基于RFID和互联网的轮对振动监测识别系统设计

郭依帆，高军伟

（青岛大学 自动化学院,青岛 266071）

0 引言

随着我国交通运输水平的不断发展，交通运输的安全性受到了更为广泛的关注。在铁路运输中车轮作为列车与轨道直接接触的关键部件，其状态决定了列车运行的安全性与稳定性。车轮在行驶过程中容易受到振动和冲击，造成车轮出现损伤[1]。这些损伤会对列车的运行造成影响。

我国在列车故障预防和故障检修方面起步较晚，采用的方式多为传统的定期检查，这种方式检查维修流程较为复杂，并且检修的可靠性得不到保证[2]。新兴技术的发展为列车监测维修方式的进步提供了有利的条件。射频识别技术是一种新兴的自动识别技术，可以实现信息的快速读取与交换[3]。互联网技术可以实现数据的实时传输共享[4]。这些为列车轮对的信息采集和故障问题监测提供了强有力的技术支持。

本文基于RFID技术和互联网技术，结合轮对的振动监测，将振动信息与电子标签结合在一起，并对数据进行存储。用户可通过上位机和手持客户端对数据进行实时监测，出现数据异常及时报警，优化了轮对信息数据的交互，提升了监测数据的准确性和实时性。

1 系统方案设计

系统通过使用RFID阅读器来读取轮对上的电子标签，振动监测采用加速度传感器和车轮轴位传感器。当车轮轴位传感器检测到信号时开始进行电子标签的读取和振动信号的监测。将采集到的信号进行转换后通过串口发送至上位机，上位机对信息进行分析处理后显示数据，并将数据存储在数据库中，在数据出现异常时发出报警信息。上位机再将数据通过互联网发送至服务器，用户登录后可以通过手持客户端对服务器中的数据进行查看。监测系统总体设计思路如图1所示。

图1 系统总体设计图

2 硬件设计

2.1 振动监测硬件设计

1）车轮轴位传感器

列车车轮在经过轴位传感器时，触发系统开始进行车轮的识别和振动监测操作。采用YCCG-2有源列车轴位传感器，使用电磁测量方式，YCCG-2信号采集准确度高，具有抗震性和耐候性，能够适应各种运行环境，运行稳定，抗干扰能力好。

2）振动加速度传感器

车轮经过加速度传感器时的高频振动信号可以转换为电压信号[5]。传感器选择SAZKT131压电式加速度传感器。SAZKT131体积小，稳定性好，测量灵敏度高，不受外界强电磁环境的影响，可以保证信号的稳定准确测量。

3）数据采集卡

数据采集卡采用NI公司的USB-6008可以实现多路数据采样，其采用USB总线驱动，噪声低，精度高。它可以通过USB2.0接口与上位机系统实现数据传输。USB-6008内部结构如图2所示。

图2 USB-6008内部结构图

2.2 轮对识别硬件设计

1）电子标签

电子标签是识别系统中数据信息的载体，根据标签供电方式的不同可以分为有源电子标签、无源电子标签和半有源电子标签[6]。由于列车车轮属于金属材质，为了防止干扰，采用无源电子标签[7]。无源电子标签工作模式采用跳频工作方式，可以对电子标签内的数据进行读写操作，且使用寿命长，成本低，满足系统设计的需要。

2）射频模块

轮对识别硬件部分中最为重要的就是射频模块，它决定了识别的准确性和读取的速度。在该模块中以Indy R2000射频芯片为核心，其采用双CPU架构设计，集成有高灵敏度的DRM，其采用载波消除技术，使读取速度更快、范围更广，可以实现超高频标准的传送、接收、解调和基带信号处理功能。

图3 Indy R2000射频芯片结构图

3）控制器

控制器主要是完成射频模块和上位机之间的数据处理和数据传输，将射频模块发送的信号进行解码读取到标签的数据信息，同时将上位机发送的数据解码后传输到射频模块，从而实现对标签的读写操作。控制器可以通过两种串口通讯标准RS232和RS485实现通信，也可以采用TCP/IP通信方式，本次设计采用RS232通信方式。

3 软件设计

3.1 上位机软件设计

监测识别系统的上位机采用Visual Studio 2017编写，编程语言采用C#语言。上位机中主要包括串口程序、电子标签数据读取程序、振动信号接收程序、联网数据发送程序和数据存储程序。上位机软件流程图如图4所示。

图4 上位机软件流程图

1）串口程序设计

串口程序主要调用软件中的VS2017中的IO.Ports类库完成串口程序的设计，程序中串口波特率默认为115200bps，另外提供38400bps的波特率可以选择。收发的数据格式为1位起始位、8位数据位、1位停止位、无奇偶校验位。

