基于無線傳感技術(shù)的接觸網(wǎng)導(dǎo)線接頭及換相點溫度監(jiān)測系統(tǒng)*

孫 鵬，錢承山，李 俊，丁金卉

(南京信息工程大學(xué)信息與控制學(xué)院，南京210044)

基于無線傳感技術(shù)的接觸網(wǎng)導(dǎo)線接頭及換相點溫度監(jiān)測系統(tǒng)*

孫 鵬，錢承山*，李 俊，丁金卉

(南京信息工程大學(xué)信息與控制學(xué)院，南京210044)

為了確保鐵路接觸網(wǎng)的穩(wěn)定運行，設(shè)計了一種電氣化鐵路接觸網(wǎng)導(dǎo)線接頭及換相點溫度監(jiān)測系統(tǒng)，通過溫度傳感器檢測高壓部分的溫度，采用兩級無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)溫度的實時傳輸。第1級采用自由頻段的短距離無線通訊方式，第2級采用不受地區(qū)限制的GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸方式，用戶通過遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)監(jiān)測中心軟件可以方便地對監(jiān)測信息進(jìn)行遠(yuǎn)程管理，實現(xiàn)對各處接觸網(wǎng)導(dǎo)線接頭及換相點溫度信息的調(diào)閱、查詢和監(jiān)測報警。

接觸網(wǎng);監(jiān)測;溫度傳感器;無線傳輸;WPF

接觸網(wǎng)供電是電氣化鐵路常用的供電網(wǎng)絡(luò)方式，而接觸網(wǎng)導(dǎo)線是接觸網(wǎng)中重要的組成部分之一［1］，電力機(jī)車運行中受電弓滑板直接與其接觸摩擦，并從接觸線上獲得電能。受電弓滑板在經(jīng)過接觸網(wǎng)導(dǎo)線接頭及換相點時，會產(chǎn)生電弧引起溫度急劇上升［2］，極易發(fā)生氧化和受到腐蝕，影響其機(jī)械強(qiáng)度和性能，造成供電線路斷路等事故，影響正常供電，造成嚴(yán)重?fù)p失。借助接觸網(wǎng)導(dǎo)線接頭及換相點溫度監(jiān)測系統(tǒng)，可以對運行中的接觸網(wǎng)導(dǎo)線接頭及換相點溫度進(jìn)行很好的監(jiān)視［3］，對溫度異常的接觸網(wǎng)導(dǎo)線接頭及換相點盡早發(fā)現(xiàn)故障跡象，早作處理，就能避免惡性事故發(fā)生。

接觸網(wǎng)獲得的電能具有很強(qiáng)的干擾量，采用兩級無線傳輸方式實現(xiàn)對接觸網(wǎng)導(dǎo)線接頭及換相點溫度的監(jiān)測，這樣既可以實現(xiàn)高壓的隔離，并在一級傳輸網(wǎng)絡(luò)中消除干擾量對溫度檢測的影響，又能夠?qū)φ麄€管轄范圍內(nèi)的溫度進(jìn)行采集。

1 溫度檢測和短距離無線傳輸

整個系統(tǒng)框架圖如圖1所示，高壓部分通過溫度傳感器檢測接觸網(wǎng)導(dǎo)線接頭及換相點的溫度，并通過短距離無線傳輸將溫度信息傳輸?shù)綏U塔部分。該部分的重點是溫度檢測和短距離無線傳輸。

1.1 溫度檢測

溫度傳感器采用了PT100鉑熱電阻，該傳感器是利用其電阻和溫度成一定函數(shù)關(guān)系而制成的溫度傳感器，由于其測量準(zhǔn)確度高、測量范圍大、復(fù)現(xiàn)性和穩(wěn)定性好，被廣泛用于中溫(-200℃～850℃)范圍的溫度測量［4］，滿足本監(jiān)測系統(tǒng)的需求。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)框架圖

測溫電路采用了應(yīng)用較為廣泛的恒流源測溫電路，該電路不僅能夠消除電能帶來的干擾量，同時能夠檢測到比較穩(wěn)定的電壓值。如圖2所示為恒流源式測溫電路，通過運放U1A將基準(zhǔn)電壓4.096 V轉(zhuǎn)換為恒流源，電流流過Pt100時在其上產(chǎn)生壓降，再通過運放U1B將該微弱壓降信號放大，即輸出期望的電壓信號，該信號可直接連C8051F310的AD轉(zhuǎn)換接口。

