基于無線網絡的有軌電車雜散電流監測系統

張棟梁 黃 開 劉彥超

基于無線網絡的有軌電車雜散電流監測系統

張棟梁 黃 開 劉彥超

(中國礦業大學信息與電氣工程學院江蘇徐州221008)

針對傳統軌道交通雜散電流有線監測系統建設復雜、成本高、影響美觀等缺點，提出利用無線通信技術構建有軌電車雜散電流監測系統。分析對比無線網絡監測系統的優越性和必要性，對系統整體結構設計、通信方式的選擇、主要設備硬件設計和軟件設計等方面進行闡述。監測系統由監測終端、區間監測子站和監測管理中心3個層次組成，監測終端與區間監測子站之間采用ZigBee無線網絡通信，實現監測數據的上報;區間監測子站與監測管理中心之間通過GPRS網絡通信，實現區間數據的發送和控制指令的接收。經現場實驗驗證，通過無線網絡傳輸的監測數據與有線監測系統得到的數據基本一致，系統通信穩定，可滿足監測雜散電流的要求。

雜散電流;有軌電車;ZigBee;無線網絡;監測系統

現代有軌電車因其舒適快捷、方便實用、造價較低等優點受到越來越多城市的青睞［1］。有軌電車在運營過程中所產生的雜散電流會影響周圍的埋地管道，通信電纜外皮，以及車站、高架橋梁和附近建筑物主體結構中的鋼筋，使其發生電化學腐蝕，存在嚴重安全隱患［2］。目前，有軌電車雜散電流監測系統普遍借鑒地鐵的經驗，通信方式大多采用基于現場總線技術的光纖以太網有線網絡［3］，這種通信方式信號穩定、傳輸速率高，但往往需要敷設專門的線路，施工成本較高且影響美觀［4-6］。與傳統雜散電流監測系統相比，基于無線網絡的雜散電流監測系統在滿足通信穩定、安全性高的同時，還具備網絡靈活、簡潔美觀、成本較低等優點［7］。

由于有軌電車在露天環境運行，走行區周邊建筑對無線信號的衰減有限，并且考慮到城市公共設施的美觀，利用無線通信技術的有軌電車雜散電流監測系統具備更廣闊的發展前景。

1 雜散電流的形成與危害

有軌電車采用電力牽引，多為750 V或1 500 V直流高壓供電，接觸網為正極，走行鋼軌為回流線。由于鋼軌本身具有電阻，加之運營環境復雜，鋼軌不可能完全對地絕緣。因此，不可避免地會向道床及周邊土壤泄漏電流，這部分電流即雜散電流。

雜散電流會對包括鋼軌及其附件在內的有軌電車設施造成腐蝕，同時也會對周邊的埋地管道、通信電纜外皮以及建筑物鋼筋等造成腐蝕。因此，為確保有軌電車主體結構及周邊設施的安全，必須對雜散電流進行及時的監測，并進行有效的防護，避免意外的發生。

2 系統結構概述

筆者所提出的基于無線網絡的有軌電車雜散電流監測系統主要分為3個層次，分別為由參比電極、軌道、結構鋼筋和傳感器組成的監測終端，由網絡協調器、監控裝置和排流裝置組成的區間監測子站，由上位機、數據庫服務器和web服務器組成的監測管理中心，系統結構如圖1所示。

監測終端具備ZigBee無線網絡通信功能，與區間監測子站之間通過ZigBee網絡進行通信，實現監測數據的上傳;區間監測子站與監測管理中心之間通過GPRS網絡進行通信，實現區間數據的發送和控制指令的接收;監測管理中心通過上位機實現遠程監測和控制。

圖1 系統結構

3 系統硬件設計

3.1 監測終端

監測終端由參比電極、軌道、結構鋼筋和傳感器組成，傳感器主要用于完成數據的測量、計算和發送。傳感器的測量模塊分別采集結構鋼筋的極化電壓、鋼軌相對結構鋼筋的電壓值和夜間列車停運時參比電極的本體電位。傳感器的處理器模塊根據測量數據分別計算出30 min內結構鋼筋的正向偏移電壓平均值、負向偏移電壓平均值和軌道電壓最大值等信息，并通過ZigBee模塊將數據包發送至網絡協調器。傳感器的外部接線如圖2所示。

不同于傳統的雜散電流測試傳感器，該系統中的雜散電流測試傳感器具備ZigBee無線通信功能。ZigBee技術具有功耗低、成本低、網絡容量大和工作頻段靈活等特點，考慮到傳感器每次發送的數據量只有2～3 kB，因此ZigBee的傳輸速率足以滿足要求。筆者選用TI公司生產的CC2530芯片作為傳感器的處理器模塊和無線通信模塊。CC2530用于2.4GHz/ IEEE802.15.4/RF4CE/ZigBee的第二代片上系統解決方案，片內整合了RF收發器、增強型8051MCU、最大256 KB的Flash內存、8 KB的RAM;集成了2個USART、8通道12位ADC模數轉換、128位AES加密解密安全協議;只需極少的外圍電路即可實現信號的收發功能，并且支持空中無線下載［8］。為保證通信信號的穩定和準確，在傳感器上加裝了CC2591射頻范圍擴展器，它具有低功耗、低電壓等特點，能有效提高CC2530的輸出功率，增加數據收發的靈敏度。傳感器的硬件結構如圖3所示。

