基于ZigBee技术的接触网检修作业挂接地线监测装置的研究

刘家军，熊磊，林丽妲，张甜（西安理工大学水利水电学院，陕西西安　710048）



基于ZigBee技术的接触网检修作业挂接地线监测装置的研究

刘家军，熊磊，林丽妲，张甜
（西安理工大学水利水电学院，陕西西安710048）

摘要：电气化铁路的高速发展使其接触网检修作业呈现明显的大分散性、长距离、通信及维护困难等特点。接触网检修作业在山区、隧道等无GPRS网络覆盖地区，信息很难传递给供电调度中心，使调度人员无法监控现场作业的具体情况，造成漏挂地线及带地线送电等不必要的安全事故。针对此类问题，设计了一种结合ZigBee技术、视频图像技术以及GPS技术的接触网检修作业挂接地线监测装置。该装置以短信和彩信的形式收集作业现场地线挂接状态、位置及现场作业图片等信息，在GPRS网络覆盖的地区，通过GPRS网络传输信息，在无GPRS网络覆盖的地区，则通过ZigBee自组网络通道进行传送，当信息传送到GPRS网络覆盖区时，经过网络转换，使信息附加到可以远程通信的GPRS网络，实现信息实时可靠的传输给供电调度中心。该装置可有效解决通信盲区问题，可靠保证作业现场与调度中心的通信，防止误送电及带电挂接地线的发生，保护人身及设备安全，提高接触网检修作业的信息化水平。

关键词：接触网检修作业；挂接地线；GPRS网络；ZigBee技术

Project Supported by the Coordinated Science and Technology Innovation Project of Shaanxi Province in China（2013KTCQ01-14）.

接触网在电气化铁路的运行中扮演着重要的角色，它负责把牵引变电所获得的电能直接供给列车。随着我国电气化铁路的高速发展，越来越多的铁路建设在地形复杂的地区，如山区、隧道等无网络覆盖的地方。为了保障电气化铁道高速有效的运输优势，首先要确保接触网处在良好的工作状态，接触网的日常检查维修工作是保证运输安全的重要措施和手段[1]，而挂接地线又是接触网停电检修安全保障的必要环节[2]，其可以防止突然来电对人体的伤害及设备的损坏。现阶段接触网检修作业现场和调度部门之间的通信方式主要是通过电话进行，即GPRS网络进行通信。对于山区、隧道等无GPRS网络覆盖的地方，造成检修作业现场和调度部门的通信困难，调度部门不能准确下发停送电命令。因此，目前的挂接地线管理系统在可靠性、实时性及工作效率等方面都不能满足电气化铁道的需要，不仅检修作业效率低，而且存在通信盲区，使调度中心无法直观地监测现场工作信息，地线作业管理系统存在着很大的漏洞和误操作等安全隐患。

针对以上问题，本文开发了一种基于ZigBee技术的接触网检修作业挂接地线监测装置，该监测装置在GPRS网络覆盖区域，可直接通过GPRS网络实时传送地线挂接状态等信息至供电调度中心；而在环境复杂，GPRS网络不易建立的监测区域，系统可在监测区域的小范围内，构建一个短程通信的无线局域网络，即ZigBee自组网络，通过这种无线网络传输信息，当信息传送到GPRS网络覆盖区时，装置启动GPRS模块，并将ZigBee网络发送来的信息通过GPRS网络继续传送，使信息实时可靠的传输给供电调度中心。

1装置的总体设计方案及工作原理

本装置主要由核心处理器、GPRS模块、图像采集模块、GPS模块、ZigBee模块组成，核心处理器芯片采用ATmega1280单片机，完成对各个模块的控制、数据处理以及模块之间的配合；GPRS模块型号为TR800/Q2358C，实现短信的发送的功能；图像采集模块为ZSV-01P串口摄像头，采集现场图像并通过GPRS网络传输；GPS模块型号为U-BLOX6，实现对现场检修位置的定位并传输数据的功能；ZigBee模块采用TI公司的CC2530F256，构建装置的自组网络并传输监测状态数据。除此之外，该装置还包括超声头、显示与键盘输入模块、电源模块及无线遥控模块等。装置硬件结构如图1所示。

