基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的機車 便攜式軸溫報警裝置的研制及應(yīng)用

馬森月

摘 要：文章以Android系統(tǒng)為服務(wù)器、ARM11開發(fā)板為客戶端開發(fā)一種便捷式的軸溫監(jiān)測報警裝置，通過無線通信進行數(shù)據(jù)傳輸，達到在實際應(yīng)用中維護人員可以在列車的任意位置對每一車軸的溫度值進行實時檢測，并將結(jié)果實時上傳到手機端，對機車軸溫起到一定的監(jiān)控和報警作用。

關(guān)鍵詞：便攜式軸溫檢測;機車;無線通信;Android;ARM;報警

中圖分類號：U270.7;TP39 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2021）07-0185-03

Development and Application of Locomotive Portable Axle Temperature Alarm Device Based on Wireless Sensor Network

Ma Senyue

（Environment & Equipment Design Department of China Railway First Survey & Design Institute Group Co.，Ltd.， Xi an 710043， China）

Abstract：The paper uses the Android system as the server and an ARM11 development board for the client to develop a convenient shaft temperature monitoring and alarm device， through wireless communication for data transmission， maintenance personnel can perform real-time detection of the temperature value of each axle at any position of the train， and the result is uploaded to the mobile phone in real time， which plays a certain role in monitoring and alarming the temperature of the axle.

Key words：portable axle temperature detection; locomotive; wireless communication; Android; ARM; alarm

0 引言

近年來，鐵路運量以及提速范圍均呈現(xiàn)出逐漸增加的發(fā)展態(tài)勢，在這一背景之下，人們對鐵路運輸所提的要求越來越嚴格，要求其進一步提升安全以及技術(shù)等各個層面的保障。軸溫檢測是機車安全監(jiān)測系統(tǒng)中的重要組成部分，傳統(tǒng)的高速列車軸溫報警裝置由于無法及時動態(tài)地獲取車輛在運輸過程中由車軸與軸承摩擦產(chǎn)生的溫度信息，導(dǎo)致在溫度過高時不能及時發(fā)現(xiàn)，進而引發(fā)燃軸、切軸等一系列問題，甚至造成列車運行事故，影響鐵路的運輸安全。因此，迫切地需要開發(fā)出一個相對獨立的軸溫探測設(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)對軸溫持續(xù)性的動態(tài)檢修，同時攜帶方便、操作簡單，能夠減少一定的人力成本輸出。

本文對國內(nèi)外學(xué)者相關(guān)研究進行借鑒，同時，以一些具有先進性的檢測模式及其相關(guān)理念為指導(dǎo)，進一步結(jié)合實際使用需求，進行創(chuàng)新與探索，尋求從單片機向ARM的嵌入式過渡，傳感器到數(shù)字型溫度傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫度采集研究方向出發(fā)，提出一種便攜式的軸溫報警裝置設(shè)計，該設(shè)計以Android手機端為服務(wù)器，以ARM11開發(fā)板為信號終端，經(jīng)無線傳感器通信系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)傳輸，在保證檢測系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性的前提下，把分析數(shù)據(jù)及時發(fā)送到手機端，完成對車軸溫度的實時動態(tài)檢測。

1 便攜式軸溫報警裝置設(shè)計

1.1 整體方案

基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的機車便攜式軸溫報警裝置的主要功能體現(xiàn)為：使溫度測量采集開發(fā)板與智能手持終端兩者之間實現(xiàn)穩(wěn)定連接、對車軸溫度數(shù)據(jù)的采集、可靠的無線數(shù)據(jù)傳輸。這就要求無線信號覆蓋面積達包含整個列車，才能保證手持終端可實時獲取車軸溫度。

目前，嵌入式系統(tǒng)非常豐富，其應(yīng)用領(lǐng)域越來越多。本文中以 ARM11處理芯片為基礎(chǔ)展開高速軸溫檢測報警裝置的研究，主要是由于該處理芯片具有比較快的處理速度，可以保持一個較低的功耗，同時，支持無線網(wǎng)絡(luò)等較為突出的優(yōu)勢。具體系統(tǒng)方案如圖 1所示。

