动车组驱动电机温度监测系统技术报告.docx
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动车组驱动电机温度监测系统技术报告
动车组驱动电机温度监测系统
技术报告
上海铁路局车辆处
北京四维星科技有限责任公司
2008年8月
目录
一.项目背景3
二.系统构成5
1网络拓扑结构5
2ZigBee子系统6
2.1节点的构成6
2.2MESH网结构6
2.3链路示意图8
2.4同步系统9
3GPRS子系统10
4电源控制子系统11
4.1掉电过程流程12
4.2上电过程流程13
5数据库管理子系统13
5.1列车管理模块14
5.2温度监测模块15
5.3路由监测模块15
5.4位置管理模块17
三.节点的功率消耗18
四.数据帧结构20
五.系统主要技术指标21
六.发射接收机的电气特性22
一.项目背景
动车组经过一年的连续运行，逐渐发现一些问题，其中电机、变速箱的温升过高，较为突出。
目前，由于动车的全封闭特殊结构，铁路系统已经装备的红外轴温监测系统，无法检测到电机的温度，即使可以将原系统改造，实现检测，首先，改造成本过高，很难承受；其次，从原理上讲，红外轴温监测系统是将检测设备安装在固定的地点（通常在车站），即大约每隔数十公里，机车行驶到一个车站才能完成一次检测，其结果必然是等效的采样周期较长，假设距离间隔按照30KM，机车速度按照200KM/H计算，等效采样周期大约为540秒（9分钟）；而且，采样周期随车速的降低而延长，本质上，无法提高采样速度。
第三，该方法属于非接触式测量，对于检测设备必须定期进行标定，而定期标定必然耗费大量人力、物力、财力。
换言之，运行维护成本过高。
实时（采样周期小于1-2分钟）监视电机部位的温度，一旦温升较高，超出允许范围，立即进行检修，是保证列车安全运行的重要技术手段。
事实上，尽管动车的自动化程度较高，由于技术手段的不足，四个列车生产厂，均没有设计对电机的实时温度监控。
运行中已经发现电机温升较高，并出现电机烧毁现象。
因此，如何实时测量电机的温度，是当务之急。
对电机的运行、温度实时地进行检测，掌握温升情况，是客观现实提出的课题；一旦实现，既可以有效地提供运行数据，又便于检修，排除隐患，保障行车安全。
鉴于上述情况，课题组基于北京四维星科技有限责任公司现有的产品，详见附件一ZigBee无线测温系统，并结合动车组运行中的环境，采用最新技术，ZIGBEE无线传感器网络设计出一种全新的“动车组驱动电机无线测温系统”，可以满足实时动态地提供电机的温度运行数据。
二.
系统构成
本系统共划分为以下四个子系统：
ZigBee子系统；
GPRS子系统；
电源控制子系统；
数据库管理子系统。
现分别描述如下。
1网络拓扑结构
系统拓扑结构如图1所示
图1.网络结构示意图
2ZigBee子系统
2.1节点的构成
每节车厢被测电机，构成一个网络节点。
每列车全部节点（包含中心机）构成一个独立的子系统。
网络节点由数据采集、处理、传输和电源4个主要部分组成。
传感探测单元由传感器进行监测区域内待测对象的信息采集；微控制单元实现数据的分析、处理和存储等功能；无线传输单元负责低功耗短距离节点间通信；供电单元选取小型化、高容量的电池，以确保节点的长寿命和微型化。
具体节点设计如图2所示。
图2无线传感器网络节点结构
2.2MESH网结构
本系统采用自由组网、自由拓扑的无线Mesh网络结构，即单个节点既是终端又是路由器。
在需要提供终端数据时，节点充当终端角色，将所需要的信息采集上来，此时其它节点均作为路由器，将此节点的数据帧路由到手持终端；而在其它时刻，节点充当路由器，为系统中某个正在充当终端的节点提供路由服务。
毫无疑问，这样做大有好处。
首先它充分利用了系统中可利用的资源，终端既是路由，这样就大大降低了系统对纯路由的需求，极端情况下可以完全不需要，从而降低了系统成本；其次为组建系统提供了灵活的方式，增大了系统覆盖面积，正因为终端既是路由，所以只要某个节点能路由到系统中任何一个其它节点，它的摆放位置就可以任意，这样即便整个系统已经设计好了，其节点位置仍可改变，而这个改变对系统本身毫无影响；第三，mesh网使系统数据传输更加稳定可靠，mesh网依托其节点的路由功能实现自由拓扑，具有自愈性。
