基于GPRS的接觸網補償裝置遠程監控系統設計*

譚朋柳,周 樂,冒蘇敏

(南昌航空大學，江西 南昌 330000)

基于GPRS的接觸網補償裝置遠程監控系統設計*

譚朋柳,周 樂,冒蘇敏

(南昌航空大學，江西 南昌 330000)

為準確、及時地發現鐵路接觸網補償裝置的故障，文中通過監測接觸網環境溫度及承力索、接觸線的長度變化來判斷接觸網補償裝置是否有卡滯現象。該系統以C8051F930芯片作為系統的主控制器，以SIM900A無線傳輸模塊作為無線傳感網絡的通信節點，各個節點之間以不同的時間間隔向服務器發送數據，結合GPRS無線通訊技術及Web互聯網技術，將節點連接到遠程服務器。實驗結果表明，該系統性能穩定，檢測精度高，滿足相關設計要求。

接觸網；補償裝置；遠程監控系統；GPRS；SIM900A

0 引言

隨著列車運行速度的提高,鐵路運行密度逐步加大,對牽引供電系統安全可靠性的要求也越來越高。接觸網是牽引供電系統的重要設備之一[1-4],運行中的接觸網要承受電力機車以一定的壓力高速接觸摩擦運行，再加上通過接觸網的電流高達1 000 A以上，接觸網還受拉力、電弧、風雪、霧雨及大氣污染的作用，使接觸網晝夜不停地處在振動、摩擦、電弧、污染、伸縮的動態運行狀態之中，一旦發生故障將中斷行車,擾亂電氣化鐵路的運輸秩序,帶來經濟損失[5]。快速、準確地發現故障，及時、迅速地進行搶修，消除供電事故，最大限度地減少事故影響，是鐵路電氣化區段運行檢修業界追求的目標，是努力提高鐵路服務質量的保障。對接觸網進行在線監測是提高接觸網可靠性的重要方法之一,本文對接觸網在線監測技術進行研究，提出基于GPRS的接觸網補償裝置遠程監控系統設計。

1 系統總體設計

隨著大氣溫度的變化，承力索和接觸線會線性伸長(或縮短)，通過監測接觸網所處環境的溫濕度以及補償墜砣到接觸網下錨支柱之間的位移，對比不同溫度下的位移變化來判斷接觸網是否有補償卡滯現象，實現對接觸網的監測。接觸網補償裝置遠程監控系統安裝在支架和墜砣之間，測量時設備對接觸網的運行狀態影響很小。

基于GPRS的接觸網補償裝置遠程監控系統架構如圖1所示，圖中的虛線表示信號按無線方式傳輸。系統由無線采集節點、GPRS基站、互聯網服務器、用戶終端(計算機)構成。該系統的工作過程是對溫濕度傳感器和位移傳感器周期性地進行數據采集，利用SIM900A模塊通過基站將采集的數據發送到互聯網服務器，計算機用戶通過Internet來完成對溫度和位移的監測。

該系統具有以下優勢：(1)電源及監測模塊不僅能夠提供穩定的直流電壓，還能快速地檢測電源的電壓和通斷情況，確保保存的數據不丟失；(2)采用物聯網[6]卡進行GPRS無線數據傳輸，保證數據傳輸率和可靠性，所用資費比GSM短信資費要低。

2 系統硬件設計

系統硬件主要包含電源模塊、微處理器模塊、GPRS通訊模塊、傳感器等，系統硬件組成如圖2所示。

2.1 電源模塊

電源系統輸入電壓為AC 220 V，輸出12 V為運算放大器供電、5 V為外置傳感器供電、4 V為GPRS模塊供電、3.3 V為MCU模塊供電，如圖3所示。穩定的電源供電是系統能夠安全并且高效工作的基礎，考慮到接觸網所處環境惡劣，設計時電源輸入端采用金升陽LD10-20B12電源轉換模塊[7]將220 V交流電輸入轉換為+12 V/1 A

輸出。LD10-20B12是小體積開關電源模塊，具有輸出短路、過流、過壓保護等功能。其EMC及安全規格滿足國際IEC/EN61000-4、CISPR11/EN55011、UL60950、EN60601的標準。最重要的是該電源模塊輸出隔離電壓可達 4 000 V AC ，適用于高隔離及嚴格電磁兼容的應用場合。

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2.2 微處理模板

無線采集節點是該系統的核心部件，考慮到系統的應用場合及功能特點，其必須滿足高性能、低功耗、低成本、小體積的要求，同時便于安裝與維護。在硬件設計時選用C8051f 930單片機為微處理器[8]，其與8051內核兼容，擴展的中斷系統為CIP-51提供多個中斷源。

MCU模塊負責與GPRS通訊、傳感器數據采集、電源模塊控制、電源掉電監測等。其中MCU與GPRS通過串口通訊，與溫度傳感器通過IO口模擬的I2C接口通訊，通過IO口采集拉線式位移傳感器輸出的模擬量電壓信號。

2.3 GPRS通訊模塊

無線通訊方式包括紅外線、藍牙、WiFi、ZigBee、GPRS等，但在超過1 km數據傳輸距離中，最可靠、最便捷、最低成本的方式是GPRS。GPRS無線網絡具有覆蓋范圍廣、接入速度快、使用成本低和永遠在線等特點[9-10]，因此上位機監測系統可以及時地獲取接觸網補償裝置相關參數，實時分析接觸網補償裝置是否可靠運行。GPRS模塊選用希姆通的SIM900A模塊，其內部集成多種網絡通信協議，可以實現語音、短信、數據等信息的遠程傳輸，能夠通過AT指令來實現與GPRS網絡的連接。

