基于ZigBee技術的無縫鋼軌爬行監測系統設計

傅勤毅，彭亞凱，王超

(中南大學 交通運輸工程學院，湖南 長沙 410075)

基于ZigBee技術的無縫鋼軌爬行監測系統設計

傅勤毅，彭亞凱，王超

(中南大學 交通運輸工程學院，湖南 長沙 410075)

針對傳統鋼軌位移監測系統效率低、成本高的不足，開發了新型無縫鋼軌爬行位移監測系統。系統基于ZigBee無線網絡，以ZigBee無線微型控制器CC2530模塊為核心，整個無線傳感器網絡由監測節點、數據匯聚節點和控制終端組成。監測節點分布于鋼軌沿線，執行數據采集與無線發送等工作；匯聚節點用于收集和傳輸數據；控制終端負責處理監測節點采集的數據信息。系統實現了對無縫鋼軌溫度和爬行位移的數據采集和監測。通過實驗驗證，系統運行穩定，并且操作簡單，使用方便。

監測系統；無縫鋼軌；ZigBee無線監測

隨著我國鐵路建設的迅速發展，對鐵路運輸的要求也越來越高，出于提速、重載與安全的考慮，我國鐵路軌道鋪設已經開始普及無縫鋼軌。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測非常重要。國內外常用的鋼軌位移測量方法有拉線測量法、光學經緯儀測量法、激光測量法和光電技術測量法。這4種鋼軌位移測量方法和設備，均只適用于人工單點測量。拉線測量法的精度只能達到±5 mm，且工作量大，需要2人以上進行測量；光學經緯儀操作復雜，使用不方便。激光測量法和光電技術測量法所需設備昂貴，使用成本較高[1]。ZigBee技術是目前發展態勢非常強勁的一種無線傳感器網絡技術。本文將ZigBee技術低速率、低功耗、低成本、低復雜度的特點[2-3]，應用于無縫鋼軌爬行監測系統，設計出一套高效率、低成本的新型無縫鋼軌爬行位移監測系統。

1 系統設計

1.1 系統結構

無縫鋼軌爬行監測系統由分散的各個監測節點、一個數據匯聚節點和終端設備3部分構成，網絡結構如圖1所示。監測節點按一定距離安裝在鋼軌上，能實時采集該處鋼軌的爬行位移和軌溫，并能自動組成ZigBee無線網絡。在鋼軌沿線合適位置布置一個監測中心，監測中心由協調器節點和與之相連的計算機組成，其中協調器節點單元負責組建無線傳感器網絡和數據收集。

各個監測節點采集的數據通過ZigBee無線網絡傳輸到匯聚節點，再由匯聚節點將數據傳輸到終端設備，最后由終端設備對數據進行存儲、分析和處理，從而完成對整條線路的數據采集和監控。

圖1 系統結構圖Fig.1 Structure block diagram

1.2 硬件設計

各監測節點硬件包括數據采集模塊、微處理器模塊、無線通信模塊和電源模塊。監測節點結構示意圖如圖2所示。數據采集模塊通過溫度、位移傳感器采集周圍環境溫度和鋼軌爬行位移，并將采集的數據傳送給微處理器模塊。微處理器模塊負責整個節點的數據處理、路由協議、功耗管理、任務管理、數據存儲等。無線通信模塊負責與其他節點進行通信、數據傳輸。電源模塊由太陽能充電鋰電池或2節1.5 V堿性電池供電。

圖2 監測節點結構示意圖Fig.2 Framework of the monitoring node

1.2.1 數據采集模塊

每個數據采集模塊采用4個位移傳感器和1個溫度傳感器，實時采集該處上、下股4根鋼軌的縱向變形位移及實時軌溫。位移傳感器以機械連接方式、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結，由此測出鋼軌直線位移的變化，位移傳感器機械裝置的安裝如圖3所示。

