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(bào)警裝置，通過無線通信進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，達(dá)到在實(shí)際應(yīng)用中維護(hù)人員可以在列車的任意位置對每一車軸的溫度值進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，并將結(jié)果實(shí)時(shí)上傳到手機(jī)端，對機(jī)車軸溫起到一定的監(jiān)控和報(bào)警作用。

關(guān)鍵詞：便攜式軸溫檢測;機(jī)車;無線通信;Android;ARM;報(bào)警

中圖分類號：U270.7;TP39 文獻(xiàn)標(biāo)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(yùn)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(yùn)輸所提的要求越來越嚴(yán)格，要求其進(jìn)一步提升安全以及技術(shù)等各個(gè)層面的保障。軸溫檢測是機(jī)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(bào)警裝置由于無法及時(shí)動(dòng)態(tài)地獲取車輛在運(yùn)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(shí)不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，進(jìn)而引發(fā)燃軸、切軸等一系列問題，甚至造成列車運(yùn)行事故，影響鐵路的運(yùn)輸安全。因此，迫切地需要開發(fā)出一個(gè)相對獨(dú)立的軸溫探測設(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)對軸溫持續(xù)性的動(dòng)態(tài)檢修，同時(shí)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(jìn)行借鑒，同時(shí)，以一些具有先進(jìn)性的檢測模式及其相關(guān)理念為指導(dǎo)，進(jìn)一步結(jié)合實(shí)際使用需求，進(jìn)行創(chuàng)新與探索，尋求從單片機(jī)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(bào)警裝置設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)以Android手機(jī)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(jìn)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(shí)發(fā)送到手機(jī)端，完成對車軸溫度的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)檢測。

1 便攜式軸溫報(bào)警裝置設(shè)計(jì)

1.1 整體方案

基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的機(jī)車便攜式軸溫報(bào)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(shí)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(dá)包含整個(gè)列車，才能保證手持終端可實(shí)時(shí)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(bào)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(gè)較低的功耗，同時(shí)，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(jì)

以開發(fā)板OK6410-A進(jìn)行車軸溫采集和數(shù)據(jù)發(fā)送模塊的設(shè)計(jì)，其關(guān)鍵芯片采用 S3C6410，并使用數(shù)字溫度傳感器 DS18B20實(shí)現(xiàn)溫度采集。為優(yōu)化多點(diǎn)檢測，采用模擬開關(guān) +GPIO 驅(qū)動(dòng)控制的方式，利用+GPIO的控制可通用性，并提供標(biāo)準(zhǔn)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(jì)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(shí)對設(shè)備地址的獲取和控制。為保證信號強(qiáng)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(jìn)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(biāo)所具有的性能，達(dá)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(jì)

采集端完成對軸溫?cái)?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?cái)?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(gè)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(gè)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(jìn)行維護(hù)。③應(yīng)用界面：將接收到的溫度信息進(jìn)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(shí)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(shí)，對數(shù)據(jù)庫適配器BaseAdapter加以運(yùn)用，建立起同數(shù)據(jù)庫之間的連接，以此達(dá)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(jī)制的支持，在ListView控件的運(yùn)行下將數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)加載并顯示出來，以此將查詢時(shí)間有效縮短，同時(shí)，在一定程度上將系統(tǒng)內(nèi)存消耗降低。⑥通信設(shè)計(jì)：以UDP協(xié)議為基礎(chǔ)完成各個(gè)模塊之間的數(shù)據(jù)或相關(guān)信息傳輸。

2 便攜式軸溫報(bào)警裝置軟件實(shí)現(xiàn)

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

（1） Fragment/界面實(shí)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(jì)與實(shí)現(xiàn)由UI設(shè)計(jì)來完成。從總體上來看，將Fragment作為核心應(yīng)用，可以確保一個(gè)界面能夠被多次使用，這無異于一個(gè)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(hù)上具有方便性。

根據(jù)實(shí)際需求，可靜態(tài)或動(dòng)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(shí)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(jī)端，完成數(shù)據(jù)通信?？紤]到手機(jī)做客戶端時(shí)IP地址需要頻繁更換的問題，采用手機(jī)為服務(wù)端，結(jié)合 IP+端口號便可與多個(gè)開發(fā)板采集端（客戶端）進(jìn)行連接，并接受多個(gè)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(jī)制的影響，子線程并沒有對UI線程進(jìn)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(cuò)誤。為了對Socket通信耗費(fèi)時(shí)間比較長這一實(shí)際問題加以解決，需要將其放置在一個(gè)子線程內(nèi)，以此達(dá)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(shí)，對main_activity方法加以運(yùn)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(xiàng)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(jìn)行對話即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)。