GPRS模塊電路如圖4所示，由天線、阻抗匹配電路、SIM卡電路、ESD保護電路組成。其中RF管腳與50 Ω的射頻天線相連，TXD、RXD管腳分別連接MCU串口接收端和發送端。系統所用SIM卡為13位物聯網卡，用戶可以獲取豐富的碼號資源。且物聯網具有高質量的網絡性能，通過建設物聯網短信中心、物聯網GGSN、物聯網HLR等物聯網專用網元，實現物聯網用戶與大眾用戶的網絡分離，為行業客戶提供可靠和穩定的網絡。用戶可以通過應用平臺提供的接口，對終端的工作狀態、通信狀態等進行實時自主管理。

2.4 防雷擊接口設計

電子系統可能會受到瞬時過電壓干擾，這些干擾源主要包括：由于通斷感性負載或啟停大功率負載，線路故障等產生的過電壓，由于雷電等自然現象引起的雷電浪涌[11]。為避免浪涌電壓損害電子設備，設計時采用箝位保護器，即保護器件在擊穿后，其兩端電壓維持在擊穿電壓上不再上升，以箝位的方式起到保護作用，主要器件是氧化鋅壓敏電阻(MOV)、瞬態電壓抑制器(TVS)。

3 系統軟件設計

3.1 下位機程序設計

下位機軟件采用C語言編寫，在Keil 4 C51編譯器下編譯。下位機系統軟件設計主要包括兩部分：一是單片機對電源模塊的控制及數據的采集；二是GPRS模塊數據傳輸。下位機軟件功能模塊組成如圖5所示。

3.2 單片機對電源模塊的控制及數據的采集

為降低功耗，MCU采集一組數據后休眠一段時間再進行數據采集，MCU有兩種工作狀態，即數據采集狀態和休眠狀態。數據采集狀態下通過GPIO26打開電源開關，對外設模塊供電，進行GPRS通訊初始化、數據采集、數據傳輸。休眠狀態時通過GPIO26關閉電源開關，對外設模塊斷電同時MCU工作在休眠模式。

3.3 GPRS模塊數據傳輸

單片機通過串口與GPRS模塊交換數據, 包括串口初始化、寫串口數據等函數。讀串口數據是通過中斷來完成的。在串口函數基礎上編寫GPRS模塊的驅動函數，控制方法是采用AT命令[12]。主要涉及的命令如表1所示。

GPRS終端和數據中心根據各自的IP地址相互通訊。常用的系統組網方式有3種[13-14]：(1)采用公網固定IP，通訊速度快、運行可靠、組網簡單，但該方式必須擁有固定的IP地址，總體成本較高。(2)采用公網動態IP+DNS域名解析方式，其通訊速度適中、通訊質量較為穩定、網絡建設工作量小、通訊費用較低。(3)采用GPRS專線方式，其數據安全性好、通訊速度快，但是系統初期建設成本高。考慮到系統實驗的條件,本系統采用公網動態IP+DNS域名解析的組網方式。

3.4 上位機程序設計

數據采集時節點每隔30 min自動進行一次采集任務，并把采集到的數據發送給服務器。服務器接收數據并存儲到數據庫中。服務器設計采用Web框架：Struts2+Spring+Hibernate+JSP+JFreeChart，JDK版本為jdk 1.7。數據庫服務器平臺選用MySQL 5.5，其與服務端監測程序共用同一數據庫，以實現數據共享[15]。上位機軟件功能模塊如圖6所示。

4 實驗與應用

為驗證接觸網補償裝置遠程監控系統的可行性，分別將拉線式傳感器1和拉線式傳感器2的拉線端固定在承力索和接觸線的墜陀上，傳感器的另一端固定在支架上，現場安裝圖如圖7所示。人工測量不同時間點環境溫度值、拉線式傳感器1和拉線式傳感器2的長度值，再與Web服務器監測的數據進行對比，實驗數據如表2所示。測試結果顯示傳感器測量數據較準確，方案可行。

5 結論

本文設計并實現了一套完整的接觸網補償裝置遠程監控系統，該系統以C8051F930芯片作為系統的主控制器，以SIM900A模塊作為無線傳感網絡的通訊節點，各個節點之間以不同的時間間隔向服務器發送數據，結合GPRS無線通訊及Web服務器技術，將節點連接到遠程服務器。通過監測環境溫度及接觸網承力索、接觸線的長度變化來判斷接觸網補償裝置是否有卡滯現象。該系統經試運行，能快速、及時、準確地尋找到故障點。

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Design of catenary compensation device remote monitoring system based on GPRS

Tan Pengliu, Zhou Le, Mao Sumin

(Nanchang Hangkong University, Nanchang 330000, China)

In order to find out the fault of railway catenary compensation devices accurately and timely , this paper solves the problem by monitoring the ambient temperature and the length of the catenary. The system uses the C8051F930 chip as the main controller and uses the SIM900A transmission module as a node of wireless communication sensor network. Each node sends data to the server at different time intervals, and combines with GPRS wireless communication technology and Internet Web technology to connect the nodes to the remote server. The experimental result shows that the system has stable performance and high detection precision, which meets the relevant design requirements.

catenary; compensation devices; remote monitoring system; GPRS; SIM900A

國家自然科學基金資助項目(61364023);航空基金資助項目(2013ZD56008);江西省教育廳科技項目(GJJ13516)

TN806

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.05.002

譚朋柳,周樂,冒蘇敏.基于GPRS的接觸網補償裝置遠程監控系統設計[J].微型機與應用，2017,36(5)：4-7,10.

2016-11-07)

譚朋柳(1975-)，男，博士，副教授，主要研究方向：CPS、WSN。

周樂(1987-)，男，碩士研究生，主要研究方向：WSN。

冒蘇敏(1990-)，男，碩士研究生，主要研究方向：WSN。