基于WiFi的鐵軌水平度信號檢測儀的設計

陳輝 李濤 趙志敏

摘 要：基于WiFi的鐵軌水平度信號檢測儀通過搭載在四輪軌道車上的四組水平度傳感器，可檢測任意軌道段的水平度，并將檢測數(shù)據(jù)通過WIFI發(fā)送到檢測人員的手機APP上，檢測人員通過對比一段時間內(nèi)軌道水平度的變化，也可通過手機發(fā)送到檢測中心，再做進一步的判斷，最后分析原因，找到引起鐵軌水平度變化根源，提示有關部門采取補救措施，以保證鐵路系統(tǒng)的安全運行。

關鍵詞：WiFi 水平度 信號儀

中圖分類號：TP39 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）01（a）-0014-02

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，鐵路運輸無論是客運或者貨運能力，相較于過去都有很大的提高，在鐵路建設速度有限的情況下，通過提速是一個行之有效的解決辦法。同時隨時列車速度的不斷提高，鐵路的安全性問題也顯得尤為重要。

出于對鐵路行車安全保證，設計了鐵軌水平度信號檢測儀，它能及時檢測出由于行車、鐵路路基沉降等原因對鐵軌造成的影響，通過記錄和對比每段鐵路水平度變化情況，間接反映鐵軌路基的沉降狀態(tài)，及時采取措施消除隱患，以保證鐵路系統(tǒng)的安全運行[1-2]。

1 鐵軌水平度信號檢測儀的系統(tǒng)構成

該系統(tǒng)采用了先進的自動化技術及無線通訊技術，通過系統(tǒng)信息管理平臺，將鐵軌水平度信息和鐵路路基情況有機結合起來，該系統(tǒng)主要由水平度檢測系統(tǒng)、手機和檢測終端等組成，其構成如圖1所示。

系統(tǒng)以四輪小車為檢測平臺，包含有左右（1、2）和垂直（3、4）各兩組水平度傳感器。其基本布置圖如圖2所示。

當四輪小車以某一速度在被檢查鐵軌段運行時，先通過GPS定位出當前軌道位置，當發(fā)生經(jīng)緯度變化時，各水平度傳感器開始工作，連續(xù)多次采樣數(shù)據(jù)，再經(jīng)過軟件數(shù)字濾波，將數(shù)據(jù)通過WiFi模塊傳送至手機終端，檢測人員可通過手機APP進行預判，也可通過GPRS將當前段鐵軌水平度信息上傳至上位機，通過調(diào)取歷史數(shù)據(jù)，與當前數(shù)據(jù)進行比較，找出變化情況，分析結果。

2 硬件電路設計

硬件電路是整個水平度檢測系統(tǒng)正常工作的基礎，為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，系統(tǒng)采用了高性能的PIC24系列單片機作為控制核心，再輔以GPS模塊、WiFi模塊和水平度傳感器等，最終實現(xiàn)鐵軌水平度檢測和上傳功能。

2.1 主控芯片電路設計

系統(tǒng)采用微芯公司PIC24FJ16GA204作為主控芯片，電路設計主要包括：電源電路設計、基本調(diào)試接口和人機接口幾個部分組成。

2.1.1 MCU

系統(tǒng)使用的是微星公司PIC24FJ128GA204，芯片自身包含13通道12位的AD轉換器和4路UART，基本無需外擴其他外設，就可滿足設計要求。

2.1.2 電源

由于各模塊工作電源的差異，系統(tǒng)使用了MCP16301和ADP150AUJZ兩種電源芯片。MCP16301電源輸入為4～20V；輸出電壓為2～15V；輸出電流460mA。ADP150AUJZ，其輸入電壓為2.2～5.5V；輸出電壓為1.8～3.3V。

2.1.3 人機接口

系統(tǒng)采用金鵬系列液晶顯示觸摸屏，通過串口與單片機進行連接，可通過對其編程完成基本的人機交互，其界面設計如圖3所示。

2.2 水平度采集電路設計

系統(tǒng)采用LCA316T單軸數(shù)字輸出型傾角傳感器作為水平度采集模塊，共用了4組可檢測軌道之間和單軌的水平度。LCA316T分辨率為0.1°，并具有抗震性能高、長期穩(wěn)定性強和輸出方式簡單等特點。由于此傳感器串口輸出TTL電平標準，因此4組傳感器的輸出通過串接方式與單片機直接相連。

