基于WiFi的鐵軌水平度信號檢測儀的設計

陳輝 李濤 趙志敏

摘 要：基于WiFi的鐵軌水平度信號檢測儀通過搭載在四輪軌道車上的四組水平度傳感器，可檢測任意軌道段的水平度，并將檢測數據通過WIFI發送到檢測人員的手機APP上，檢測人員通過對比一段時間內軌道水平度的變化，也可通過手機發送到檢測中心，再做進一步的判斷，最后分析原因，找到引起鐵軌水平度變化根源，提示有關部門采取補救措施，以保證鐵路系統的安全運行。

關鍵詞：WiFi 水平度 信號儀

中圖分類號：TP39 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）01（a）-0014-02

隨著我國經濟的快速發展，鐵路運輸無論是客運或者貨運能力，相較于過去都有很大的提高，在鐵路建設速度有限的情況下，通過提速是一個行之有效的解決辦法。同時隨時列車速度的不斷提高，鐵路的安全性問題也顯得尤為重要。

出于對鐵路行車安全保證，設計了鐵軌水平度信號檢測儀，它能及時檢測出由于行車、鐵路路基沉降等原因對鐵軌造成的影響，通過記錄和對比每段鐵路水平度變化情況，間接反映鐵軌路基的沉降狀態，及時采取措施消除隱患，以保證鐵路系統的安全運行[1-2]。

1 鐵軌水平度信號檢測儀的系統構成

該系統采用了先進的自動化技術及無線通訊技術，通過系統信息管理平臺，將鐵軌水平度信息和鐵路路基情況有機結合起來，該系統主要由水平度檢測系統、手機和檢測終端等組成，其構成如圖1所示。

系統以四輪小車為檢測平臺，包含有左右（1、2）和垂直（3、4）各兩組水平度傳感器。其基本布置圖如圖2所示。

當四輪小車以某一速度在被檢查鐵軌段運行時，先通過GPS定位出當前軌道位置，當發生經緯度變化時，各水平度傳感器開始工作，連續多次采樣數據，再經過軟件數字濾波，將數據通過WiFi模塊傳送至手機終端，檢測人員可通過手機APP進行預判，也可通過GPRS將當前段鐵軌水平度信息上傳至上位機，通過調取歷史數據，與當前數據進行比較，找出變化情況，分析結果。

2 硬件電路設計

硬件電路是整個水平度檢測系統正常工作的基礎，為了保證系統的穩定性和可靠性，系統采用了高性能的PIC24系列單片機作為控制核心，再輔以GPS模塊、WiFi模塊和水平度傳感器等，最終實現鐵軌水平度檢測和上傳功能。

2.1 主控芯片電路設計

系統采用微芯公司PIC24FJ16GA204作為主控芯片，電路設計主要包括：電源電路設計、基本調試接口和人機接口幾個部分組成。

2.1.1 MCU

系統使用的是微星公司PIC24FJ128GA204，芯片自身包含13通道12位的AD轉換器和4路UART，基本無需外擴其他外設，就可滿足設計要求。

2.1.2 電源

由于各模塊工作電源的差異，系統使用了MCP16301和ADP150AUJZ兩種電源芯片。MCP16301電源輸入為4～20V；輸出電壓為2～15V；輸出電流460mA。ADP150AUJZ，其輸入電壓為2.2～5.5V；輸出電壓為1.8～3.3V。

2.1.3 人機接口

系統采用金鵬系列液晶顯示觸摸屏，通過串口與單片機進行連接，可通過對其編程完成基本的人機交互，其界面設計如圖3所示。

2.2 水平度采集電路設計

系統采用LCA316T單軸數字輸出型傾角傳感器作為水平度采集模塊，共用了4組可檢測軌道之間和單軌的水平度。LCA316T分辨率為0.1°，并具有抗震性能高、長期穩定性強和輸出方式簡單等特點。由于此傳感器串口輸出TTL電平標準，因此4組傳感器的輸出通過串接方式與單片機直接相連。

2.3 通訊電路設計

通訊部分主要由三部分組成分別是：用于定位的GPS、用于檢測系統和手機通訊的WiFi和手機與檢測終端服務器通訊的GPRS。

2.3.1 GPS定位

衛星定位相對來說是比較穩定的，一般不存在人為測量偏差，為了保證歷史數據和即時數據比較對象的穩定性，所以選擇鐵軌的定位方式為衛星定位，系統選用衛星定位模塊為GPS模塊，可實現2m范圍內的定位。GPS定位數據可通過串口與單片機進行連接，完成數據讀取[3]。

2.3.2 WiFi通訊

由于從水平度采集系統的數據可在線檢測，為了方便檢測人員檢測數據，可通過短距離無線通訊方式傳輸數據，因此系統使用了WiFi模塊，可將檢測數據實時發送到檢測人員手機中，以實現實時在線檢測。

2.3.3 GPRS

在較短的時間內軌道水平度變化一般都較小，為了能長期檢測鐵軌水平度的變化情況，必須將數據放到服務器終端，然而現場和機房距離可能比較遠，所以短距離無線傳輸可能難以實現，因此系統使用GPRS作為遠距離無線傳輸通道，將鐵軌的水平度檢測數據長期保存下來，以實現較長時間的水平度數據的對比。

3 軟件設計

軟件設計是水平度采集系統的靈魂，為了設計出安全可靠，穩定性高的系統，將軟件設計分為3個部分：水平度采集系統（下位機）、手機終端和檢測中心服務器終端。

3.1 水平度采集系統

如圖4所示，水平度采集系統（下位機）主要功能包括水平度采集、GPS信號采集、水平度數據上傳和人機接口控制。這部分是系統的核心，當系統中的GPS模塊檢測到有位置變化時，啟動兩組共4個水平度傳感器，連續采集多次，當次數達到10次或者有GPS定位經緯度變化時結束采集，然后將采集到的水平度值作適當處理后通過WiFi模塊發送到手機，并在觸摸屏上顯示出來。

3.2 手機終端

手機應用程序是基于Android系統開發的一款專業應用程序，由于現場數據采集最終需上傳至服務器，所以手機終端主要包含兩個任務：實時數據檢測顯示和實時檢測數據上傳。

3.3 檢測中心服務器終端

手機終端通過GPRS將現場采集的數據發送到檢測中心服務器終端，終端負責數據記錄和歷史數據對比，終端檢測人員可通過歷史數據窗口觀察每一段鐵軌水平度的變化情況。

檢測中心應用程序采用C#開發，可實現某一段鐵軌水平度的連續變化情況顯示或是某一點長時間的變化情況顯示等功能。

4 結語

鐵軌中長期水平度檢測系統可實現對鐵軌水平度長期變化的檢測，具有可靠性高、使用方便等特點，特別是對一些路基沉降比較嚴重的地區，可以非常清晰的反映出鐵路路基的變化情況，及時發現存在的問題，盡早消除隱患，保障鐵路運行安全。

參考文獻

[1] 楊昌休，宋國經，楊揚.鐵路路基與鐵軌沉降數據采集系統的設計[J].鐵路計算機應用，2010，19（7）：23-26.

[2] 林澤鳴.鐵路路基剖面沉降檢測系統的研究[D].北京：北方交通大學，2010.

[3] 姚文斌.GPS在高速鐵路勘測中的應用[J].甘肅科技縱橫，2012，41（4）：15-16.