圖2 傳感器外部接線

圖3 傳感器硬件結構

監測終端將測量數據的計算結果封裝成數據包，按照ZigBee通信協議規范發送給區間監測子站。當監測點的數據超出正常范圍時，傳感器率先做出報警，報警指示燈亮，方便巡線人員及時發現。

3.2 區間監測子站

區間監測子站由網絡協調器、監控裝置和排流裝置組成，負責某一供電區間內的雜散電流監測和數據傳輸，可自主控制牽引站內排流柜的啟動，也可接受遠程調度控制。監控裝置通過網絡協調器接收來自監測終端傳感器的數據，對各個監測點的數據進行整理、存儲和顯示。牽引站內值班人員可以通過監控裝置的顯示屏了解實時的監測信息，以便及時上報，同時，監控裝置通過網絡協調器實現與監測管理中心間的遠程數據傳輸和控制指令接收。

區間監測子站不僅接收各個監測點的數據，同時可以計算監測區間內的軌地過渡電阻和軌道縱向電阻，并通過GPRS網絡每隔1 h向監測管理中心進行數據傳輸。每個監測子站每次需要上傳的數據在50 kB左右，GPRS實際應用帶寬大約在40～100 KB/s，滿足傳輸速率的要求。同時，GPRS采用分組交換技術，每個用戶可同時占用多個無線信道，同一無線信道又可由多個用戶共享，資源被有效的利用。

作為區間監測子站的通信轉換核心，網絡協調器的設計至關重要。本文所設計的網絡協調器由處理器模塊、GPRS通信模塊、天線模塊和電源模塊等部分組成，其結構如圖4所示。選用TI公司生產的CC2538作為網絡協調器的處理器模塊，這款產品包含基于ARM Cortex M3的強大的MCU系統，具有高達32 KB的片上RAM、高達512 KB的片上閃存以及可靠的IEEE 802.15.4射頻功能，能夠處理涉及安全性、要求嚴格的應用以及無線下載的復雜網絡堆棧，32個通用輸入和輸出(GPIO)以及串行外設接口可實現到電路板其他部分的簡單連接。GPRS模塊采用Siemens公司的MC35i模塊，其尺寸很小，方便集成到其他設備中，能得到永久在線連接、快速數據存儲和更快的數據下載速度。

圖4 區間監測子站硬件結構

網絡協調器負責區間內ZigBee無線網絡的組建和調整，并接收來自區間內各個傳感器發送的數據。CC2538處理器模塊通過UART接口實現與監控設備之間的數據傳輸與指令發送，同時GPRS模塊和CC2538之間也采用UART接口通信，CC2538將監控設備發來的數據封裝成TCP/IP幀格式，通過GPRS模塊發送至監測管理中心。

3.3 監測管理中心

監測管理中心是整個監測系統的主控平臺，由上位機、數據庫服務器和web服務器組成，負責整條線路的雜散電流監測和排流裝置控制。web服務器軟件接收來自GPRS網絡發送的數據，并將其保存至數據庫中，確保上位機可以隨時調用各監測子站的實時監測數據。管理人員可以根據雜散電流監測數據向區間監測子站中的監控裝置發送控制指令，從而實現排流裝置的遠程主動控制。

4 系統軟件設計

4.1 監測傳感器程序設計

監測終端中的傳感器負責數據的測量、計算并將數據發送至監測子站中的網絡協調器。在正常情況下，傳感器每隔10 s采集一次數據，并將采集到的數據暫存、計算，等待區間監測子站發送數據上報指令。當接收到數據上報指令后，傳感器通過ZigBee無線通信模塊進行數據發送，發送結束后，將清除所保存的數據。其程序流程如圖5所示。

圖5 監測終端程序流程

4.2 網絡協調器程序設計

網絡協調器負責供電區間內ZigBee無線網絡的組建和調整。由于各監測點與網絡協調器直接通信，本系統中ZigBee無線網絡設計為星型拓撲結構，其結構簡單，管理方便。

網絡協調器上電后，首先完成通信協議的初始化工作，然后開始掃描并選擇合適的信道，建立ZigBee無線網絡。監測區間內的各傳感器與區間監測子站之間實際上是點對點的通信，區間監測子站每隔30 min向各傳感器發送數據上報指令，各傳感器根據網絡協調器分配的無線網絡地址將數據發送至區間監測子站。區間監測子站的控制器完成對數據的整理計算，并將數據通過網絡協調器轉換上報至監測管理中心。其程序流程如圖6所示。

