基于磁致伸縮換能器的鐵軌無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

呂咸耀，左 瑩，程衛(wèi)平，李開(kāi)宇，吳 寅

(1.南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，江蘇南京 210016;2.中國(guó)航空工業(yè)第602研究所第11室，江西景德鎮(zhèn) 333001)

基于磁致伸縮換能器的鐵軌無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

呂咸耀1，左 瑩1，程衛(wèi)平2，李開(kāi)宇1，吳 寅1

(1.南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，江蘇南京 210016;2.中國(guó)航空工業(yè)第602研究所第11室，江西景德鎮(zhèn) 333001)

為保障鐵路系統(tǒng)安全、可靠運(yùn)行，基于監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的布置特點(diǎn)，提出一種基于鐵軌壓力的逆磁致伸縮換能器，其采能效率可達(dá)32.6 mW，能夠滿足節(jié)點(diǎn)需要。同時(shí)設(shè)計(jì)了一套基于CC2430+GPRS的鐵軌應(yīng)力無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，詳細(xì)闡述了監(jiān)測(cè)中心節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)的軟硬件設(shè)計(jì)，并根據(jù)節(jié)點(diǎn)的布局特點(diǎn)，采用雙協(xié)調(diào)器進(jìn)行間歇組網(wǎng)。通過(guò)車站的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，測(cè)得系統(tǒng)的最大單跳距離約為60 m，數(shù)據(jù)傳輸成功率達(dá)96%以上，同時(shí)該系統(tǒng)能夠平衡各節(jié)點(diǎn)的能量消耗，有效的增加了其壽命。

逆磁致伸縮;鐵軌應(yīng)力監(jiān)測(cè);無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò);CC2430;GPRS

為了保障鐵路系統(tǒng)的安全、可靠運(yùn)行，使用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)鐵軌狀態(tài)的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、分布式遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)［1－2］。

鐵軌狀態(tài)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)具有大空間范圍分布的特點(diǎn)，無(wú)法用物理連線為無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)提供電源。因此，持續(xù)、安全可靠的電源供給是大范圍分布無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)。基于列車運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生巨大壓力能量的事實(shí)，文中提出采用基于磁致伸縮材料的新型壓電換能器，將鐵軌的壓力能量轉(zhuǎn)化為電能。針對(duì)鐵軌的特定工作環(huán)境進(jìn)行換能器采能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化，并通過(guò)理論計(jì)算及Ansys仿真，比較其與壓電換能器的性能，驗(yàn)證其可行性。

同時(shí)，基于磁致伸縮換能器的自供電情況，設(shè)計(jì)了一套基于CC2430+GPRS的鐵軌應(yīng)力無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)安裝在鐵軌沿線的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)，實(shí)時(shí)采集傳感物理量和當(dāng)前時(shí)間等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，以多跳方式將數(shù)據(jù)包及時(shí)發(fā)送至監(jiān)控中心節(jié)點(diǎn)。然后，通過(guò)GPRS將數(shù)據(jù)發(fā)送到無(wú)線公網(wǎng)，再經(jīng)服務(wù)器處理計(jì)算后得出監(jiān)測(cè)指標(biāo)，對(duì)鐵軌及列車狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

1 基于大功率磁致伸縮材料壓電換能器

稀土超磁致伸縮材料(GMM)具有機(jī)械響應(yīng)快、功率密度高、響應(yīng)頻帶寬等優(yōu)點(diǎn)。能量密度遠(yuǎn)高于壓電材料，是目前在物理作用下應(yīng)變值最高、能量最大的材料［4］。通過(guò)施加壓縮應(yīng)力，最大可使磁通量密度改變1T以上，使感應(yīng)線圈內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電壓，輸出至后級(jí)整流橋及功率調(diào)理電路，將能量存儲(chǔ)于電池等能量存儲(chǔ)管理電路，給無(wú)線節(jié)點(diǎn)穩(wěn)定供電。