基于ZigBee技术的接触网检修作业挂接地线监测装置的工作流程如图2所示，当接触网进行停电检修时，将装置安装在便携式接地线的绝缘杆上并扣挂于检修线路上，装置通过ZigBee模块建立ZigBee自组网络通道；通过显示与键盘输入模块设定接收信息的手机号码及装置内部允许工作的温度值，并将信息存储在EEPROM中（也可以不更改原设定值）；地线状态检测传感器模块判断地线的挂接状态（挂上或者摘除）；图像采集模块采集作业现场图像；GPS模块采集位置信息，经过以上步骤再将地线挂接状态信息、图像信息、位置信息传输给处理器芯片。在GPRS网络覆盖的区域，处理器芯片从EEPROM中读取预先设置的电话号码，驱动GPRS无线通信模块将地线挂接状态短信、图像信息和位置信息通过GPRS网络发送到调度端信息收集装置上及预先设定的手机上。而在无GPRS网络覆盖的地区，处理器芯片则驱动ZigBee无线通信模块将地线挂接状态短信、图像信息和位置信息通过ZigBee自组网络通道进行传送，当信息传送到GPRS网络覆盖区时，经过网络转换，使信息附加到可以远程通信的GPRS网络，实现信息实时可靠的传输。无线遥控模块通过遥控电源模块控制装置的开关机运行状态，使装置在不方便人员现场开启的情况下，依然能够进行现场接地线状态的监控。

图1基于ZigBee技术的接触网检修作业挂接地线监测装置Fig. 1 The monitoring device of the grounding line of the maintenance operations in the overhead line system based on ZigBee technology

图2装置工作流程图Fig. 2 The flow chart of device working

2装置的硬件设计

2.1地线监测传感器模块

本文地线监测传感器模块的超声波测距选用的是压电式收发分体超声波传感器T/R40一16（型号中的T代表发送，R代表接收，40则表示频率是40 kHz，16表示其外径尺寸，以毫米计）。超声波传感器由压电晶片、锥形喇叭、底座、引线、金属外壳及屏蔽网组成。其中，压电晶片是传感器的核心，锥形喇叭使发射和接收超声波的能量集中，并使传感器有一定的指向角，金属网可防止外界力量对压电晶片和锥形喇叭的损害，金属网也起保护作用，但不影响发射和接收超声波[3]。

由于采用的是全封闭性的防水超声头，超声头发送所产生的超声波信号需要穿透封闭的金属外壳才能传输出去，依靠电源所提供的5 V电压是不能驱动密封的防水型超声波传感器的，因此必须在电路中加入一款升压变压器来升压，以便使电路中的电压局部升高，这样就可以使得超声波传感器正常稳定的工作。经多次实验测量证明，当发射电压与脉冲变压器匝数比为10∶1时，发射电压最大，此时可以实现与超声波阻抗相匹配，发射功率也将达到最大[4]。

2.2 ZigBee模块

本装置所选用的ZigBee模块采用的是TI（德州仪器）公司的CC2530F256作为核心芯片。CC2530F256是用于2.4 GHz IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE应用的一个真正的片上系统解决方案。它仅需要非常低的材料成本便可以建立起很强大的网络节点。结合RF收发器的优良性能，可有多种运作方式，特别适用于低能耗的设备系统。

ZigBee模块的串口0与系统主控芯片上的串口3相连，以进行数据传输。由于ATmega1280的电源工作电压是5 V，而ZigBee模块的工作电压是3.3 V，因此串口之间不能直接相连，为了保证ZigBee模块能够正常稳定的与ATmega1280控制芯片之间进行串口通信，本文采用电阻分压法和三极管将主控芯片的串口和ZigBee模块搭载的单片机的串口连接起来，以解决数据之间的发送与接收的匹配问题。最终电路设计方案如图3所示，其中PJ0：RXD3、PJ1：TXD3（这2个接口是ATmega1280芯片上的串口3）；P02：RX0、P03：TX0（这两个接口是ZigBee模块搭载的单片机上的串口0）。