2）电子标签数据读取程序设计

电子标签的读取程序是将下位机发送来的数据进行解析，下位机发送的电子标签数据内部格式分为四个区域，分别是密码区、EPC区、TID区和USER区[8]。由于EPC区中的数据为电子标签的唯一识别码，因此系统对EPC区中的数据进行解析。EPC区可以存入12个字节的数据，即24个16进制数，具体信息如表1所示。例如采集到的数据为“0D2645010A01”指的是D2645次列车，1号车厢的左侧（0A代表左侧，0B代表右侧）第1个车轮。为了让用户更为简单的看出编码的信息，在设计中对编码进行了分解，使用户无需了解编码的格式也可以直接看出对应的信息。

表1 轮对编码对应位信息

3）振动信号程序设计

振动信号的接收使用了与VS2017匹配的Measurement Studio工具实现软件设计。Measurement Studio提供了一个集成式套件，其包括了常用的测量和自动化控件，并且包含有面向对象的测量分析接口，易于实现对数据的操作[9]。在USB-6008与电脑连接后，Measurement And Automation工具会自动识别硬件的型号，然后使用NI-DAQ配置采样所需的相关参数，然后就可以使用NI-DAQ提供的函数实现对振动信号的采集和处理，在系统中通过WaveformGraph控件对采集到的数据以波形的形式显示。

4）联网数据发送程序设计

在上位机平台VS2017中调用Socket套接字实现网络连接通信，Socket套接字是网络通讯的基本操作单元，可以实现不同主机间的双向通讯[10]。将IP地址与端口号进行封装，然后将封装后的数据发送，实现与服务器之间的连接。监测数据按照数据格式进行封装后，通过已建立的网络连接发送至服务器端。

5）数据信息存储程序设计

数据信息的存储采用SQL Server Management Studio工具实现，它将SQL Sever 2008与VS2017之间建立关联[11]。使用SQL Server Management Studio在SQL Sever 2008中建立新的数据库和数据表，然后通过添加Data.SqlClient类库实现对数据库的存储、读取和清除等操作。本系统将电子标签数据和轮对的状态存储在数据库中，同时也可以在上位机中实现对数据库中历史数据的清除操作。

3.2 手持客户端及网络数据传输

1）手持客户端

手持客户端采用E4A平台编写，编程方式采用类似易语言的Basic语言编程。在客户端中加入登录界面、数据监测界面、车轮数据及传感器状态监测界面。手持客户端通过TCP控件与服务器实现数据通信。手持客户端在读取服务器数据后按照格式进行解析，将数据显示在界面上。

2）网络数据传输

上位机、服务器和手持客户端之间采用TCP/IP协议实现数据通信，TCP/IP协议不依赖于特定的系统和软件，其集成了多种形式的网络，便于数据的传输[12]。在本系统中，数据的格式根据类型分为两种。账号和密码的数据格式采用KEY:+账号+“+”+密码 。监测数据的格式为DATA:+传感器名称+“+”+传感器数据。服务器与客户端之间的通信过程如图5所示。

图5 网络数据通信流程图

4 系统测试

本系统在实验室中搭建了轮对仿真平台，对轮对振动监测识别系统进行测试。在这里将列车车次暂定为D2645,监测系统上位机界面如图6所示，串口设置为COM3，波特率为115200。振动信号采样频率设置为1000Hz，并将报警阈值设置为±0.5V。在网络登录中输入账号和密码，点击登录按钮，连接至服务器，使数据可以实时传送至服务器。启动系统的开始监测识别按钮，当车轮轴位传感器被触发后，电子标签开始被阅读器识别并将信息显示在上位机界面中。振动信号在波形图中进行实时显示，其中纵坐标为电压值（V），横坐标为采样时间（s）。轮对数据自动保存在SQL数据库中，数据库中数据信息如图7所示。

图6 监测系统上位机界面

图7 数据库数据信息界面

在手持客户端登录后可以远程查看当前识别系统的工作环境温度、标签识别速度以及振动加速度传感器的数据，在车轮数据及传感器状态监测界面可以查看电子标签的各项信息以及各传感器的工作状态。手持客户端界面如图8所示。

图8 监测系统手持客户端界面

5 结语

本文结合RFID技术和互联网技术设计了轮对振动监测识别系统。该系统将振动信号采集与轮对识别结合在一起，对轮对状态进行监测。监测平台采用多终端方式，用户可以在多台设备上对数据进行实时监测，确定车轮的状态，保证列车的正常运行。系统对于解决列车的动态监测具有重要意义，有着广泛的应用前景。