基于ZigBee技術(shù)的無縫鋼軌爬行監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

傅勤毅，彭亞凱，王超

(中南大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，湖南 長沙 410075)

基于ZigBee技術(shù)的無縫鋼軌爬行監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

傅勤毅，彭亞凱，王超

(中南大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，湖南 長沙 410075)

針對傳統(tǒng)鋼軌位移監(jiān)測系統(tǒng)效率低、成本高的不足，開發(fā)了新型無縫鋼軌爬行位移監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)，以ZigBee無線微型控制器CC2530模塊為核心，整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由監(jiān)測節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)和控制終端組成。監(jiān)測節(jié)點(diǎn)分布于鋼軌沿線，執(zhí)行數(shù)據(jù)采集與無線發(fā)送等工作；匯聚節(jié)點(diǎn)用于收集和傳輸數(shù)據(jù)；控制終端負(fù)責(zé)處理監(jiān)測節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)信息。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對無縫鋼軌溫度和爬行位移的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，并且操作簡單，使用方便。

監(jiān)測系統(tǒng)；無縫鋼軌；ZigBee無線監(jiān)測

隨著我國鐵路建設(shè)的迅速發(fā)展，對鐵路運(yùn)輸?shù)囊笠苍絹碓礁?，出于提速、重載與安全的考慮，我國鐵路軌道鋪設(shè)已經(jīng)開始普及無縫鋼軌。由于無縫鋼軌伸縮縫很少甚至沒有伸縮縫，受溫度影響，鋼軌熱脹冷縮，易產(chǎn)生爬行位移，使鋼軌平順性和安全性變差。因此，對無縫鋼軌爬行位移的監(jiān)測非常重要。國內(nèi)外常用的鋼軌位移測量方法有拉線測量法、光學(xué)經(jīng)緯儀測量法、激光測量法和光電技術(shù)測量法。這4種鋼軌位移測量方法和設(shè)備，均只適用于人工單點(diǎn)測量。拉線測量法的精度只能達(dá)到±5 mm，且工作量大，需要2人以上進(jìn)行測量；光學(xué)經(jīng)緯儀操作復(fù)雜，使用不方便。激光測量法和光電技術(shù)測量法所需設(shè)備昂貴，使用成本較高[1]。ZigBee技術(shù)是目前發(fā)展態(tài)勢非常強(qiáng)勁的一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。本文將ZigBee技術(shù)低速率、低功耗、低成本、低復(fù)雜度的特點(diǎn)[2-3]，應(yīng)用于無縫鋼軌爬行監(jiān)測系統(tǒng)，設(shè)計(jì)出一套高效率、低成本的新型無縫鋼軌爬行位移監(jiān)測系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

無縫鋼軌爬行監(jiān)測系統(tǒng)由分散的各個(gè)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)、一個(gè)數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)和終端設(shè)備3部分構(gòu)成，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。監(jiān)測節(jié)點(diǎn)按一定距離安裝在鋼軌上，能實(shí)時(shí)采集該處鋼軌的爬行位移和軌溫，并能自動組成ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)。在鋼軌沿線合適位置布置一個(gè)監(jiān)測中心，監(jiān)測中心由協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和與之相連的計(jì)算機(jī)組成，其中協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)單元負(fù)責(zé)組建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)收集。

各個(gè)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)絽R聚節(jié)點(diǎn)，再由匯聚節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇K端設(shè)備，最后由終端設(shè)備對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、分析和處理，從而完成對整條線路的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure block diagram

1.2 硬件設(shè)計(jì)

各監(jiān)測節(jié)點(diǎn)硬件包括數(shù)據(jù)采集模塊、微處理器模塊、無線通信模塊和電源模塊。監(jiān)測節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。數(shù)據(jù)采集模塊通過溫度、位移傳感器采集周圍環(huán)境溫度和鋼軌爬行位移，并將采集的數(shù)據(jù)傳送給微處理器模塊。微處理器模塊負(fù)責(zé)整個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理、路由協(xié)議、功耗管理、任務(wù)管理、數(shù)據(jù)存儲等。無線通信模塊負(fù)責(zé)與其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信、數(shù)據(jù)傳輸。電源模塊由太陽能充電鋰電池或2節(jié)1.5 V堿性電池供電。

圖2 監(jiān)測節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Framework of the monitoring node