圖2 恒流源測溫電路

1.2 短距離無線傳輸

該傳輸終端需要將檢測到的溫度數(shù)據(jù)傳輸?shù)蕉壘W(wǎng)絡(luò)，選取了短距離無線傳輸模塊UTC-903，該模塊是一款具備收發(fā)一體、超遠(yuǎn)距離、超低功耗的無線透明傳輸模塊，工作于433 MHz免費ISM頻段，支持無線喚醒，提供多個頻道選擇［5］，完全滿足一級傳輸網(wǎng)絡(luò)的傳輸要求。

一級傳輸終端的單片機(jī)使用完全集成的混合信號片上系統(tǒng)型MCU芯片C8051F310，該芯片帶模擬多路器、真正10 bit 200 ksample/s的25通道單端/差分ADC，并具有增強(qiáng)型UART［6］，可以精確的采集PT100的電壓。一級傳輸終端的程序流程如圖3所示，通過定時器實現(xiàn)每隔1 min采集PT100的電壓，并將電壓值轉(zhuǎn)化成溫度值，同時將結(jié)點編號和溫度值通過UTC-903發(fā)送到二級傳輸終端。

圖3 高壓部分程序流程圖

2 GPRS遠(yuǎn)程無線傳輸

桿塔基座部分負(fù)責(zé)接收本測量點接觸網(wǎng)導(dǎo)線接頭及換相點溫度無線測量數(shù)據(jù)，并對各相數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，然后統(tǒng)一打包通過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給遠(yuǎn)端的監(jiān)測終端。

該部分涉及到短距離無線通信以及遠(yuǎn)程GPRS無線通信，這兩個通信要求控制器配有兩個串口，因此選用了擁有雙串口的單片機(jī)STC12C5A60S2，該單片機(jī)通過串口1接收無線模塊UTC903的數(shù)據(jù)，通過串口2將打包的數(shù)據(jù)發(fā)送給GPRS模塊。GPRS選用的是Simcom公司經(jīng)典模塊SIM300，具有相當(dāng)高的性價比，并且SIM300內(nèi)嵌了TCP/IP協(xié)議［7］。

2.1 SIM300編程

該傳輸終端的核心在于單片機(jī)與GPRS模塊SIM300之間的有效通信，需要完成SIM300的初始化以及通過SIM300發(fā)送數(shù)據(jù)。單片機(jī)與SIM300的通信是通過串口2發(fā)送相應(yīng)的AT(Attention)指令［8］，需要注意大部分AT指令都是以回車結(jié)束的，在程序中通過宏定義模塊的AT指令。

首先需要啟動SIM300，SIM300的啟動有手動啟動和自動啟動兩種方式，手動啟動就是使SIM300的PWRKEY引腳置低維持3 s，然后高電平，而自動啟動就是通過對硬件啟動的軟件模擬來實現(xiàn)。在實際應(yīng)用時，不能通過手動啟動模塊，將PWRKEY連接到單片機(jī)的引腳P4^4，并將P4^4配置為輸出，通過程序?qū)崿F(xiàn)自動啟動。

SIM300啟動成功后，就可以通過串口2給SIM300發(fā)送AT指令進(jìn)行初始化，初始化成功后發(fā)送數(shù)據(jù)，實現(xiàn)GPRS發(fā)送數(shù)據(jù)功能的流程如圖4所示。

圖4 SIM300編程流程

SIM300是內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議的GPRS模塊，可以很方便的連接服務(wù)器，和服務(wù)器的連接方式通常有兩種:TCP(傳輸控制協(xié)議)連接和UDP(用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議)連接。TCP是一種面向連接的協(xié)議，而UDP協(xié)議是面向數(shù)據(jù)報的無連接的傳輸層協(xié)議，即通信雙方不需要事先建立“握手”連接，而是直接發(fā)送［9］。考慮到系統(tǒng)的實際應(yīng)用，對于單包數(shù)據(jù)量不大的應(yīng)用，UDP比TCP傳輸效率要高，同時UDP具有很少的頭字節(jié)，能夠有效利用帶寬，與TCP協(xié)議相比，UDP能夠減少數(shù)據(jù)流量，這在GPRS業(yè)務(wù)中意味著運營費用的節(jié)省。本系統(tǒng)傳輸層協(xié)議采用的是UDP協(xié)議。

2.2 程序設(shè)計

實現(xiàn)桿塔基座部分二級傳輸網(wǎng)絡(luò)的程序流程如圖5所示，程序執(zhí)行步驟如下:

(1)首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，包括單片機(jī)時鐘初始化、I/O端口初始化、串口初始化、SIM300初始化，其中SIM300初始化是系統(tǒng)初始化的重點，需要打開SIM300的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)，并建立和遠(yuǎn)端服務(wù)器的UDP連接，用于遠(yuǎn)程無線傳輸。