文中所設(shè)計(jì)的磁致伸縮換能器結(jié)構(gòu)如圖1所示，將4片25 mm×7.5 mm的圓柱狀GMM并在一起，且在每片GMM上繞有50匝線圈，并相互串聯(lián)，以提高發(fā)電電壓。在GMM中間采用NdFeB材料的永磁體為GMM提供偏磁場(chǎng)，并為防止磁泄漏，使用磁性能良好的軟磁材料做軛鐵。提供偏磁的大小應(yīng)使GMM恰好進(jìn)入應(yīng)變－磁場(chǎng)曲線的Ⅱ區(qū)域［5］。即當(dāng)負(fù)載作用時(shí)，能夠增強(qiáng)GMM的力感知能力。同時(shí)，在GMM的上下面粘貼帶有徑向開(kāi)槽的金屬帽，一方面使應(yīng)力均勻地分布在整個(gè)GMM上，使得更大體積的GMM產(chǎn)生電能。另一方面能夠承受更高幅值和頻率的力，有利于提高換能器的發(fā)電能力，并起到保護(hù)GMM的作用。最后，通過(guò)Ansys仿真圖可看出開(kāi)槽能夠有效的減小殘余應(yīng)力，而換能器性能參數(shù)中，殘余應(yīng)力對(duì)機(jī)電耦合系數(shù)的影響最大，從而進(jìn)一步增強(qiáng)換能器發(fā)電能力。

圖2 環(huán)向應(yīng)力分布圖

當(dāng)列車經(jīng)過(guò)時(shí)，對(duì)換能器施加壓力，磁通量隨之周期性變化，進(jìn)而線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。上外殼與底座之間有一間隙，由于模塊內(nèi)的緩沖彈簧使間隙始終保持在一個(gè)相對(duì)固定的間隙尺寸，列車正常壓力不會(huì)使間隙閉合。只有當(dāng)列車壓力異常或突發(fā)過(guò)壓力時(shí)此間隙才閉合，以限制更大的壓力損壞殼內(nèi)的GMM，從而保護(hù)了GMM及其內(nèi)部電氣線路。上外殼包含并蓋住下面的底座，以防止雨水滲入殼內(nèi)。

現(xiàn)所使用的國(guó)產(chǎn)GMM的磁致伸縮系數(shù)q一般＞1 000×10－6。一節(jié)列車重量達(dá)50～90 t，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，加載在換能器上的力F≈1.25×104N。根據(jù)機(jī)械應(yīng)力與壓力的關(guān)系:σ=F/A，得機(jī)械應(yīng)力σ。可根據(jù)磁致伸縮方程:

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律得感應(yīng)線圈的感應(yīng)電壓

可得感應(yīng)電壓為3.906 V，計(jì)算得其采能效率為32.6 mW。

經(jīng)計(jì)算，每次傳輸需要的能量大約為300 mA·s。通過(guò)能量管理策略的調(diào)度，完全能夠滿足鐵路部門監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的需要。

仿真軟件中無(wú)專門的解決磁致伸縮機(jī)電耦合問(wèn)題的模塊。由于磁致伸縮方程與壓電方程為同一形式，因此通過(guò)壓磁—壓電比擬法進(jìn)行求解。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是推導(dǎo)過(guò)程直接、簡(jiǎn)捷，輸入?yún)⒘亢吞崛〉淖兞靠蓞⒖級(jí)弘婑詈戏治鲋械奶幚磙k法，且容易導(dǎo)出利用輸出數(shù)據(jù)結(jié)果［6］。文中通過(guò)Ansys仿真如圖3所示，在壓力為F=mg=1.25×104N時(shí)，其最大磁場(chǎng)強(qiáng)度B=0.648 T，與數(shù)學(xué)模型所得結(jié)論基本相同。同時(shí)，文中采用同等條件的壓電材料進(jìn)行仿真，經(jīng)仿真計(jì)算可得其采能效率為4.35 mW。可進(jìn)一步證明該方案的可行性。

