基于ARM和GPRS的高鐵雨棚振動響應(yīng)監(jiān)測系統(tǒng)

楊 昕，安曉靜

(石家莊鐵道大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，河北 石家莊 050043)

隨著高速鐵路的快速發(fā)展，與傳統(tǒng)“候車室”車站相比，樣式新穎、形式輕盈及“站、棚一體化”的大跨度無站臺柱鋼結(jié)構(gòu)的雨棚客站設(shè)計模式備受青睞。與此同時，這種結(jié)構(gòu)模式一體化的高鐵無柱雨棚，由于其高(十幾米甚至二十米往上)、大(面積幾萬至十幾萬平米)、闊(覆蓋整個站臺和車站)等結(jié)構(gòu)因素的限制，以及易受列車運行的振動和強氣流影響，日常難以鋪設(shè)線路對高鐵雨棚振動響應(yīng)進行監(jiān)測，存在諸多安全隱患[1-2]。近年來,在高鐵車站運營過程中，高鐵車站無柱雨棚事故時有發(fā)生。2012年3月23日，京滬高鐵線天津南站出現(xiàn)雨棚屋面板墜落，部分懸掛在接觸網(wǎng)上，造成接觸網(wǎng)停電事故，中斷行車3小時16分。針對當(dāng)前高鐵雨棚振動監(jiān)測系統(tǒng)成本昂貴、鋪線困難、高空作業(yè)危險、日常缺乏對雨棚振動進行有效監(jiān)測的現(xiàn)狀，從實際角度出發(fā)，考慮成本、實際測量環(huán)境以及實現(xiàn)難易程度等因素，設(shè)計了一種基于樹莓派的高鐵雨棚振動響應(yīng)監(jiān)測系統(tǒng)，本系統(tǒng)以價格低廉的樹莓派作為中心控制器，再結(jié)合低成本的GPRS無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和阿里云服務(wù)器，實現(xiàn)對高鐵雨棚日常振動以及風(fēng)致振動下雨棚狀態(tài)響應(yīng)信息的監(jiān)測。與傳統(tǒng)的測量方法相比，具有成本和技術(shù)的優(yōu)勢。

1 系統(tǒng)設(shè)計與體系結(jié)構(gòu)

本監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1，主要由前端數(shù)據(jù)采集模塊和后端控制模塊構(gòu)成。前端采集模塊主要包括振動模塊和中心處理模塊，其中，選取ARM系列的樹莓派作為主控制器，用于驅(qū)動振動模塊MPU6050，實現(xiàn)對高速鐵路雨棚振動響應(yīng)信息的獲取；控制模塊主要由主控制器樹莓派與GPRS模塊、服務(wù)器模塊組成，完成對各振動參數(shù)數(shù)據(jù)的接收和處理[3]，顯示雨棚振動參數(shù)實時狀態(tài)以及與服務(wù)器之間建立通信。

用戶可通過PC端和智能手機登錄阿里云服務(wù)器公網(wǎng)IP，實時觀測高鐵雨棚振動響應(yīng)情況及變化趨勢，如自然風(fēng)狀態(tài)下、列車高速行駛下雨棚風(fēng)致振動響應(yīng)情況。并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)進行振動響應(yīng)的研究與分析。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 振動模塊

加速度傳感器通過測量質(zhì)量塊所承受的慣性力，然后依據(jù)牛頓定律獲得加速度值。本系統(tǒng)物體振動模塊選取全球首例集成六軸傳感器的運動處理組件MPU6050[4]，由三軸陀螺儀和三軸加速度計組成，分別采用三個16位ADC，將測量的模擬量轉(zhuǎn)化輸出為數(shù)字量。本實驗針對采集高鐵雨棚振動響應(yīng)數(shù)據(jù)，只需使用其三軸加速度傳感器。

2.2 樹莓派

在本系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集的核心是基于linux系統(tǒng)的嵌入式卡片電腦：樹莓派3b+，此版本樹莓派在前版的基礎(chǔ)上添加集成Wi-Fi芯片和藍牙芯片，為樹莓派接入無線網(wǎng)絡(luò)，搭建物聯(lián)網(wǎng)提供便利[5-6]。此外，還提供了連接各種傳感器擴充的40個GPIO針腳和SPI總線、攝像頭、HDMI視頻接口以及麥克風(fēng)接口，并支持C、C++、Python、php、Java等一系列編程語言。