圖5 程序流程圖

(2)系統(tǒng)初始化完畢，通過UTC903接收本測量點接觸網(wǎng)導(dǎo)線接頭及換相點溫度無線測量數(shù)據(jù)，判斷是否接收到本測量點的所有數(shù)據(jù)，如果沒有，則執(zhí)行步驟(2)，否則執(zhí)行步驟(3)。

(3)單片機(jī)接收到本測量點的所有數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)分析處理并統(tǒng)一打包，通過GPRS遠(yuǎn)程發(fā)送到遠(yuǎn)端的監(jiān)測中心，發(fā)送完畢，跳轉(zhuǎn)到步驟(2)。

3 數(shù)據(jù)監(jiān)測中心軟件

遠(yuǎn)端的數(shù)據(jù)監(jiān)測中心負(fù)責(zé)接收監(jiān)測區(qū)域內(nèi)所有監(jiān)測點發(fā)來的GPRS數(shù)據(jù)包，對數(shù)據(jù)進(jìn)行解包、分析和存儲，然后在PC機(jī)軟件的支持下對各個監(jiān)測點的數(shù)據(jù)進(jìn)行查看、分析等，對超過警戒值的接觸網(wǎng)導(dǎo)線接頭及換相點位置及時報警。

該數(shù)據(jù)監(jiān)測中心軟件的軟件系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)采用了客戶/服務(wù)器結(jié)構(gòu)，通過將任務(wù)合理分配到客戶端和服務(wù)器端，前端是客戶機(jī)，即用戶界面結(jié)合了表示與業(yè)務(wù)邏輯，接受用戶的請求，并向數(shù)據(jù)庫服務(wù)器提出請求，通常是一個PC機(jī);后端是數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，即數(shù)據(jù)庫服務(wù)器將數(shù)據(jù)提交給客戶端，客戶端將數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并將結(jié)果呈現(xiàn)給用戶［10］。該部分的重點是數(shù)據(jù)庫設(shè)計和軟件功能設(shè)計。

3.1 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

數(shù)據(jù)庫設(shè)計是指利用現(xiàn)有的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)針對具體的應(yīng)用對象構(gòu)造適合的數(shù)據(jù)庫模式、建立數(shù)據(jù)庫及其應(yīng)用系統(tǒng)，使之能有效地收集、存儲、操作和管理數(shù)據(jù)庫、滿足企業(yè)中各類用戶的應(yīng)用需求(信息需求和處理需求)［11］。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器采用了微軟的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)SQL Server 2005，在數(shù)據(jù)庫服務(wù)器上通過SQL語句建立數(shù)據(jù)庫和表結(jié)構(gòu)［12］。

通過準(zhǔn)確了解與分析用戶的需求，數(shù)據(jù)中心監(jiān)測軟件需要建立用戶表、結(jié)點表、結(jié)點數(shù)值表，用戶表存儲用戶的用戶名、密碼、用戶的權(quán)限、登錄時間、登錄的ip地址、是否在線，節(jié)點表存儲結(jié)點的編號、結(jié)點的位置、結(jié)點溫度的最大值、結(jié)點溫度的最小值、結(jié)點溫度的平均值、結(jié)點的故障次數(shù)。因為每個結(jié)點存儲的記錄條數(shù)會很多，為了快速實現(xiàn)結(jié)點溫度數(shù)值的統(tǒng)計和分析，每個結(jié)點都對應(yīng)一個結(jié)點數(shù)值表，結(jié)點數(shù)值表存儲結(jié)點的溫度數(shù)值、接收到溫度的時間、溫度是否超過最大值、結(jié)點的ip地址。

3.2 軟件功能設(shè)計

該數(shù)據(jù)監(jiān)測中心軟件是基于WPF(Windows Presentation Foundation)使用C#開發(fā)的桌面應(yīng)用程序，WPF是微軟新一代的桌面平臺技術(shù)［13］。原有的Windows開發(fā)都是使用GDI或GDI+子系統(tǒng)繪制圖形，WPF幾乎改變了原有的Windows技術(shù)，其中最主要的是繪制圖形交給了新的圖形平臺DirectX，更好的設(shè)計用戶界面，提升用戶界面的美觀性、友好性，改變了傳統(tǒng)工業(yè)軟件界面的狀況［14］。