（3）溫度數(shù)據(jù)顯示實(shí)現(xiàn)。當(dāng)Socket通信完成了對數(shù)據(jù)的接收與存儲，并實(shí)時(shí)顯示具體的溫度數(shù)據(jù)之時(shí)，可以對數(shù)據(jù)庫中最新一條數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)用，通過這一方式完成溫度的顯示。具體地，可以進(jìn)行一個(gè)能夠在Fragmen中實(shí)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(shí)時(shí)的顯示在UI界面中，這以Handler消息處理機(jī)制對消息的發(fā)送及處理為支持。

（4） 消息報(bào)警與曲線展示實(shí)現(xiàn)。針對溫度過度時(shí)的報(bào)警消息提示和數(shù)據(jù)軌跡展示功能，采用Dialogfragment和MPAndroidChart實(shí)現(xiàn)?；贒ialogfragment實(shí)現(xiàn)報(bào)警提示、用戶操作確認(rèn)提示、連接成功和登錄成功提示等等;MPAndroidChart實(shí)現(xiàn)的軸溫監(jiān)測曲線圖包括：軸溫?cái)?shù)據(jù)、圖形坐標(biāo)、標(biāo)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(shí)和不方便，系統(tǒng)中添加了Android 的 ScrollView組件，可以實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)展示相關(guān)信息的功能。

3 機(jī)車便攜式軸溫報(bào)警裝置可行性測試

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

機(jī)車便攜式軸溫報(bào)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(gè)車軸實(shí)時(shí)的軸溫?cái)?shù)據(jù)，車軸溫度過高時(shí)會給出報(bào)警狀態(tài)提示，并可進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置，綁定車軸。

4 結(jié)語

文章將機(jī)車車軸溫度監(jiān)測警報(bào)功能獨(dú)立出來進(jìn)行研究，提出了一種基于便攜式手持端，實(shí)現(xiàn)接收和實(shí)時(shí)顯示軸溫?cái)?shù)據(jù)功能，達(dá)到有效軸溫報(bào)警效果。設(shè)計(jì)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(jī)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(shí)時(shí)車軸溫度警報(bào)功能。

參考文獻(xiàn)

[1]邱曉歡，陳群，盧圳鑫.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的貨運(yùn)列車軸溫檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代信息科技，2018，2（10）：190-191+194.

[2]李杰.機(jī)車軸溫檢測系統(tǒng)研究[D].青島：青島理工大學(xué)，2018.

[3]徐超凡，姜璐，劉飛，等.鐵路列車便攜式軸溫報(bào)警裝置的研制[J].鐵路計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2016，25（03）：50-53.

[4]何川.鐵路車輛紅外軸溫探測信息采集設(shè)備改移方案優(yōu)化[J].機(jī)電息，2020（02）：69+71.

[5].便攜式機(jī)車輪箍防弛緩報(bào)警裝置檢測儀[J].上海鐵道科技，2017（02）：2.

[6]郭曉冬，李亞南，汪忠平，等.便攜式電力機(jī)車自動(dòng)過分相輔助檢測裝置的應(yīng)用研究[J].鐵道機(jī)車與動(dòng)車，2015（03）：46-48+6.

[7]吳瑋.機(jī)車空調(diào)便攜式測試儀[J].科技資訊，2019，17（13）：67-68.

[8]谷正濤.動(dòng)車組軸溫報(bào)警系統(tǒng)功能測試方法改進(jìn)研究[J].鐵道運(yùn)營技術(shù)，2019，25（04）：9-11.

[9]王乾.動(dòng)車組軸溫報(bào)警系統(tǒng)現(xiàn)狀分析[A].中國鐵道學(xué)會車輛委員會.動(dòng)車、客車學(xué)術(shù)交流會論文集（動(dòng)車分冊） [C].中國鐵道學(xué)會車輛委員會：中國鐵道學(xué)會車輛委員會，2012：4.

[10]劉泉龍，趙志剛，李琪.鐵路客車軸溫報(bào)警器誤報(bào)故障分析[J].鐵道車輛，2020，58（01）：40-41+5.