一種基于RFID的輕軌交通錨固螺桿健康檢測方法

文 枰

(四川文理學院智能制造學院，四川達州635000)

1 引言

錨固螺桿是輕軌交通軌道梁和墩臺的連接件.若是錨固螺桿出現斷裂或是松動等故障，會直接影響到輕軌交通的運行.輕軌交通在役錨固螺桿安裝在戶外，每天都要承受列車經過時的沖擊和載荷，所以對錨固螺桿的健康檢測是很重要的.[1-2]錨固螺桿長約1m，在役錨固螺桿大部分都埋藏在墩臺的錨箱內，只有大約0.1m是露在錨箱外部.因此，對錨固螺桿的檢測顯得比較困難.現有的錨固螺桿檢測技術大多以人工為主，有的甚至需要憑檢測工人的經驗進行判斷.[3]所以，設計一種可以自動判斷錨固螺桿健康狀態的檢測方法是非常有必要的.

由于科技的不斷進步，無線傳感網絡技術越加成熟多樣.現在比較主流的無線傳感網絡技術有RFID、ZigBee、藍牙技術、WLAN(WiFi)等.RFID技術與其他無線傳輸技術相比，具有成本低、功耗小、體積小等優點.所以本文選擇RFID技術設計了一種輕軌交通錨固螺桿健康狀態的自動檢測方法.

2 總體設計

該方法是基于RFID無線傳輸技術和錨固螺桿健康檢測裝置.來實現對其健康狀態進行快速檢測.[4]輕軌交通每一個墩臺安裝一片有源RFID標簽.該有源RFID電子標簽內預先置入所在墩臺的編號.由于每一個墩臺有8根錨固螺桿，所以每根錨固螺桿安裝一個錨固螺桿監測裝置.[5]有源電子標簽負責將錨固螺桿的健康狀態和所在墩臺的地址信息主動傳輸給閱讀器，再由閱讀器將采集到的信息傳輸給PC機.由于輕軌交通獨特的軌道形式，在檢測過程中，由檢測小車承載PC機和閱讀器以一定的速度沿軌道梁收集錨固螺桿的健康狀態.[6]圖1為總體設計圖.

圖1 總體設計圖

3 硬件設計

3.1 核心控制模塊的設計

該系統硬件部分包括有源RFID標簽、閱讀器及PC機.本文重點研究有源RFID標簽的設計.有源RFID標簽大致由核心控制模塊、電源管理模塊及射頻天線模塊等部分組成.其中核心控制模塊主要的作用的是控制電源管理模塊和射頻天線模塊，達到降低功耗、完成檢測并發送地址信息及采集到的錨固螺桿健康狀態信息的目的.該模塊采用的芯片是TI公司推出的一款低功耗芯片MSP430f149.該芯片擁有64個引腳，供電電壓范圍在1.8V到3.6V之間，且具有一種活動模式(AM)和5種省電模式(LMP0-LMP4)，最省電的模式是LMP4，即掉電模式，在該種模式下消耗的電流僅為0.1uA.[7-9]在役錨固螺桿是在戶外工作，這就要求錨固螺桿健康檢測裝置和有源RFID標簽必須安裝在戶外.本文設計的檢測方法是采用兩節1.5v干電池供電，在戶外要求電池更換周期長，降低成本，這就要求有源RFID電子標簽的功耗要極低.從MSP430f149的各種特點來看，剛好滿足設計要求.所以本文選擇該款芯片作為有源RFID標簽的控制芯片.圖2是核心控制部分的電路圖.從圖中可以看出P1.0接電源管理模塊，J1為核心控制模塊與射頻天線模塊的接口連接方式.與射頻天線模塊SPI接口相對應的端口為P1.3、P1.4及P6.2-6.5.[10-12]其中P5.1、P3.6、P3.7及P4.3-4.7是作為輸入端口，外接錨固螺桿健康檢測裝置，用于接收錨固螺桿檢測裝置采集到的信息.