圖3 壓電、磁致伸縮材料仿真圖

然后將所采集電能通過(guò)后級(jí)調(diào)理及管理電路將電能儲(chǔ)存在充電電池或超級(jí)電容中，對(duì)無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)進(jìn)行供電，以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鐵軌的各種狀態(tài)信息。采用文獻(xiàn)［7］中所描述的后級(jí)調(diào)理及儲(chǔ)能電路。

2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要由監(jiān)測(cè)中心節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)組成。終端節(jié)點(diǎn)通過(guò)鐵軌上的應(yīng)力傳感器采集壓力等數(shù)據(jù)，通過(guò)自組織方式組建無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，其采用串狀組網(wǎng)方式，監(jiān)測(cè)中心節(jié)點(diǎn)位于網(wǎng)絡(luò)兩端。數(shù)據(jù)沿節(jié)點(diǎn)逐跳地進(jìn)行傳輸至監(jiān)控中心節(jié)點(diǎn)，并在固定收發(fā)次數(shù)之后斷開(kāi)網(wǎng)絡(luò)更改傳輸方向，數(shù)據(jù)向另一端監(jiān)測(cè)中心節(jié)點(diǎn)匯聚，這能夠有效地平衡各節(jié)點(diǎn)的能量消耗。監(jiān)測(cè)中心節(jié)點(diǎn)收到各節(jié)點(diǎn)信息后通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，監(jiān)測(cè)中心計(jì)算得出鐵軌及列車運(yùn)行狀態(tài)對(duì)鐵軌進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。其系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)整體示意圖

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 終端節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)終端節(jié)點(diǎn)主要由傳感器模塊、無(wú)線通信模塊和電源模塊組成，如圖5所示。

圖5 節(jié)點(diǎn)硬件原理框圖

傳感器模塊采用型號(hào)為L(zhǎng)C－FBG－GJ的光纖光柵應(yīng)力傳感器，該傳感器具有穩(wěn)定性好，適合長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn)。使用時(shí)將傳感器焊接在路軌旁，當(dāng)列車行經(jīng)有關(guān)路段時(shí)，光纖感應(yīng)器會(huì)因受壓而改變反射特性而形成數(shù)據(jù)，從而記錄車輪與路軌之間的應(yīng)力情況。

無(wú)線通信模塊采用TI公司的CC2430－F128單片機(jī):其包括了2.4 GHz DSSS射頻收發(fā)器和高性能、低功耗的8051微處理器核，芯片在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于27 mA或25 mA［9］。同時(shí)，由于該系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)安裝于鐵軌沿線，電磁干擾較為嚴(yán)重，故使用了TI公司的功率放大芯片CC2591，其可以與CC2430實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接。

而電源模塊采用前面所說(shuō)的磁致伸縮換能器采集振動(dòng)能量，并通過(guò)電源管理模塊對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行供電。

3.2 監(jiān)測(cè)中心節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)中心節(jié)點(diǎn)由無(wú)線通信模塊、控制中心和GPRS通信模塊組成。無(wú)線通信模塊與控制中心通過(guò)串口RS232通行。

圖6 監(jiān)測(cè)中心節(jié)點(diǎn)原理框圖

無(wú)線通信模塊與終端節(jié)點(diǎn)相同，在此就不再介紹。控制中心采用ARM公司推出的STM32系列增強(qiáng)型MCU。該MCU使用ARM的Cortex－M3內(nèi)核，該內(nèi)核具有3段流水線，可在單周期內(nèi)完成32位乘法等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)具有優(yōu)秀的功耗控制，在以72 MHz的全速運(yùn)行時(shí)，處理器消耗27 mA的電流。待機(jī)狀態(tài)時(shí)，典型耗電值為 2 μA。

GPRS通信模塊采用SIMCOM公司的SIM300CZ模塊。具有低功耗設(shè)計(jì)，睡眠模式下的電流消耗僅為2.5 mA。且內(nèi)部集成了TCP/IP協(xié)議棧，使用戶利用該模塊開(kāi)發(fā)變得簡(jiǎn)單、方便。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