2.3其他模块

本装置所采用的处理器芯片ATmega1280是ATMEL公司于2005年推出的一款低能耗、高性能的高档8位AVR闪存微处理器[5]，该芯片具有先进的指令集及单周期指令执行时间，数据吞吐率高达1 MIPS/ MHz，从而可以在高速地处理大量数据的同时，达到缓减芯片在处理速度与功耗之间的矛盾[6]。

GPRS/GSM模块型号为TR800/Q2358C，它支持四频（GSM850、EGSM900、DCS1800、PCS1900），同时也兼容ESTI GSM Phase2+的标准，正常的工作电压在3.4～5.5 V之间，而且体积小巧、功耗极低，很适合电池供电的应用。TR800在正常工作时，可实现通信功能，如打电话、发送短信等，满足本装置所采集的各类信息在GPRS网络下实时发送的要求。

图像采集模块为ZSV-01P串口摄像头，它是一个内含有拍摄控制、视频捕捉、图像数据采集、图像JPEG压缩、串口通讯等功能的齐全的工业用图像采集设备。可采集现场作业图像并通过GPRS网络传输。

GPS模块型号为U-BLOX6，其体积小，集成度高，硬件简单，定位速度极快，在30～40 s内便可完成搜星任务。采用u-blox最新的微弱信号获取技术，此技术可以确保采用这种模组的设备在任何可以接收到信号的位置及各种尺寸的天线都可以获得最佳的定位性能，实现对现场检修作业位置的定位。

图3 ZigBee与ATmega1280串口连接图Fig. 3 Diagram of connection between ZigBee and ATmega1280 serial

3装置的软件设计

本装置的核心控制系统软件开发是以CodeVision AVR作为开发平台。

3.1主程序

装置的主程序流程如图4所示。在本装置设计的主控板上加入了多个外围设备的接口，包括TR800模块接口、摄像头模块接口、GPS模块接口、ZigBee模块接口、超声波传感器的接口等。在编写主程序时，首先对I/O接口进行初始化，再对主控芯片的串口、中断进行初始化，最后进入到主循环。本装置设计都是集于模块化设计，因此主循环就是按顺序对各个子程序的调用及控制。

图4主程序流程图Fig. 4 The flow chart of the main program

由于本设计主要是通过超声头测距来判断接地线挂接状态，因此在执行完初始化任务之后，进入while循环重复执行，以监测某个参数或者等待中断到来。

3.2超声波传感器测距程序

本装置主要是通过超声头测距来判断接地线挂接状态，并控制信息和ZigBee路由器节点的数据传输。超声波测距程序流程，如图5所示。

3.3 ZigBee网络传输

ZigBee技术是一种具有强大的组网能力的无线网络技术，它有多种网络通信方式，主要包括单点传送方式、广播传送方式、间接传送以及绑定方式等。本文采用点对点的绑定组网通信方式，实现终端节点或路由节点不断的采集挂接地线状态数据并可靠的发送到网络协调器上。

3.3.1 ZigBee网络建立

一个完整ZigBee网络通信机制的建立首先是由网络协调器建立ZigBee网络，然后路由器节点或者终端设备加入网络。图6描述了网络协调器建立网络的流程。图7描述了终端设备加入网络的流程。由图可以看出，根据Z-Stack协议，协调器或终端及路由器的各目录之间的功能调度配合实现网络的建立和通信要求。

图5超声波测距程序流程图Fig. 5 The flow chart of the ultrasonic ranging program

图6 ZigBee协调器建立网络流程图Fig. 6 The flow chart of the network established by the ZigBee coordinator

3.3.2挂接地线状态在ZigBee串口无线透传

串口透传数据是指将基于ATmega1280控制芯片的下位机与ZigBee模块之间进行信息交换的数据格式，没有严格的数据协议限制，像指令字头、结束符等数据包信息，只要下位机核心处理器的串口输出有数据，则ZigBee模块就能够把串口发送来的数据以无线传输的方式编码发送出去。当ZigBee接收模块接收到ZigBee发射模块发送来的无线数据信号后进行解码，再把解码后的数据按照发送端的格式要求从串口输出。若要在协议栈下实现串口的无线透传，必须要增加一个事件处理任务，即增加一个任务处理函数。图8描述了串口数据传输过程。