2.3 通訊電路設計

通訊部分主要由三部分組成分別是：用于定位的GPS、用于檢測系統(tǒng)和手機通訊的WiFi和手機與檢測終端服務器通訊的GPRS。

2.3.1 GPS定位

衛(wèi)星定位相對來說是比較穩(wěn)定的，一般不存在人為測量偏差，為了保證歷史數(shù)據(jù)和即時數(shù)據(jù)比較對象的穩(wěn)定性，所以選擇鐵軌的定位方式為衛(wèi)星定位，系統(tǒng)選用衛(wèi)星定位模塊為GPS模塊，可實現(xiàn)2m范圍內(nèi)的定位。GPS定位數(shù)據(jù)可通過串口與單片機進行連接，完成數(shù)據(jù)讀取[3]。

2.3.2 WiFi通訊

由于從水平度采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)可在線檢測，為了方便檢測人員檢測數(shù)據(jù)，可通過短距離無線通訊方式傳輸數(shù)據(jù)，因此系統(tǒng)使用了WiFi模塊，可將檢測數(shù)據(jù)實時發(fā)送到檢測人員手機中，以實現(xiàn)實時在線檢測。

2.3.3 GPRS

在較短的時間內(nèi)軌道水平度變化一般都較小，為了能長期檢測鐵軌水平度的變化情況，必須將數(shù)據(jù)放到服務器終端，然而現(xiàn)場和機房距離可能比較遠，所以短距離無線傳輸可能難以實現(xiàn)，因此系統(tǒng)使用GPRS作為遠距離無線傳輸通道，將鐵軌的水平度檢測數(shù)據(jù)長期保存下來，以實現(xiàn)較長時間的水平度數(shù)據(jù)的對比。

3 軟件設計

軟件設計是水平度采集系統(tǒng)的靈魂，為了設計出安全可靠，穩(wěn)定性高的系統(tǒng)，將軟件設計分為3個部分：水平度采集系統(tǒng)（下位機）、手機終端和檢測中心服務器終端。

3.1 水平度采集系統(tǒng)

如圖4所示，水平度采集系統(tǒng)（下位機）主要功能包括水平度采集、GPS信號采集、水平度數(shù)據(jù)上傳和人機接口控制。這部分是系統(tǒng)的核心，當系統(tǒng)中的GPS模塊檢測到有位置變化時，啟動兩組共4個水平度傳感器，連續(xù)采集多次，當次數(shù)達到10次或者有GPS定位經(jīng)緯度變化時結束采集，然后將采集到的水平度值作適當處理后通過WiFi模塊發(fā)送到手機，并在觸摸屏上顯示出來。

3.2 手機終端

手機應用程序是基于Android系統(tǒng)開發(fā)的一款專業(yè)應用程序，由于現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集最終需上傳至服務器，所以手機終端主要包含兩個任務：實時數(shù)據(jù)檢測顯示和實時檢測數(shù)據(jù)上傳。

3.3 檢測中心服務器終端

手機終端通過GPRS將現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到檢測中心服務器終端，終端負責數(shù)據(jù)記錄和歷史數(shù)據(jù)對比，終端檢測人員可通過歷史數(shù)據(jù)窗口觀察每一段鐵軌水平度的變化情況。

檢測中心應用程序采用C#開發(fā)，可實現(xiàn)某一段鐵軌水平度的連續(xù)變化情況顯示或是某一點長時間的變化情況顯示等功能。

4 結語

鐵軌中長期水平度檢測系統(tǒng)可實現(xiàn)對鐵軌水平度長期變化的檢測，具有可靠性高、使用方便等特點，特別是對一些路基沉降比較嚴重的地區(qū)，可以非常清晰的反映出鐵路路基的變化情況，及時發(fā)現(xiàn)存在的問題，盡早消除隱患，保障鐵路運行安全。

參考文獻

[1] 楊昌休，宋國經(jīng)，楊揚.鐵路路基與鐵軌沉降數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計[J].鐵路計算機應用，2010，19（7）：23-26.

[2] 林澤鳴.鐵路路基剖面沉降檢測系統(tǒng)的研究[D].北京：北方交通大學，2010.

[3] 姚文斌.GPS在高速鐵路勘測中的應用[J].甘肅科技縱橫，2012，41（4）：15-16.