1.2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

每個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊采用4個(gè)位移傳感器和1個(gè)溫度傳感器，實(shí)時(shí)采集該處上、下股4根鋼軌的縱向變形位移及實(shí)時(shí)軌溫。位移傳感器以機(jī)械連接方式、溫度傳感器以粘接方式固定在鋼軌上。位移傳感器將不動端固定于軌道板道床，可動端通過鎖緊裝置與鋼軌的底部牢固聯(lián)結(jié)，由此測出鋼軌直線位移的變化，位移傳感器機(jī)械裝置的安裝如圖3所示。

監(jiān)測節(jié)點(diǎn)測溫范圍為-30～+70 ℃，測量精度為±1 ℃，要求傳感器具有測溫范圍寬、體積小、精度高的特點(diǎn)。所以選用ADI公司的AD7416芯片，內(nèi)含1個(gè)溫度傳感器和1個(gè)10位AD轉(zhuǎn)換器，以0.25 ℃的分辨率將所測溫度數(shù)字化；其片內(nèi)寄存器和溫度比較器可以將溫度與設(shè)定的高低門限進(jìn)行比較，電壓范圍為2.7～5.5 V，溫度測量范圍為-55～125 ℃，尤為重要的是該芯片可以被編程在低功耗掉電方式下工作，電流僅為0.2 μA[4]。

監(jiān)測鋼軌爬行位移選用KTC-75 mm拉桿式直線位移傳感器。該傳感器兩端均有3.5 mm的緩沖行程，線性精度為0.08%，重復(fù)精度±0.01 mm，最大工作速度為10 m/s。外殼進(jìn)行了陽極處理，抗腐蝕，內(nèi)置導(dǎo)電塑料測量單元，無溫漂，使用壽命較長。拉桿球具有0.5 mm自動對中功能。最低供電電壓3 V，電刷工作電流≤1 μA，位移A/D轉(zhuǎn)換時(shí)電流≤1 mA。

圖3 位移傳感器安裝示意圖Fig.3 Schematic diagram of displacement sensor installation

1.2.2 微處理器模塊

微控制器是監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的控制核心，其性能直接關(guān)系到節(jié)點(diǎn)能否進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和無線傳輸。所以，選用TI/Chipcon公司的CC2530芯片作為系統(tǒng)的核心芯片。CC2530的特點(diǎn)如下：RF收發(fā)器輸出功率可通過編程控制，最高可達(dá)4.5 dBm；只需一個(gè)晶振便能滿足網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)需要；更小型的QFN40封裝，6 mm×6 mm；增強(qiáng)型8051處理器；8KB的RAM；4種閃存可選擇：32/64/128/256KB；通信距離可達(dá)400 m；CC2 530具有5種不同的運(yùn)行模式，轉(zhuǎn)換時(shí)間短；電源電壓范圍：2～3.6 V[5-7]，CC2591與CC2 530接口電路原理圖如圖4所示。

圖4 CC2591與CC2530接口電路Fig.4 Interface circuit between CC2591 and CC2530

1.2.3 無線通信模塊

由于CC2530模塊的通信距離最大只能達(dá)到400 m，而本方案設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)間距為500 m，且網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為接近直線的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。為了保證網(wǎng)絡(luò)的可靠性，要求節(jié)點(diǎn)的通信半徑能達(dá)到4個(gè)節(jié)點(diǎn)間距，即2 000 m。因此，有必要通過功率放大器來增加節(jié)點(diǎn)的通信距離。

TI公司生產(chǎn)的CC2591是一款集成度很高的射頻前端芯片，其工作頻率為2.4 GHz，面向低功耗與低電壓無線應(yīng)用。CC2591的集成功率放大器(PA)的增益高達(dá)22 dB，發(fā)射功率最大為+22 dBm(輸入+5 dBm)，輸出1 dB壓縮點(diǎn)+19 dBm，接收部分內(nèi)部集成的LNA分為高、低接收增益，分別為11 dBm和1 dBm，噪聲系數(shù)為4.8 dB，接收靈敏度改善6 dB。在本方案中，采用CC2591放大器與CC2530模塊組合，通信距離可達(dá)2 000 m以上[8-10]。

1.3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件包括監(jiān)測節(jié)點(diǎn)軟件和上位機(jī)數(shù)據(jù)分析軟件，監(jiān)測節(jié)點(diǎn)軟件包括傳感器對溫度和爬行位移的采集與保存、監(jiān)測節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)、數(shù)據(jù)發(fā)送控制等，監(jiān)測節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)控制流程如圖5所示，圖6所示為數(shù)據(jù)發(fā)送控制的流程。