由于鐵軌這一特定環(huán)境，致使監(jiān)測(cè)系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)的能量消耗嚴(yán)重不均勻。越接近監(jiān)測(cè)中心的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸量越大，導(dǎo)致其壽命短，使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)不能正常工作。針對(duì)該現(xiàn)象，系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)兩端布置兩個(gè)監(jiān)測(cè)中心節(jié)點(diǎn)，如圖4所示，在通信固定次數(shù)后，上位機(jī)通過(guò)GPRS控制兩個(gè)中心節(jié)點(diǎn)輪流工作，更改傳輸方向。同時(shí)，節(jié)點(diǎn)在非工作階段進(jìn)入睡眠模式。

4.1 檢測(cè)中心節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)中心節(jié)點(diǎn)由無(wú)線通信模塊和GPRS通信模塊組成。無(wú)線通信模塊實(shí)現(xiàn)兩方面功能:一方面組建無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，接收各個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)。另一方面將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)后等待中斷，通過(guò)串口將其傳輸?shù)絊TM32中，通過(guò)GPRS將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)端。工作流程如圖7所示。

圖7 監(jiān)測(cè)中心節(jié)點(diǎn)程序流程圖

首先協(xié)調(diào)器對(duì)各信道能量執(zhí)行掃描，尋找空閑信道建立新網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)為新網(wǎng)絡(luò)選擇一個(gè)唯一的PAN標(biāo)識(shí)符，并為自身選擇一個(gè)16 bit的網(wǎng)絡(luò)地址(MAC短地址)，當(dāng)有終端節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，協(xié)調(diào)器分配一個(gè)唯一的網(wǎng)絡(luò)地址。完成后啟動(dòng)任務(wù)循環(huán)，以中斷的形式接收來(lái)自串口的控制命令和無(wú)線節(jié)點(diǎn)的信息幀。開(kāi)啟recedate()任務(wù)，接收各節(jié)點(diǎn)傳來(lái)的消息，并將數(shù)據(jù)包拆包后存儲(chǔ)在Flash中對(duì)應(yīng)位置，并記錄接收數(shù)據(jù)次數(shù)，達(dá)到30次后，通知 STM32并斷開(kāi)網(wǎng)絡(luò)。開(kāi)啟DateSTM32()，接收串口命令，根據(jù)各種命令進(jìn)行各種操作，當(dāng)command=senddate時(shí)，通過(guò)串口傳輸數(shù)據(jù)包;command=disconet時(shí)，監(jiān)測(cè)中心節(jié)點(diǎn)斷開(kāi)網(wǎng)絡(luò);command=netform時(shí)，重新初始化，進(jìn)行組網(wǎng)。

STM32處理器通過(guò)串口，發(fā)送指令接收數(shù)據(jù)建包，通過(guò)向GPRS模塊寫入AT指令，將數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送。在遠(yuǎn)程監(jiān)控端的上位機(jī)中運(yùn)行應(yīng)用軟件，調(diào)控GPRS遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收和存儲(chǔ)。

4.2 終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)采集并向監(jiān)測(cè)中心節(jié)點(diǎn)傳輸鐵軌壓力等數(shù)據(jù)。當(dāng)無(wú)數(shù)據(jù)收發(fā)時(shí)，轉(zhuǎn)入休眠模式，盡量減少節(jié)點(diǎn)功耗。其工作流程圖如圖8所示。

圖8 終端節(jié)點(diǎn)程序流程圖

5 實(shí)驗(yàn)測(cè)試及分析

由于鐵軌現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中存在金屬支架和移動(dòng)車輛造成的各種電磁干擾，無(wú)線信號(hào)傳輸距離受到一定限制。針對(duì)該情況，在上海局南翔車站做了小規(guī)模測(cè)試。

