基于CC2530的轴承温度监测

作者/ 张高明 吴新春 白天蕊 西南交通大学 信息科学与技术学院(四川 成都 610031)

摘要：滚动轴承是列车最重要的机械部件之一，它在列车行驶中起着承受载荷和传递载荷的作用，工作条件十分恶劣。同时滚动轴承也是易损元件。据统计，旋转机械的故障有30%是由滚动轴承故障引起的,它的好坏对列车的工作状态影响极大。因此，研究轴承故障诊断技术对于列车安全运行十分有意义。目前有很多轴承故障检测方法。大致可以分为:振动法、噪声法、温度法、油样分析法。其中温度监测对轴承负荷、速度和润滑情况的变化反映比较敏感，尤其是对润滑不良而引起的轴承过热现象很灵敏^[1]。针对铁路快捷货车车厢没有电源、车辆随时解编或编组、无人值守等问题，提出快捷货车轴温监测方法，采用无线通信技术ZigBee和数字温度传感器DS18B20准确快速地测量多个车厢轴温，利用CC2530星型网络实现各个车厢的轴承温度汇集以及报警功能。

引言

　　当前，铁路货运物流严重滞后，除了铁路基础建设不足，更重要的是大量的货车速度普遍在100公里/小时以下，造成这一现象的原因在于滚动轴承作为机械设备中重要的旋转零件,也是机械设备中重要故障源之一，在轴承正常运转期间,如果出现缺油、少油、损伤、摩擦、碰撞等原因，会出现“烧轴”现象^[2]，导致轴承温度不同程度的上升，因此通过观察轴温的变化可以判断出轴承的运行状况。当前，在我国铁路货车提速的大背景下，对轴承的安全监测技术提出了更严格的要求，研究轴温实时监测技术具有实际应用价值。目前，检测轴温的方法常采用人工定期检查和红外测温和有线测温法，最早的人工检查方法就是当列车进站后，工人用测温仪器逐个检查轴承温度，很明显，这种方法准确性不高，实时性差，而且效率低。后来采用红外测温法，是在铁路轨道每隔30公里铺设红外探测器，当列车经过时采集轴承辐射的电磁波，虽然实现了自动测温，但由于红外辐射误差较高。再后来采用的有线测温法，但因为采用的PN结温度传感器，准确性还是不高。针对以上测温方式存在的问题和缺陷 ，本文提出车载测温的方法，即采用ZigBee短距离无线自组网和DS18B20单总线数字输出技术，解决了测温点分散问题，又具有低功耗，实时性强的特点，非常适合于快捷铁路货车的轴温监测。

1 系统功能和架构配置

　　1.1 功能分析

　　1)能满足列车运行过程中恶劣的环境要求，如高强度振动和不同地区的温度差;

　　2)实时监测轴承温度;

　　3)报警功能，采用绝对温度和相对温度判断轴承状态，即绝对温度(轴承温度)高于设定报警温度T1显示报警，当相对温度(轴承温度减去环境温度差值)高于设定的报警温度T2报警;

　　4)可以人工设置两个报警温度;

　　5)能够显示ZigBee组网网络拓扑结构。

　　1.2 架构配置方案设计

　　本系统的总体设计框图如图1所示。每节车厢轴承箱处安装九个DS18B20，这些温度传感器分别采集8个轴承温度和1个环境温度，采集完毕通过单总线的方式送到ZigBee 温度采集节点，车厢之间通过ZigBee星型无线网络方式与ZigBee汇集节点通信，并把本车厢温度数据上报到协调器处。协调器收到数据后将数据打包成固定的数据帧格式，通过Uart口发送到显示设备。同时，外部指令也可以通过串口发送给ZigBee汇集节点，然后ZigBee温度采集节点会通过广播收到命令，之后采集温度或是获取地址。

2 硬件结构的实现

　　2.1 温度采集

　　本文采用接触式数字温度传感器DS18B20，它采用on-board 专利技术，全部的电路都集成在一个三极管大小的芯片上。DS18B20具有数字信号输出和支持单总线多挂特点，可以准确地测量多个温度值。DS18B20每一次读取温度之前都要进行严格时序操作，要读出当前温度一共需要两个周期：第一个周期进行复位(初始化)、跳过ROM和开启温度转换;第二个周期里执行复位、匹配ROM、写ROM ID和读RAM数据。

　　本文采用的是单总线多挂的结构测温，CC2530的P0_6口接DS18B20的DQ控制器，依次向单总线写入ROM ID，比较单总线上的ROM ID和本身ROM ID，若相同，则响应后面的操作，最后读出该节点温度;若不同，则不会响应。由于ROM ID是唯一的，所以每次只会有一个DS18B20响应。