1.2 ARM設(shè)計

以開發(fā)板OK6410-A進行車軸溫采集和數(shù)據(jù)發(fā)送模塊的設(shè)計，其關(guān)鍵芯片采用 S3C6410，并使用數(shù)字溫度傳感器 DS18B20實現(xiàn)溫度采集。為優(yōu)化多點檢測，采用模擬開關(guān) +GPIO 驅(qū)動控制的方式，利用+GPIO的控制可通用性，并提供標準的操作函數(shù)，可跨平臺使用。

在數(shù)據(jù)發(fā)送核心設(shè)計中，采用 SDIO Wi-Fi和 TP-LINK-WR700N 便攜式路由器模式創(chuàng)建無線局域網(wǎng)，使用其自帶的靜態(tài)IP地址，便于通信時對設(shè)備地址的獲取和控制。為保證信號強度，可以對Wi-Fi技術(shù)加以應(yīng)用，以該技術(shù)中的無線分散系統(tǒng)為支持，通過對特定方式的采用，將無線路由器的發(fā)射功率增加，或者是對中繼器進行合理的增減處理，以此優(yōu)化無線分散系統(tǒng)中各相關(guān)指標所具有的性能，達到信號全面而又有效覆蓋的最終目的。

1.3 手持終端軟件設(shè)計

采集端完成對軸溫數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送，需要發(fā)送到手持終端，經(jīng)手持端軟件處理顯示具體的軸溫數(shù)據(jù)。構(gòu)成手持終端軟件系統(tǒng)的子模塊比較多，主要有以下6個方面：①具體開發(fā)環(huán)境的搭建：該模塊的功能在于為手持終端軟件提供一個積極、良好的開發(fā)環(huán)境。②登錄模塊：從入口層面為軟件安全提供相應(yīng)的保障，在用戶完成登錄之后，對他們的相關(guān)信息進行維護。③應(yīng)用界面：將接收到的溫度信息進行具體數(shù)據(jù)展示、曲線展示和警告展示。④數(shù)據(jù)庫：與實際表現(xiàn)出來的應(yīng)用需求相結(jié)合執(zhí)行對數(shù)據(jù)的存儲任務(wù)，同時，對數(shù)據(jù)庫適配器BaseAdapter加以運用，建立起同數(shù)據(jù)庫之間的連接，以此達到對數(shù)據(jù)來源等的顯示、匹配以及解耦等相關(guān)目的。⑤數(shù)據(jù)加載控件：基于緩沖機制的支持，在ListView控件的運行下將數(shù)據(jù)動態(tài)加載并顯示出來，以此將查詢時間有效縮短，同時，在一定程度上將系統(tǒng)內(nèi)存消耗降低。⑥通信設(shè)計：以UDP協(xié)議為基礎(chǔ)完成各個模塊之間的數(shù)據(jù)或相關(guān)信息傳輸。

2 便攜式軸溫報警裝置軟件實現(xiàn)

機車便攜式軸溫檢測報警系統(tǒng)主要功能集中于手持端，其軟件的實現(xiàn)過程如圖2所示。

（1） Fragment/界面實現(xiàn)。從登陸界面上來看，其布局主要通過Fragment這一核心應(yīng)用來完成，登錄框架的設(shè)計與實現(xiàn)由UI設(shè)計來完成。從總體上來看，將Fragment作為核心應(yīng)用，可以確保一個界面能夠被多次使用，這無異于一個輕量級的Activity，無論是在開發(fā)上，還是在具體的配置上，都表現(xiàn)出一定的簡約優(yōu)勢，對于屏幕空間利用率的提升具有積極意義，另外，界面的優(yōu)化同樣能夠通過對Activity中的Fragment加以替換來完成，在具體的維護上具有方便性。

根據(jù)實際需求，可靜態(tài)或動態(tài)地使用Fragment，使用步驟為：創(chuàng)建fragment的xml自定義Fragment繼承自Fragment，在其中綁定fragment的視圖，寫fragment自己的事件在Activity的xml中通過id引用該fragment。