應(yīng)用程序通過ADO.net向數(shù)據(jù)庫服務(wù)器提交請求，ADO.net是一組向.net程序開發(fā)者公開數(shù)據(jù)訪問的類，為創(chuàng)建分布式數(shù)據(jù)共享應(yīng)用程序提供了一組豐富的組件［15］。

數(shù)據(jù)中心監(jiān)測軟件主要包括以下功能模塊:

①登錄模塊;

②用戶權(quán)限管理，因為不同的用戶對數(shù)據(jù)的使用要求不同，有的用戶需要錄入、修改、刪除數(shù)據(jù)，而有的用戶只擁有需要查看數(shù)據(jù)的權(quán)限;

③數(shù)據(jù)庫操作模塊，包括數(shù)據(jù)的添加、查詢、刪除;

④數(shù)據(jù)終端管理模塊，包括數(shù)據(jù)終端的添加、修改、刪除;

⑤數(shù)據(jù)曲線顯示模塊，包括溫度曲線的動態(tài)顯示以及歷史數(shù)據(jù)查詢的曲線顯示;

⑥智能報警模塊，綜合分析結(jié)點的溫度值以及溫度的變化率實現(xiàn)智能報警;

⑦報表打印模塊。

圖6 數(shù)據(jù)監(jiān)測中心軟件界面

用戶使用數(shù)據(jù)中心監(jiān)測軟件，首先需要登錄軟件，如圖6(a)所示為軟件的登錄界面，管理員可以對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行增、刪、改、查的功能管理用戶信息、節(jié)點信息，而普通用戶只可以查看節(jié)點的信息，如圖6(b)所示為用戶查看結(jié)點的動態(tài)曲線。

4 總結(jié)

本系統(tǒng)采用兩級無線數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)接觸網(wǎng)導(dǎo)線接頭及換相點溫度的實時監(jiān)測:

第1級采用自由頻段的短距離無線通訊方式，可以實現(xiàn)各相接觸網(wǎng)導(dǎo)線接頭及換相點溫度信號的采集和短距離傳送。通過這種短距離的無線采集，既能夠?qū)崿F(xiàn)高壓的隔離和絕緣，又從系統(tǒng)整體配置和運行上節(jié)省了成本(由于采用自由頻段，無通訊費用的支出);

第2級無線數(shù)據(jù)采集方式采用不受地區(qū)限制的GPRS網(wǎng)絡(luò)，同一監(jiān)測點的接觸網(wǎng)導(dǎo)線接頭及換相點溫度信號可以通過GPRS模塊傳送到監(jiān)測終端，實現(xiàn)了管制區(qū)域的所有接頭及換相點溫度的統(tǒng)一監(jiān)測，同時節(jié)省了通訊成本，便于推廣使用。

通過數(shù)據(jù)監(jiān)測中心軟件的設(shè)計，可以實現(xiàn)區(qū)域內(nèi)所有接觸網(wǎng)導(dǎo)線接頭及換相點溫度信息的調(diào)閱、查詢和監(jiān)測報警以及故障預(yù)報等功能。

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孫 鵬(1988- )，女，漢族，江蘇泰州人，南京信息工程大學(xué)信息與控制學(xué)院碩士研究生，主要研究方向為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用、軟件工程，sunpeng31@sina.cn;

錢承山(1971- )，男，漢，山東泰安人，南京信息工程大學(xué)信息與控制學(xué)院教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向為非線性系統(tǒng)控制、自動檢測技術(shù)、智能終端與物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用等，qianchengshan@163.com。

Temperature Monitoring System of Overhead Contact Line Based on Wireless Sensor Networks*

SUN Peng，QIAN Chengshan*，LI Jun，DING Jinhui
(School of Information and Control，Nanjing University of Information Science and Technology，Nanjing 210044，China)

In order to guarantee the steady operation of overhead contact line，design a monitor system which can monitor temperature of wire junction and phase change point.Monitor system detects temperature of high-voltage compartment via temperature sensor，and transfers data from overhead contact line to data monitoring center software timely via two-stage wireless transmission network.The first stage uses a short-range wireless transmission type of free band，and the other uses the GPRS network not restricted by region.Customers can remotely manage monitoring information easily，and retrieve，query，and monitor alarm of wire junction and phase change point of overhead contact line.

over header contact line;monitor;temperature sensor;wireless transmission;WPF

10.3969/j.issn.1005－9490.2014.02.027

TP274

A

1005－9490(2014)02－0292－05

項目來源:企事業(yè)委托項目(2013h066);南京信息工程大學(xué)科研啟動基金項目(20100307);南京信息工程大學(xué)第八期教改項目(11JY014)

2013-06-08修改日期:2013-08-27

EEACC:6150P;7320R