2.3 GPRS通信模塊

無線通信模塊采用GPRS網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，由于高鐵雨棚自身環(huán)境因素限制，如高鐵車站客流量大、距離地面較高、高鐵車站W(wǎng)i-Fi信號不穩(wěn)定、高鐵車站禁止閑雜人等長期逗留，難以做到長期人工現(xiàn)場實時監(jiān)測。因此GPRS無線傳輸就成了本系統(tǒng)設(shè)計的重點。在系統(tǒng)中，通信模塊選擇微雪公司生產(chǎn)的SIM868無線傳輸模塊，此模塊結(jié)合了GPS、GPRS/GSM、LBS基站定位、藍牙數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋Ｍ昝缹崿F(xiàn)與樹莓派對接，同時具有接口豐富、功能穩(wěn)定、抗干擾性強、外圍電路集成度高、尺寸較小等優(yōu)點。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本小節(jié)搭建樹莓派測試平臺，實現(xiàn)樹莓派驅(qū)動加速度模塊、GPRS無線通信模塊，在阿里云服務(wù)器端實現(xiàn)LAMP網(wǎng)站架構(gòu)，通過GPRS模塊與服務(wù)器建立遠程通信，將數(shù)據(jù)寫入MySQL中，軟件的流程如圖2 所示。其中樹莓派通過Python驅(qū)動MPU6050獲取并存儲記錄振動加速度數(shù)據(jù)；在進行GPRS無線傳輸時，為確保數(shù)據(jù)的完整性，樹莓派在空閑時間段通過Python腳本驅(qū)動GPRS傳輸記錄的數(shù)據(jù)。

3.1 控制器主程序設(shè)計

樹莓派支持多種操作系統(tǒng)，在使用前首先通過外擴的SD卡燒寫所選用的系統(tǒng)，以確保樹莓派正常啟動。在本實驗中，選取基于Debian的Raspbian操作系統(tǒng)，此系統(tǒng)具有完整的TCP、HTTP等協(xié)議。當(dāng)系統(tǒng)燒錄完畢后，查找樹莓派動態(tài)IP，通過SSH遠程連接進入樹莓派VNC界面，進行樹莓派核心模塊安裝配置：主要包括核心庫函數(shù)bcm2835、python語言、i2c-tooli2c內(nèi)核驅(qū)動、vim編輯器、minicom調(diào)試串口[7]。

3.2 振動參數(shù)軟件設(shè)計

樹莓派通過I2C總線連接加速度傳感器MPU6050，在3.1節(jié)中，樹莓派已完成I2C的安裝和內(nèi)核驅(qū)動，將樹莓派與MPU6050連接后，在命令窗口下輸入sudo i2cdetect-y 1，用于驗證I2C驅(qū)動安裝成功以及MPU6050傳感器是否異常，若檢測到0x68地址處有設(shè)備，表明I2C驅(qū)動已正常開啟，設(shè)備工作正常，樹莓派與MPU6050通信建立完成。通過Python代碼驅(qū)動MPU6050，獲取5個重要的參數(shù)：id(測試序列號)、x_accel(x軸加速度)、y_accel(y軸加速度)、z_accel(z軸加速度)及time(測試時間)，圖3為樹莓派與MPU6050測試結(jié)果圖。

3.3 數(shù)據(jù)遠程通信設(shè)計

基于高鐵車站沒有寬帶網(wǎng)絡(luò)或網(wǎng)絡(luò)信號不穩(wěn)定，因此GPRS通信系統(tǒng)是整個軟件設(shè)計的關(guān)鍵。為實現(xiàn)高鐵雨棚環(huán)境下和遠程服務(wù)器端的通信，本系統(tǒng)選取微雪公司生產(chǎn)的樹莓派擴展板SIM868通信模塊。在實驗中，GPRS模塊采用HTTP協(xié)議[8]進行數(shù)據(jù)通信。在第一次使用GPRS模塊時，需要對它進行相關(guān)AT指令配置，主要包括：模塊網(wǎng)絡(luò)注冊、設(shè)置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、初始化HTTP、波特率等[9]。若設(shè)置全部正確，此時GPRS模塊將與阿里云服務(wù)器建立起HTTP通信協(xié)議，實現(xiàn)數(shù)據(jù)無線傳輸。