（2） Socket通信實現(xiàn)。數(shù)據(jù)通信過程主要為：傳感器采集到車軸上的溫度交由開發(fā)板，通過開發(fā)板內(nèi)無線通信模塊將數(shù)據(jù)通過Wi-Fi發(fā)送給Android智能手機端，完成數(shù)據(jù)通信。考慮到手機做客戶端時IP地址需要頻繁更換的問題，采用手機為服務(wù)端，結(jié)合 IP+端口號便可與多個開發(fā)板采集端（客戶端）進行連接，并接受多個數(shù)據(jù)。

通常情況下，Socket通信會以子線程的形式在安卓平臺上呈現(xiàn)出來，由于受到安卓機制的影響，子線程并沒有對UI線程進行更新的權(quán)限。一方面，子線程并不能對UI線程所涉及到的空間句柄加以引用;另一方面，UI線程中原本具備的阻塞功能會在一定程度上造成程序拋出ANR錯誤。為了對Socket通信耗費時間比較長這一實際問題加以解決，需要將其放置在一個子線程內(nèi)，以此達到減少CPU占用的目的。借助于LitePal封裝開發(fā)環(huán)節(jié)所具有的數(shù)據(jù)庫功能，同時，對main_activity方法加以運用，執(zhí)行對通信子線程的創(chuàng)建任務(wù)，在數(shù)據(jù)庫中執(zhí)行對各項數(shù)據(jù)的存儲操作。在具體的信息通信環(huán)節(jié)，各UDP數(shù)據(jù)均能組裝成一份IP數(shù)據(jù)包，通過對Socket的直接調(diào)用，同Socket Server進行對話即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)。

（3）溫度數(shù)據(jù)顯示實現(xiàn)。當Socket通信完成了對數(shù)據(jù)的接收與存儲，并實時顯示具體的溫度數(shù)據(jù)之時，可以對數(shù)據(jù)庫中最新一條數(shù)據(jù)進行調(diào)用，通過這一方式完成溫度的顯示。具體地，可以進行一個能夠在Fragmen中實現(xiàn)循環(huán)讀取溫度數(shù)據(jù)代碼的編寫，并將該代碼封裝于子線程中，之后持續(xù)地刷新并獲取最新的數(shù)據(jù)，便可以實時的顯示在UI界面中，這以Handler消息處理機制對消息的發(fā)送及處理為支持。

（4） 消息報警與曲線展示實現(xiàn)。針對溫度過度時的報警消息提示和數(shù)據(jù)軌跡展示功能，采用Dialogfragment和MPAndroidChart實現(xiàn)。基于Dialogfragment實現(xiàn)報警提示、用戶操作確認提示、連接成功和登錄成功提示等等;MPAndroidChart實現(xiàn)的軸溫監(jiān)測曲線圖包括：軸溫數(shù)據(jù)、圖形坐標、標題等。為了避免由于數(shù)據(jù)過多而導(dǎo)致信息查看不及時和不方便，系統(tǒng)中添加了Android 的 ScrollView組件，可以實現(xiàn)滾動展示相關(guān)信息的功能。

3 機車便攜式軸溫報警裝置可行性測試

根據(jù)系統(tǒng)需求分析進行白盒測試，測試項及測試結(jié)果如表1所示。

機車便攜式軸溫報警裝置的應(yīng)用效果如圖3所示，途中手持終端中顯示了 6個車軸實時的軸溫數(shù)據(jù)，車軸溫度過高時會給出報警狀態(tài)提示，并可進行網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置，綁定車軸。

4 結(jié)語

文章將機車車軸溫度監(jiān)測警報功能獨立出來進行研究，提出了一種基于便攜式手持端，實現(xiàn)接收和實時顯示軸溫數(shù)據(jù)功能，達到有效軸溫報警效果。設(shè)計中，以 DS18B20 數(shù)字溫度傳感器和SDIO Wi-Fi 模塊為技術(shù)核心，完成溫度數(shù)據(jù)采集與無線傳輸，并通過TCPSocket 通信機制完成數(shù)據(jù)閉環(huán)流程。經(jīng)對系統(tǒng)測試，基本可滿足實時車軸溫度警報功能。

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