出的是信號數據。第29個字節是CRC校驗碼。

表2 振動信號的通信幀格式(調整前)

幀首信號數據CRC校驗碼3字節25字節1字節

用表2的格式做無線數據傳輸的測試結果，發現經常出現暫停和數據錯誤的結果。下面來分析原因。

按照上面的通信格式，無線數據傳輸流程如圖3所示。上位機發送傳輸數據的指令給下位機，下位機校驗指令之后做出判斷，成功則發送OK回饋給上位機，同時準備發送第1個數據包，上位機收到OK之后進入循環等待時間，收到第1個數據包之后進行CRC校驗并判斷，成功則發送yes(Y)，下位機收到之后開始發送第2個數據，失敗則發送no(N)，下位機收到之后重新發送第1個數據，以此循環。

然而實際應用中，由于無線傳輸的局限性，數據可能出現丟失或者錯誤的情況。對于數據錯誤的情況，可以通過和校驗(對于指令數據)和CRC校驗(對于振動數據包)的方法來很好地解決。數據丟失包括數據包丟失和指令丟失2種情況。對于數據包丟失的情況，這里以圖3中第1個數據包丟失為例，上位機收不到數據，也沒收到發送失敗的信息，就會一直等待下去，下位機沒有收到上位機關于發送成功或者失敗的信息，也會處于等待狀態，這就是實際測試中出現暫停的原因。對于這種情況，可以引入超時的概念來解決，即等待接收有一個時間限制，不會是無期限地等下去。在此，可以使用MCU定時器來準確定義這個超時的長度。在下位機的無線模塊發送完第1個數據包之后，打開定時器開始計時，則超時理想的長度時間，由SPI讀數據時間、分析時間、轉換為發送模式時間、寫發送數據時間和無線發送時間來定義。如果收到了上位機發送OK的信息，定時器關閉，而如果超時時間到還未收到回傳，則認為此處數據傳輸失敗，重新發送數據。

圖3 無線數據傳輸流程

而對于指令丟失的情況，這里以圖3中上位機收到第1個數據之后，發送的yes丟失為例。下位機沒有收到發送成功的信息，過了超時時間便會認為發送失敗，于是開始重新發送第1個數據包，一直到收到PC傳來的發送成功的信息才開始發送第2個數據。這樣PC相對于收到了多次第1個數據包，把收到的數據包按順序處理的時候，顯然會出現重復而導致整個數據都錯誤的情況。這里采用重新定義振動信號的通信幀格式的方法來解決。如表3所示，將振動信號分成每包32個字節進行發送，前面29個字節和調整前的一樣，后面3個字節加入數據地址的信息(其中，前2個給出數據地址，第3個是數據地址校驗)。數據地址就是本數據包在整個數據中的編號位置。有了數據地址的信息，PC再對數據包進行處理的時候，就可以剔除重復的數據包，并將需要的數據包按數據地址排列好，再分析處理是否有故障。

表3 振動信號的通信幀格式(調整后)

幀首信號數據CRC校驗碼數據地址3字節25字節1字節3字節

用調整后的通信幀格式再做無線數據傳輸測試，結果不再出現暫停和數據錯誤的情況，證明了系統的無線數據傳輸的可行性。

5 結束語

提出了一種列車軸承在線監測的系統。通過無線模塊傳送振動數據的方法，可以有效地避免多普勒效應和周圍背景噪聲給軌邊聲學診斷系統帶來的不足和方法本身的缺陷。 重點介紹了無線模塊的選型、主控電路的設計以及無線通信協議。通過無線數據傳輸實驗初步驗證了系統的可行性。對于后面的工作，主要有兩點：一是想辦法將下位機安裝在列車軸承旁；二是在列車上試驗一下是否能按預期去測軸承的振動數據。

[1] 李明華，羅世民.鐵道概論[M].長沙:中南大學出版社，2010.

[2] Sneed W H，Smith R L. On-board real-time bearing defect detection and monitoring[C]//Proceedings of the 1998ASME/IEEE Joint Railroad Conference, 1998:149-153.

[3] 陳變蛟.基于振動信號的滾動軸承故障診斷研究[D].西安:西安電子科技大學，2011.

[4] 李 晶.基于CC1101的短距離無線通信網絡的設計[D].成都：電子科技大學, 2011.

[5] 李現勇.Visual C++串口通信技術與工程實踐[M].北京：人民郵電出版社，2002.

[6] 劉江沙，雷 偉，尹 酉.基于CC2430的串口無線模塊的設計[J].國外電子元器件，2007(4)：47-50.

Design of a Online Monitoring System of Train Bearing Based on Wireless Module

YUWenhang，KONGFanrang，ZHANGHaibin，LUSiliang，SHENChangqing

(Department of Precision Machinery and Precision Instrumentation, University of Science and Technology of China, Hefei 230027,China)

In view of the defect of acoustic signal collected by microphone which is hard to extract for it corrupted by the Doppler Effect and surrounding heavy noise, this paper will show us a online monitoring system of train bearing based on industrial wireless module. It can collect bearing vibration signal in real time by vibration sensors, transport the data by wireless module and finally analyze and process the

data to determine whether there exists a fault. The paper mainly introduces the development and realizing process of the system in the aspects of the selection of wireless module, the design of the hardware configuration, communication protocol and so on.

bearing monitor; vibration signal; wireless module; wireless data transmission

2014-06-04

TH133.3；TN911.7

A

1001-2257(2014)10-0055-04

余文航(1989-)，男，安徽安慶人，碩士研究生，研究方向為基于無線物聯網的高速列車軸承故障在線診斷；孔凡讓(1951-)，男，安徽合肥人，教授，博士研究生導師，研究方向為強噪聲多聲源陡畸變高速列車軸承聲學診斷、基于無線物聯網的高速列車軸承故障在線診斷。