上位機(jī)數(shù)據(jù)分析軟件分為數(shù)據(jù)下載、數(shù)據(jù)庫管理、數(shù)據(jù)分析和系統(tǒng)維護(hù)等模塊，可以基于時(shí)序的曲線窗口和基于數(shù)據(jù)的圖形窗口方式向用戶提供線路的溫度與爬行位移情況。數(shù)據(jù)下載和數(shù)據(jù)庫管理模塊用于匯聚節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)下載，并以所要求的格式存儲到數(shù)據(jù)庫中；數(shù)據(jù)分析模塊用于下載數(shù)據(jù)的分析，以便用戶直觀準(zhǔn)確了解線路爬行位移情況；系統(tǒng)維護(hù)模塊可以實(shí)現(xiàn)不同權(quán)限的用戶分級管理，可以對監(jiān)測節(jié)點(diǎn)編號、線路區(qū)間名稱、公里標(biāo)等信息進(jìn)行維護(hù)。

圖5 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)控制流程Fig.5 Network node networking control process

圖6 數(shù)據(jù)發(fā)送控制流程Fig.6 Data transmission control process

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

對監(jiān)測系統(tǒng)的可行性與穩(wěn)定性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：設(shè)置1個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和2個(gè)采集節(jié)點(diǎn)，采集節(jié)點(diǎn)距離100 m，監(jiān)測終端位于兩采集節(jié)點(diǎn)中間。將協(xié)調(diào)器通過串口線與監(jiān)測終端連接，位移傳感器、溫度傳感器與采集節(jié)點(diǎn)相連。打開各節(jié)點(diǎn)電源開關(guān)，監(jiān)測終端采集節(jié)點(diǎn)電壓、溫度和位移信息。我國各鐵路局對無縫線路位移的觀測頻次要求為30 d/次。為提高監(jiān)測精度和效率，實(shí)驗(yàn)設(shè)置觀測頻次為每30 min/次。在軟件中，當(dāng)鋼軌位移超過3 mm或傳感器節(jié)點(diǎn)電壓低于2 V時(shí)，設(shè)置數(shù)據(jù)顯示為黃色，以示報(bào)警。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖7所示。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，系統(tǒng)在監(jiān)測的2.5 h內(nèi)，監(jiān)測節(jié)點(diǎn)發(fā)出電壓、溫度和位移數(shù)據(jù)12組，協(xié)調(diào)器實(shí)時(shí)接收，沒有出現(xiàn)丟包現(xiàn)象，而且采集的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，爬行位移精度達(dá)0.1 mm。因此可看出，無論是系統(tǒng)硬件還是軟件，工作性能穩(wěn)定，具有較強(qiáng)的可靠性。

3 結(jié)論

1)介紹基于ZigBee技術(shù)的無縫鋼軌爬行監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的基本原理，以及系統(tǒng)硬件和軟件開發(fā)流程，并對系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性進(jìn)行了驗(yàn)證。

2)將ZigBee技術(shù)應(yīng)用于無縫鋼軌爬行監(jiān)測系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的可靠性和實(shí)時(shí)性，且系統(tǒng)開發(fā)價(jià)格低廉，性價(jià)比高，組裝維護(hù)簡單，節(jié)點(diǎn)的擴(kuò)展容易，提高了鐵路工務(wù)信息管理自動化程度?；赯igBee技術(shù)的無縫鋼軌爬行位移監(jiān)測系統(tǒng)有以下優(yōu)勢：系統(tǒng)具有超低功耗設(shè)計(jì)，在啟用休眠功能后，2節(jié)5號電池可以使用長達(dá)半年左右；系統(tǒng)提供了大容量數(shù)據(jù)存儲，可存儲高達(dá)40 000多組數(shù)據(jù)；系統(tǒng)體積小巧，操作簡單，使用方便。

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Design of continuously welded rail crawling monitoring system based on ZigBee

FU Qinyi， PENG Yakai, WANG Chao

(School of Traffic and Transportation Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

In allusion to low efficiency and high cost of traditional rail displacement monitoring system, a new continuously welded rail crawling monitoring system is proposed based on ZigBee. CC2530 Module is used as main unit. The whole system contains data collecting nodes, sink nodes, and control terminal. The data collecting nodes are arranged along the rail line and are used to take charge of data acquisition and transmission . Besides the sink nodes are used to collect data and the control terminal is used to process data. The system has been successfully used on data acquisition and monitoring. Testing shows that the system run stably, and was easy to operate and to use.

monitoring system; continuously welded rail; ZigBee wireless detection

2016-03-07

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51575541)

傅勤毅(1968-)，男，湖南長沙人，教授，博士，從事軌道檢測與故障診斷研究；E-mail：qyfu@csu.edu.cn

U216.8

A

1672-7029(2016)12-2478-05