實(shí)驗(yàn)在車站教練車間中進(jìn)行，使用了5個(gè)終端節(jié)點(diǎn)與兩個(gè)監(jiān)測(cè)中心節(jié)點(diǎn)共7個(gè)節(jié)點(diǎn)做測(cè)試。數(shù)據(jù)采集周期為每分鐘采1次。喚醒通信周期為1 min中的前15 s，其余時(shí)間節(jié)點(diǎn)休眠。

同時(shí)，利用VC++平臺(tái)開(kāi)發(fā)了上位機(jī)測(cè)試軟件，用于上位機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)中心節(jié)點(diǎn)通過(guò)GPRS將數(shù)據(jù)發(fā)送到無(wú)線公網(wǎng)，移動(dòng)基站獲取到GPRS信號(hào)后再將其轉(zhuǎn)到Internet，然后通過(guò)該測(cè)試軟件，能夠?qū)崟r(shí)顯示各監(jiān)測(cè)中心節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)。實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵軌及列車狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。其測(cè)試軟件界面如圖9所示。

圖9 遠(yuǎn)程GPRS數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)平臺(tái)

整體而言，雖然節(jié)點(diǎn)均采用了功率放大芯片來(lái)增強(qiáng)無(wú)線射頻通信距離，但由于各種干擾，節(jié)點(diǎn)的現(xiàn)場(chǎng)最大單跳穩(wěn)定通信距離約為60 m，數(shù)據(jù)傳輸成功率則可達(dá)96%以上，滿足監(jiān)測(cè)指標(biāo)。同時(shí)，如表1所示，經(jīng)過(guò)連續(xù)3天實(shí)驗(yàn)后，檢測(cè)5個(gè)終端節(jié)點(diǎn)的電池電量剩余量顯示，該方案能夠有效地平衡該網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)的能量消耗，進(jìn)而有效地增加網(wǎng)絡(luò)的可持續(xù)運(yùn)行時(shí)間。

表1 試驗(yàn)后節(jié)點(diǎn)空載電量值比較

6 結(jié)束語(yǔ)

文中介紹的基于磁致伸縮換能器自供電的鐵軌壓力狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，是通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)獲取所需的壓力參數(shù)，利用監(jiān)測(cè)中心節(jié)點(diǎn)收集的參數(shù)，并以GPRS無(wú)線通信的方式，將數(shù)據(jù)經(jīng)由移動(dòng)基站和Internet網(wǎng)絡(luò)送至遠(yuǎn)程監(jiān)控服務(wù)器。經(jīng)實(shí)踐測(cè)試，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了以無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的方式對(duì)鐵軌壓力的監(jiān)測(cè)，具有一定的應(yīng)用前景。

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Design of a Railway Track Wireless Monitoring System Based on the Magnetostrictive Transducer

Lü Xianyao1，ZUO Ying1，CHENG Weiping2，LI Kaiyu1，WU Yin1
(1.College of Automation，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China;2.Eleventh Unit，China Helicopter Research and Development Institute，Jingdezhen 333001，China)

In order to ensure the safe and reliable operation of the railway system，this paper designs a new type of inverse magnetostrictive transducer which converts energy from the pressure of railway steel based on the layout conditions of monitoring nodes，and this transducer can meet the needs of nodes with its conversion efficiency reaching 32.6 mW.This paper also presents a railway steel pressure monitoring system based on CC2430+GPRS.The hardware and software design of the coordinator and RFD nodes are given.An intermittent network is established using double coordinators.Through the field experiments in a railway station，the largest single jump distance approximates 60 m，and the data transmission success rate is higher than 96%.This system can also balance the energy consumption of each node，effectively increasing its life.

inverse magnetostrictive;WSNs;railway monitoring system;CC2430;GPRS

TP873.2

A

1007－7820(2012)08－110－05

2012-02-11

南京航空航天大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(20110107108805)

李開(kāi)宇(1969—)，男，博士，副教授.研究方向:傳感器，無(wú)線傳感網(wǎng)。