所以，每个节点到数据中心之间都有冗余路径，这样，即使某条路由在某段时间存在干扰或是有误码而导致丢包，数据仍可通过其它路径到达数据中心。
Mesh网的结构示意图如图3所示。
图中，并没有给出全部节点的所有路由全集，由于无线传输的不确定性，在某些特定的环境下，传输距离可能会达到近百米，考虑到系统的容量，实时性，本系统的传输深度（即所谓跳数）最大为8级。
图3Mesh网的结构示意图
2.3链路示意图
节点分布及其链路示意图如图4所示
图中，在第4，第5车厢仅各画出一个节点，系统的实际构成与位置可能稍有不同，完全取决于工程要求。
图4链路示意图
动车共分为两类车厢，一类属于主驱动车厢，车厢底部装有驱动电机，每节车厢提供四部电机，这些电机是被测对象；另一类车厢属于从动车厢，共四节，不提供驱动电机。
因此，本测温系统中，从动车厢不需安装采样设备。
车厢排列方式如上图所示。
每节车厢长度为25米。
列车全长200米。
由分布图不难看出，接收中心位于车厢内部，全部采样节点安装于车厢底部，之间，特别是与中心机之间，几乎被一个全封闭的金属结构所屏蔽。
被测点的分布比较集中，大约可划分为两个区域，即车厢的前部和后部，长度各为50米。
列车的中间部分，由于没有被测节点，导致前、后两部分之间距离较长，大约60米。
根据第二部分所提供的衰减公式，即使在可视的情况下，中心机也很难通过一跳满足可靠通信要求。
因此，必要时，在列车中部需放置2-4台设备，保证节点之间的连通性。
这样，既可以缩短通信距离，又可以形成多条路径，以做到冗余。
2.4同步系统
本系统是一个同步时分系统，考虑到本系统采用低成本设计，因此同步系统未采用硬件同步而采用软件同步的办法。
其网络层的运作机制如下：
主机轮流呼叫系统中各个节点。
首先呼叫一号节点，并等待一号节点的回应，路由将主机的呼叫帧转发下去，直到一号节点收到为止，一号节点一收到主机的呼叫帧，马上回复一个数据帧，路由再次将此帧转发给主机。
以此方法呼叫每个节点，主机呼叫完所有节点，即完成一个系统周期。
若主机在一定的时间内等待到该节点的回应帧，即算是收到该节点的数据帧，若是此段时间内没有收到，系统认为该节点丢失一帧，即使在等待时间之后路由将该节点的回应帧传上来了，此帧也算为无效帧，丢弃。
这样，系统就存在一个时间的设计问题，系统能提供的最短周期能到多少（即系统的响应速度），由什么决定，主机等待回应帧的时间又该是多长，对系统周期有无影响，此外还有其它因素影响系统周期吗？
在cpu时钟和射频传输速率既定的情况下，软件对时间的设计就尤为重要了。
而软件对时间的分配取决于算法。
根据程序算法，并考虑到节点的硬件和MCU的处理能力，可得出主机等待单节点的回应帧最短时间t：
假设一辆动车20个节点，那么，主机等待一个节点的时间最短为1.62秒，加上主机本身对此节点的处理和窗口的保护时间，我们可以得到主机处理单个节点的总时间为1.7秒。
那么一个周期就是34秒。
从上面我们可以看出，最短时间基本上是由主机等待单个节点响应的时间决定。
而要压缩这个时间，只能从算法和提高MCU的处理能力上解决。
考虑到电源消耗，我们将周期延长为120秒，保证节点有足够的休眠时间。
3GPRS子系统
被测电机的温度值，通过ZigBee子系统，全部传到中心机后，再利用GPRS子系统将其传送到数据控制中心，该技术属于成熟技术，我公司于2004年已经通过北京铁路局科委鉴定。
当然，将此技术用于动车组，会存在一个问题，即当列车以200KM的时速行驶，并当跨越GPRS系统的基站，GPRS系统的主干网又非常忙碌时，会造成信号的阻塞。
为此，我们加大系统的缓存深度（可设成256K），保证数据的后续发送，不至于丢失数据。
4电源控制子系统
就中心机供电角度而言，由于电源取自车厢交流电，而动车自身就存在通电和不通电两种情况，通电属于正常情况，而不通电情况下，排除分相区，测温系统的设备节点是无需工作的，如果在此时所有设备节点能得到这样一个睡眠命令，那么，节点电池的消耗将大大减少。
并且若能将入库或行驶信息传到上位机显，那么工作人员将更直观了解所有动车的动态信息。