區間監測子站和監測管理中心之間通過GPRS網絡進行通信。管理中心設置VPN服務器，通過公網使用VPN接入到移動GPRS網絡，這種方式成本比較低，安全性比較高，而且速度和網絡服務質量都有保障。區間監測子站將收到的數據進行整理計算，并將整理好的數據通過網絡協調器轉換成TCP/IP幀格式，通過GPRS模塊發送至監測管理中心。同時，網絡協調器負責接收從監測管理中心傳來的控制指令，完成對排流裝置的遠程控制。

5 實驗分析

利用某城市現有的有軌電車雜散電流監測系統進行試驗，以驗證本文所提出的基于無線網絡的有軌電車雜散電流監測系統是否能達到預期效果。

分別在該線路第四供電區間內的1、5、8號傳感器位置處加裝本文所設計的具備ZigBee無線通信功能的傳感器模塊，并在牽引站內放置具備數據存儲功能的無線網絡協調器，可連接VPN服務器，形成簡易的無線網絡監測系統。將無線網絡協調器72 h內接受到的數據包數量與站內監控裝置通過通信電纜收到的數據包數量進行對比分析，結果如表1所示。

圖6 網絡協調器程序流程

表1 實測72 h內數據接收量

當啟動網絡協調器后，它能迅速與區間內3個測量點的傳感器建立網絡連接，并為其分配網絡地址。在數據傳輸的過程中，數據包存在丟失，但丟失數量很少，不影響雜散電流的準確監測。

利用管理中心上位機對該供電區間5號傳感器72 h內的監測數據進行讀取，結果如圖7所示。在試驗時間段內，管理中心通過GPRS網絡接收到的由網絡協調器發送的數據未發生丟失，監測結果準確有效，證明了區間監測子站與監測管理中心之間的通信設計合理。由于無線通信方式受現場環境的影響較大，為進一步驗證該監測系統的可行性，對沿線多個供電區間進行通信性能測試，對ZigBee網絡通信距離、丟包率、傳輸速率等指標進行測試，結果如表2所示。

圖7 5號傳感器監測結果

結果表明，該監測系統中ZigBee網絡各項指標滿足監測要求。本文所設計的基于無線網絡的雜散電流監測系統結構合理，網絡通信穩定，結果準確有效，達到了系統的設計目的。

表2 ZigBee網絡測試結果

6 結論

現代有軌電車雜散電流對軌道主體結構及周邊設施危害巨大，雜散電流的有效監測意義重大。本文所提出的基于無線網絡的有軌電車雜散電流監測系統通信穩定、結構簡單、成本較低且適應城市建設發展的需要，具有很大的實用價值，為雜散電流監測系統的建設和改造提供了重要參考。

［1］朱衛國.從系統特征看有軌電車網絡規劃［J］.都市快軌交通，2015，28(3):42-45.

［2］黃玉蘋.城市軌道交通雜散電流防護系統［J］.城市軌道交通研究，2012，15(12):117-119.

［3］汪園園.雜散電流監測方案的探討［J］.城市軌道交通研究，2001，4(1):48-50.

［4］李威.地鐵雜散電流的監測與防治［J］.城市軌道交通研究，2003，6(4):48-52.

［5］劉喜峰，許春香.CAN總線技術在軌道交通雜散電流監測中的應用［J］.城市軌道交通研究，2010，13(8): 32-34.

［6］紀飛峰，都勁松，張軍國，等.基于FF現場總線的地鐵雜散電流監測系統［J］.傳感器與微系統，2002(9): 18-20.

［7］杜京義，周棟，唐小華，等.煤礦雜散電流監測系統子網設計［J］.自動化儀表，2014(8):31-34.

［8］龔文超，吳猛猛，劉雙雙.基于CC2530的無線監控系統設計與實現［J］.電子測量技術，2012，35(6):33-36.

(編輯:王艷菊)

Stray Current Monitoring System of Tram Based on W ireless Network

Zhang Dongliang Huang Kai Liu Yanchao
(School of Information and Electronic Engineering，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221008)

The stray currentwiredmonitoring system of traditional rail traffic is very complicated，unsightly and expensive.Therefore，we proposed usingwireless communication technology to build tram stray currentmonitoring system.We analyzed the advantage and necessity ofwireless network monitoring system，and expounded the whole structure design of the system，the choice of communication mode，hardware and software design ofmain equipment，etc.Themonitoring system consists ofmonitoring terminal，intervalmonitoring substation and monitoringmanagement center.Monitoring terminal and intervalmonitoring substation use ZigBee wireless network to reportmonitoring data;Intervalmonitoring substation and monitoringmanagement center send data and receive control command through the GPRS network communication.Testified by the field experiment，the data obtained by the wireless network are basically identicalwith those by wired monitoring system.The system communication is stable，meeting the requirements of stray currentmonitoring.

stray current;tram;ZigBee;GPRS;monitoring system

1672-6073(2016)02-0084-04

10.3969/j.issn.1672-6073.2016.02.019

2015-03-14

2015-04-14

張棟梁，男，副教授，博士，主要從事軌道交通雜散電流監測與防護研究，13337930909@189.cn

中央高校基本科研業務費專項資金(2010QNB34);國家自然科學基金(51147011)

U231.8

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