圖2 核心控制模塊的電路圖

3.2 射頻天線模塊的設計

射頻天線模塊采用的是nRF24L01芯片來完成信號的收發.該芯片是Nordic公司研發的一款2.4G通信芯片.它外設20個引腳，通過SPI接口與單片機連接.[13-14]而且該芯片是一款低功耗芯片，擁有5種工作模式，分別是掉電模式、待機模式1、待機模式2、發送模式、接收模式.為節省功耗，核心控制模塊進入休眠模式時，射頻天線模塊也進入掉電模式.當核心控制模塊醒來，打開錨固螺桿健康檢測裝置的電源時，射頻天線模塊也將醒來，并將采集到的數據發送給閱讀器.圖3為射頻天線模塊的電路圖.圖中的J1為nRF24L01芯片SPI接口與MSP430f149的接口連接方式.

圖3 射頻天線模塊的電路圖

3.3 電源管理模塊的設計

電源管理模塊的主要作用是管理錨固螺桿健康檢測裝置的電源.在核心控制模塊和射頻天線模塊進入休眠模式時斷開該檢測裝置的電源，使其完全不消耗能量，達到節省功耗的目的.該功能主要原理是利用MSP430f149的P1.0口來控制模擬開關MAX4625，來實現對錨固螺桿檢測裝置的電源斷開/接通的控制.然后利用LM1117對輸出電壓進行轉換，滿足該檢測裝置的供電電壓.[15-16]圖4為電源管理模塊的硬件電路設計圖.

圖4 電源管理模塊的電路圖

4 軟件設計

有源電子標簽通電之后，對時鐘、定時器及SPI接口進行初始化.標簽的核心控制模塊進入工作狀態.錨固螺桿健康檢測裝置開始采集數據，并將采集到的錨固螺桿螺桿健康狀態信息發送給核心控制模塊.在核心控制模塊中預先存好所在墩臺的地址信息，然后射頻天線模塊進入工作狀態將錨固螺桿健康狀態信息及所在墩臺的地址信息一起發送給閱讀器，再由閱讀器傳送給PC機，給檢修人員提供檢修參考數據.然后核心控制模塊給出關閉錨固螺桿檢測裝置電源的信號，使其處于斷電狀態，并給出信號使射頻天線模塊進入掉電模式，自身再進入休眠狀態.接著整個標簽等待休眠結束，進入下一個工作周期，不斷循環.綜合考慮，核心控制模塊的休眠時間設定為2s.圖5為其工作流程圖.

圖5 軟件設計流程圖

5 功耗測試

從流程圖可以看出，整個工作周期大致包括休眠部分和數據采集傳輸部分.在休眠狀態下，MSP430f149進入的是工作模式是LPM3，通過定時器中斷喚醒.在該模式下，該芯片的電流消耗僅為0.8uA.nRF24L01在掉電模式下電流消耗僅為900nA，而錨固螺桿檢測裝置進入了斷電模式，幾乎不消耗能量.當有源電子標簽從休眠狀態醒來采集發送完數據又立刻進入休眠模式，以此方式來節省功耗.本設計供電電源使用的是兩節1.5v的干電池供電.兩節干電池的總的容量C大約為2700mAh，在理想狀態下，一個工作周期內的能量C1消耗為一個工作周期的時間T0乘以該工作時間內的平均電流I.所以兩節干電池供電的時間為：

T=T0×C/C2

(1)

有源電子標簽在進行數據采集發送的狀態下測得其平均工作電流大約為15mA.經公式1計算得出其工作時間大于3年.該有源電子標簽的設計滿足設計要求.在安裝時，還可以采用容量更大的干電池或者是采用太陽能供電延長有源電子標簽的使用壽命.有源電子標簽的使用壽命越長，更換周期就越長，能夠降低使用成本.

結 語

本文提出的基于有源RFID的輕軌交通錨固螺桿健康狀態檢測方法能夠快速的掌握錨固螺桿的健康狀態，相比人工檢測而言提高了檢測效率，降低了檢測的成本.本文重點設計了有源RFID電子標簽，利用MSP430f149作為主控芯片對射頻天線模塊和錨固螺桿檢測裝置的電源及工作狀態進行控制，以達到節省功耗、延長電池供電時間，延長標簽更換周期，降低成本的目的.與其他輕軌交通錨固螺桿健康狀態檢測方法相比，本文提出的方法具有檢測迅速、功耗低、成本低等特點，為錨固螺桿的健康狀態檢測提出一種新的方法，以供檢修人員參考.