鉴于以上原因，本系统增加电源管理模块，其功能就是实时检测系统的交流供电情况，若检测到系统掉电，即向上位机发送掉电信息，同时向设备节点发休眠命令，并保持主机2分钟不掉电，两分钟后主机掉电，系统全部进入休眠模式。
进入休眠模式的设备节点，每半个小时唤醒一次，查询主机是否已经上电工作，若主机已经上电工作，设备节点进入工作状态，若未检测到主机工作，设备节点继续休眠。
同时，动车存在一个分相区问题，即在通过分相区时，动车会短时间停电，而这段时间停电不应影响系统工作，所以，在主机检测到掉电信息并且保持的2分钟内，若重新检测到上电信息，主机将会重新向上位机发出上电信息，向节点发出工作命令。
4.1掉电过程流程
图5掉电过程处理流程
4.2
上电过程流程
图6上电过程处理流程
5数据库管理子系统
本系统采用世界领先的CACHE数据库进行开发，具有快捷、高效等特点。
系统与本公司的ZigBee产品配套使用，提供相应的传感器管理、温度监测和路由监测等几大功能。
5.1列车管理模块
本模块针对列车进行管理，一辆列车有若干车厢，其中某些车厢装有电机，这样每个电机标记为一个位置来管理，而每个位置对应一个唯一的网络号。
用一个例子来说明，可以在列车文本框中键入“D54”表示一辆列车，单击添加按钮，这样可以看见“D54”出现在下面列表框中。
单击选中“D54”列车，在位置、网络号文本框中依次填入“2号箱1轴”“100-1-1”。
（注：
在添加位置和网络号的时候要先选中一辆列车，因为位置是相对于列车来说的，不允许添加孤立的位置，否则会报错，不允许添加。
）依次将列车的位置名称和网络号加入，就可以建立列车与各个位置之间的联系。
效果见图7：
图7列车管理模块界面
页面底部的两个删除按钮，作用是删除相应的列车和位置。
首先选中一辆列车，单击“删除列车”按钮，该列车就被删除了。
（注：
删除一辆列车，会将该列车包含的相应位置信息一并删除，请谨慎操作，一旦删除无法恢复。
）选中一个位置之后，单击“从该车次删除”按钮，会将此位置信息从它所属的列车中删除。
5.2温度监测模块
本模块是对各列车的相应位置以温度曲线的形式进行监测。
如上图所示，监测以天为单位，横坐标表示一天共有1440分钟。
首先选择要检测的列车，之后选择位置和监测的日期，这时所选择日期的相应位置的温度变化曲线会显示在下面的图表中。
效果见图8：
图8实时温度测试曲线
5.3路由监测模块
本模块是针对各辆列车的测温系统的路由情况进行监测，同时也可以看到系统整体的运行情况。
图中每个正方形表示一个节点，每个节点被分为三个区域，顶部为节点状态区，中间为温度显示区（注：
温度显示区的颜色会根据事先定义好的温度区间呈现不同的颜色），底部为节点号显示区。
节点状态区的三个图标含义依次为节点的当前工作状态，信号强度以及电池电量。
（注：
节点工作正常时小圆圈显示为绿色，状态异常时小圆圈的颜色为灰色。
）中间标有root的矩形区域表示手持设备。
效果见图9：
图9信号传输路由图
图中的蓝色细线表示节点没有经过路由直接到达手持终端，黄线与红线分别表示经过两跳和三跳路由到达手持终端。
（注：
路由在三跳以上的全部用红线表示）。
操作方法为在左上方的下拉列表中选择想要监测的列车，则相应列车的系统路由情况会显示在下方的灰色区域，同时也可以看到各个位置的温度情况。
5.4位置管理模块
本模块的作用是对各节点（即各个位置）和手持机的位置进行调整，用户可以根据自己的需要将节点和手持机放在需要的位置上，也可以根据系统的实际物理位置进行摆放。
操作方法为在下拉列表中选择相应的列车，在下面的灰色区域就可以看到该列车对应的节点和手持机，任意拖动一个节点就可以激活本操作，在调整好自己满意的位置之后单击“保存当前位置”按钮，这时该列车对应的节点和手持机位置就被保存起来了。
此时与该列车对应的路由监测模块的节点和手持机位置会自动刷新，与用户调整的位置保持同步。
效果见图6-4：
图10节点位置管理界面
三.节点的功率消耗
由于系统各节点均用电池供电，安装到现场后往往不允许频繁更换电池，所以系统对节能要求很高。
从硬件的角度来看，耗电的主体是CPU和射频芯片，而CPU和射频芯片都有工作模式和睡眠模式，在睡眠模式时，它们的耗电是很少的，所以要节能，就应该让CPU和射频芯片工作在睡眠模式中。