監測節點測溫范圍為-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。所以選用ADI公司的AD7416芯片，內含1個溫度傳感器和1個10位AD轉換器，以0.25 ℃的分辨率將所測溫度數字化；其片內寄存器和溫度比較器可以將溫度與設定的高低門限進行比較，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%，重復精度±0.01 mm，最大工作速度為10 m/s。外殼進行了陽極處理，抗腐蝕，內置導電塑料測量單元，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轉換時電流≤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

微控制器是監測節點的控制核心，其性能直接關系到節點能否進行數據采集和無線傳輸。所以，選用TI/Chipcon公司的CC2530芯片作為系統的核心芯片。CC2530的特點如下：RF收發器輸出功率可通過編程控制，最高可達4.5 dBm；只需一個晶振便能滿足網狀網絡系統需要；更小型的QFN40封裝，6 mm×6 mm；增強型8051處理器；8KB的RAM；4種閃存可選擇：32/64/128/256KB；通信距離可達400 m；CC2 530具有5種不同的運行模式，轉換時間短；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到400 m，而本方案設計的節點間距為500 m，且網絡拓撲結構為接近直線的網狀網絡。為了保證網絡的可靠性，要求節點的通信半徑能達到4個節點間距，即2 000 m。因此，有必要通過功率放大器來增加節點的通信距離。

TI公司生產的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用。CC2591的集成功率放大器(PA)的增益高達22 dB，發射功率最大為+22 dBm(輸入+5 dBm)，輸出1 dB壓縮點+19 dBm，接收部分內部集成的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2 000 m以上[8-10]。

1.3 軟件設計

系統軟件包括監測節點軟件和上位機數據分析軟件，監測節點軟件包括傳感器對溫度和爬行位移的采集與保存、監測節點組網、數據發送控制等，監測節點組網控制流程如圖5所示，圖6所示為數據發送控制的流程。

上位機數據分析軟件分為數據下載、數據庫管理、數據分析和系統維護等模塊，可以基于時序的曲線窗口和基于數據的圖形窗口方式向用戶提供線路的溫度與爬行位移情況。數據下載和數據庫管理模塊用于匯聚節點數據下載，并以所要求的格式存儲到數據庫中；數據分析模塊用于下載數據的分析，以便用戶直觀準確了解線路爬行位移情況；系統維護模塊可以實現不同權限的用戶分級管理，可以對監測節點編號、線路區間名稱、公里標等信息進行維護。

圖5 網絡節點組網控制流程Fig.5 Network node networking control process

圖6 數據發送控制流程Fig.6 Data transmission control process

2 實驗驗證

對監測系統的可行性與穩定性進行了實驗驗證：設置1個協調器節點和2個采集節點，采集節點距離100 m，監測終端位于兩采集節點中間。將協調器通過串口線與監測終端連接，位移傳感器、溫度傳感器與采集節點相連。打開各節點電源開關，監測終端采集節點電壓、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。為提高監測精度和效率，實驗設置觀測頻次為每30 min/次。在軟件中，當鋼軌位移超過3 mm或傳感器節點電壓低于2 V時，設置數據顯示為黃色，以示報警。實驗數據如圖7所示。

實驗數據表明，系統在監測的2.5 h內，監測節點發出電壓、溫度和位移數據12組，協調器實時接收，沒有出現丟包現象，而且采集的數據準確，爬行位移精度達0.1 mm。因此可看出，無論是系統硬件還是軟件，工作性能穩定，具有較強的可靠性。

3 結論

1)介紹基于ZigBee技術的無縫鋼軌爬行監測系統實現的基本原理，以及系統硬件和軟件開發流程，并對系統的穩定性、可靠性進行了驗證。

2)將ZigBee技術應用于無縫鋼軌爬行監測系統，提高了系統的可靠性和實時性，且系統開發價格低廉，性價比高，組裝維護簡單，節點的擴展容易，提高了鐵路工務信息管理自動化程度。基于ZigBee技術的無縫鋼軌爬行位移監測系統有以下優勢：系統具有超低功耗設計，在啟用休眠功能后，2節5號電池可以使用長達半年左右；系統提供了大容量數據存儲，可存儲高達40 000多組數據；系統體積小巧，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

國家自然科學基金資助項目(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