3.4 服務(wù)器程序設(shè)計

本系統(tǒng)采用阿里云服務(wù)器作為數(shù)據(jù)存儲平臺，公網(wǎng)IP地址為47.95.193.51，選用阿里云基于Linux發(fā)行版CentOS 7.2 64位的操作系統(tǒng)。當(dāng)購買此版本服務(wù)器后，設(shè)置各參數(shù)安全組規(guī)則，然后通過putty遠程連接進入CentOS版阿里云服務(wù)器，進行服務(wù)器環(huán)境搭建以及phpmyadmin配置，完成服務(wù)器的初步配置。

當(dāng)GPRS模塊試調(diào)成功后，通過遠程連接進入阿里云服務(wù)器，配置LAMP(Linux、Apach、MySQL、PHP)網(wǎng)站環(huán)境[10]，并進行MySQL主機名、數(shù)據(jù)庫名、數(shù)據(jù)庫密碼、數(shù)據(jù)表參數(shù)與類型的設(shè)置，實現(xiàn)阿里云服務(wù)器MySQL配置[11]。最后服務(wù)器端編寫程序，接收SIM868通訊模塊發(fā)送來的HTTP請求，使用GET方式獲取HTTP請求URL中傳入的變量值，并插入到數(shù)據(jù)庫中。

4 實驗測試與分析

通過上述硬件與軟件配置，本系統(tǒng)已配置完畢。目前，本監(jiān)測系統(tǒng)在山東省某高鐵站雨棚二跨吊頂板中心處位置作為測試方位，設(shè)置采樣頻率為200 Hz，通過樹莓派Linux系統(tǒng)下的Crontab命令定時獲取列車高峰期內(nèi)雨棚的振動響應(yīng)，并上傳至阿里云服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中，如圖4所示。

對日常車輛行駛密集時間段進行長期重復(fù)監(jiān)測，確保數(shù)據(jù)的真實可靠。通過分析監(jiān)測得到的大量振動加速度響應(yīng)數(shù)據(jù)，選取2組不同時間段內(nèi)具有代表性的數(shù)據(jù)：

1)通過數(shù)據(jù)提取進行研究分析，圖5表示自然風(fēng)狀態(tài)和高速列車過站時風(fēng)致振動下雨棚振動加速度響應(yīng)變化圖，圖5中橫坐標(biāo)表示采樣點個數(shù)，縱坐標(biāo)表示加速度幅值，曲線表示雨棚加速度數(shù)據(jù)變化圖，圖中右側(cè)虛線框范圍內(nèi)的加速度數(shù)據(jù)為列車從到達到離開時間段內(nèi)測試數(shù)據(jù)，時長約6 s。從圖5中可明顯看出，列車經(jīng)過時間段內(nèi)以及行駛過后雨棚受到慣性力持續(xù)振動作用下的加速度曲線圖以及自然風(fēng)狀態(tài)下雨棚微弱的振動加速度曲線圖。

2)在高鐵車站手持測速儀在站臺邊緣對通行列車進行速度測試，并與實際監(jiān)測到數(shù)據(jù)進行時間匹配，研究分析出不同車速經(jīng)過站臺時雨棚加速度響應(yīng)的變化規(guī)律如圖6所示。

研究表明，列車的駛?cè)牒婉偝霎a(chǎn)生了兩次明顯振動，均沿列車開行方向依次振動。振動隨著距正線距離的增大，加速度逐漸減弱，相位延遲逐漸增大。并且振動的效果與列車行駛的車速成正比。

6 結(jié)語

本系統(tǒng)從高鐵雨棚監(jiān)測管理的實際需求出發(fā)，克服傳統(tǒng)模式下數(shù)據(jù)采集困難，尤其在人流密集的高鐵車站環(huán)境，人工進行數(shù)據(jù)采集時存在安全隱患。設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于ARM和GPRS的遠程高鐵雨棚振動加速度響應(yīng)監(jiān)測系統(tǒng)。本系統(tǒng)無需人工操作，可實現(xiàn)雨棚加速度響應(yīng)信息的自動獲取和上傳，節(jié)省大量人力物力。目前本系統(tǒng)只實現(xiàn)了基本功能,在此基礎(chǔ)上可通過添加其他類型傳感器、雨棚多方位測量等對系統(tǒng)進行升級和完善，最終實現(xiàn)多方位多種數(shù)據(jù)監(jiān)測，提高系統(tǒng)的完整性和應(yīng)用性。