理论参数值如下：
Cpu工作模式（3v电压）下电流为340ua，在LPM3模式（3v电压）下电流为2ua。
射频芯片发射电流为17.4ma，接收电流为19.7ma，PD模式电流为20ua。
按照节点平均工作水平，并按照最低周期来计算，节点工作时间和休眠时间都是17秒。
这样，34秒最短周期内，节点消耗电流为：
8.4×（0.34+19.7+0.002+0.02）+1.7×40/1000×17.4+25.6×0.022=170ma。
那么一个16ah的电池能维持133.3天。
假设加大周期为120秒，那么休眠的时间就大大增多，这样120秒内，工作时间为17秒，休眠时间为103秒，根据计算，一个16ah的电池能维持465天。
根据动车实际运行情况，每一次运行结束后，均将动车入库进行检修，检修时全车停电。
此时，测温系统是没必要运行的，应当进入休眠状态。
因此考虑到入库检修时的大休眠，电池的工作时间还会增加很多。
假设48小时中，动车入库停运16小时，在这16小时内，节点每半小时醒一分钟全开等待，工作周期为2分钟。
这样，有32小时全开工作，32分钟全开等待，15小时28分钟休眠，其总耗电为204140ma。
那么一个16ah的电池能维持564.3天。
考虑到系统实际运行中的复杂性，我们引入一个0.7的可靠系数，那么，一个16ah的电池能维持395天，系统可连续运行一年。
四.
数据帧结构
节点帧结构
手持机帧结构
字节序号
固定内容（16进制）
功能
字节序号
固定内容（16进制）
功能
1
EB
帧头
1
EB
帧头
2
90
2
90
3
17
帧长度（从次字节的后一个字节开始计算）
3
06
帧长度（从次字节的后一个字节开始计算）
4
02
帧类型
4
01
帧类型
5
无固定
N1,即网号
5
无固定
N1,即网号
6
无固定
N2,即子网号
6
无固定
N2,即子网号
7
无固定
N3,即节点号
7
无固定
供电状态（0:
掉电;1:
上电）
8
无固定
温度符号位（00:
正;FF:
负）
8
FF
帧尾
9
无固定
温度百位
9
FF
10
无固定
温度十位
11
无固定
温度个位
12
无固定
场强
13
无固定
电压
14
无固定
丢包标志（0:
丢包;1:
未丢）
15
无固定
包序号低位
16
无固定
包序号高位
17
无固定
休眠状态（0:
休眠;1:
工作）
18
无固定
接收等待时间低位
19
无固定
接收等待时间高位
20
无固定
路由1
21
无固定
路由2
22
无固定
路由3
23
无固定
路由4
24
无固定
路由5
25
无固定
路由6
26
无固定
路由7
27
无固定
路由8
28
FF
帧尾
29
FF
五.
系统主要技术指标
工作温度范围：
-40℃～+85℃
射频频率：
2400—2483.5MHz
信道数量：
16个
最大发射功率：
1mw（0dB）
接收灵敏度：
-94dBm
系统周期：
120秒
温度采样周期：
10秒
温度测量范围：
-55℃～+125℃
传感器精度：
±0.5℃（-10℃～+85℃）
路由最大深度：
8级
节点容量：
255
接口速率：
9600kbps
中心机供电电压：
AC2200.5A
节点供电电池：
DC3.6V16AH
物理尺寸：
节点：
144X72X44（mm）
中心机：
255X180X95（mm）
重量：
节点：
180g（不含电池），280g（含电池）
中心机：
1600g
六.发射接收机的电气特性
参数
最小值
典型值
最大值
单位
条件/注释
综合
射频频率范围
2400
2483.5
MHz
以1MHz步进可编程,
适应[1]为5MHz步进。
发送部分
发送比特速率
250
250
kbps
按照[1]定义
发送码片速率
2000
2000
kChips/s
按照[1]定义
标称输出功率
-3
0
dBm
通过一个不平衡变压器，将信号提交给50Ω负载。
[1]要求最小值–3dBm
可编程输出功率范围
24
dB
输出功率可编程，步进式，8段，约从–24to0dBm。
接收部分
接收灵敏度
-90
-94
dBm
通过一个不平衡变压器，按照[1]说明的方法，在端接的50Ω上测量，PER=1%。
[1]要求–85dBm
升级会员 