　　2.2 ZigBee节点设计

　　TI公司的CC2530是专门针对IEEE 802.15.4和ZigBee应用的单芯片解决方案，可工作在2.4GHz的16个信道。理论上传输距离在0~400m，最高传输速率可达200Kbps。从网络配置上来讲，ZigBee网络中有3种类型的节点：ZigBee协调器节点、ZigBee路由器节点和 ZigBee终端节点，这三种节点在硬件上是完全一样的，都可以通过软件配置成不同的节点。ZigBee三种常见的网络结构分别是：星状网络、树状网络和Mesh网络。本文温度采集节点全部配置成终端设备，只负责和DS18B20采集温度。终端设备采集到温度或者地址信息后重新生成固定的帧格式发送到协调器，也就是温度汇集节点。本文中设计的温度帧格式字段主要有：车厢编号、车厢状态、环境温度和每个轴承对应的温度和状态以及编号。地址帧格式字段有：设备类型、本节点地址和父节点地址。

　　本文采用TI的协议栈为ZStack-CC2530-2.5.1a，OSAL是一种基于事件驱动的轮询式操作系统，采用轮询的方式不断地查看事件列表，如果有事件发生了，则会调用相应的事件处理函数进行处理。

　　为了实现对ZigBee节点的简单控制，温度汇集节点一旦收到串口接收的命令“colldata”和“topology”，协调器就分辨该命令是获取温度数据还是网络拓扑，然后通过广播向所有终端节点发送相应的Command ID，终端节点收到命令后分别设置两个事件，一个温度采集事件和一个获取地址事件，OSAL检测到事件后，启动温度或者地址获取动作，并自动发送到协调器。

3 软件设计

　　本文的软件开发环境为IAR for 8051 V8.10，支持所有的编译、调试和下载。

　　3.1 温度采集节点软件设计

　　由于DS18B20采用总线协议方式，有严格的时序概念，因此，对DS18B20的软件设计必须严格按照协议进行。控制器向DS18B20发送复位脉冲进行初始化，初始化成功之后，再向总线写入“Skip ROM”指令，再接着写入温度转换指令。等待少许延时后，读取转换的温度，由于要读取9个温度值，所以通过一个循环，每次读取一个温度，一共读取9次即可。其中每一次读取温度，都要先初始化，然后匹配要读取的DS18B20，最后读取RAM里的温度。

　　由于温度采集点采用终端设备节点，故只能请求加入网络，设备上电并入网成功与协调器绑定完成后，等待协调器的指令，如收到指令，则每隔5s钟采集一次温度或者获取一次地址信息，具体流程图如图2。

　　3.2 ZigBee汇集节点软件设计

　　汇集节点一方面收集终端设备发送来的数据，另一方面通过串口与外部设备通讯，这里为了取得模拟效果，采用串口助手来演示数据显示和指令发送，该部分的软件设计流程如图3。

4 实现结果和分析

　　本系统设计的控制指令主要有两个“topology”和“collect”分别为获取网络拓扑结构和获取温度数据。当在PC的串口调试界面发送“topology”，在接收栏界面如图4所示。当PC的串口调试界面发送入 “colldata” 收到如图5的信息。

　　分析：如图4所示，根据地址信息可以分析出这是一个星型网络结构，跟期望的设计一致。

　　分析：如图5所示，Box_no:车厢编号，Et_temp:环境温度，Bear_No：轴承编号，Bear_temp:轴承温度，State:轴承状态。按照报警原理，轴承状态取决于设定的绝对报警温度和相对报警温度，只要轴承满足任意一个报警条件，就会显示故障状态F(False)，否则显示N(Normal)，对比各个车厢的轴承温度准确地反映了工作状态，证明了此系统工作的正确性。

5 总结

　　本文专门针对铁路快捷货车的自身特点以及铁路货运需求，提出铁路货车轴承温度自动监测的解决方案，设计了以CC2530和DS18B20为核心轴承温度监测的软硬件部分。本系统着重介绍了ZigBee控制DS18B20采集温度、无线传输、指令控制和报警显示等部分。经过实验测试，各项显示正确地反映了轴承的状态，证明了本设计的应用价值。

参考文献：

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　　[7]赵海兰、赵祥伟.智能温度传感器DS18B20的原理与应用[J].现代电子技术，2003.(14)：32-34.

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本文来源于中国科技期刊《电子产品世界》2016年第10期第79页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。