图7终端设备加入ZigBee网络的流程图Fig. 7 The flow chart of the terminal equipmentjoining the ZigBee network

图8 ZigBee串口传递数据示意图Fig. 8 The diagram of ZigBee serial transmission data

4　结论

本文开发了一种基于ZigBee技术的接触网检修作业挂接地线监测装置，通过结合ZigBee自组网络和GPRS网络两种通信方式，将地线作业的信息全面实时可靠的发送给调度中心。解决了现有的接触网检修作业时存在通信盲区的问题，在通讯异常的情况下，可通过ZigBee自组网络与GPRS网络相配合获取目标接地线的实际挂接状态信息，提高了挂接地线管理系统的可靠性和实时性，极大减少了误操作等安全隐患。本装置已经过多次实验运行且达到预期结果。

参考文献

[1]李玉庆.基于GPRS的接触网接地线检报系统的设计与实现[D].南昌：华东交通大学，2014.

[2]刘家军，刘博，徐新.接触网作业地线的信息收集装置的研究[J].电力系统保护与控制，2011，39（5）: 139-143. LIU Jiajun，LIU Bo，XU Xin. Research on the grounding line information-gathering device of catenary operation[J]. Power System Protection and Control，2011，39（5）: 139-143（in Chinese）.

[3]邹铁.近距离高精度超声波测距系统的设计[D].大连：大连理工大学，2009.

[4]隋卫平，潘仲明，王跃科.一种新型的超声换能器驱动与回波检测电路设计[J].国防科技大学学报，2004，26 （3）: 107-111. SUI Weiping，PAN Zhongming，WANG Yueke. A new type of driving and echoes detection circuit for ultrasonic transducers [J]. Journal of National University of Defence Technology，2004，26（3）: 107-111（in Chinese）.

[5]兰吉昌. AVR单片机系统开发经典实例[M].北京:化学工业出版社，2011.

[6]杨慧.基于ATmega1280单片机的船舶气象仪[J].机械管理开发，2011，124（6）：184-187. YANG Hui. Application of ATmegal280 single-chip microprocessor in the design of the ship meteorological instrument[J]. Mechanical Management and Development，2011，124（6）：184-187（in Chinese）.

刘家军（1967—），男，教授，博士生导师，主要研究领域为电力系统自动化。

（编辑李沈）

Research on Monitoring Device of the Grounding Line of the Maintenance Operations in the Overhead Line System Based on ZigBee Technology

LIU Jiajun，XIONG Lei，LIN Lida，ZHANG Tian
（Institute of Water Resources and Hydro-Electric Engineering of XAUT，Xi’an 710048，Shaanxi，China）

ABSTRACT：The high -speed development of the electric railway makes the operation of the maintenance work of the network to have the characteristics of large dispersion，long distance，and difficult communication and maintenance. The contact network maintenance operations are normally carried out in the mountains，tunnels and other non GPRS network coverage area where it is difficult or impossible to send the information to the power dispatch center，so that the dispatch staff can not monitor the specific circumstances of the site，resulting in safety accidents such as leakage of ground wires and electricity leakage by the ground wire. To address these issues，this paper designs a new device based on ZigBee technology，the video image technology and GPS technology. The device collects the information of the hanging state of the ground wire in the operations field，positions and job site pictures in the form of SMS and MMS. And in GPRS network cove-rage area the information is transmitted through the GPRS network，and in the absence of GPRS network coverage area information through the ZigBee network channel，and when information is transmitted to the GPRS -covered zone，through the network transformation，the information is attached to the GPRS network for remote communication so that the information is transferred to the power supply dispatching center in real time. The device can effectively solve the communication blind area problem，and reliably guarantee the field operations and control center communication，and prevent miscarriage of the electricity and

charged hanging earthing from occurring and protect the safety of people and equipment and improve the information level of the maintenance operation of the contact network.

KEY WORDS：overhead contact system maintenance operation；hanging earth wire；GPRS network；ZigBee technology

作者简介：

收稿日期：2015-06-08。

基金项目：陕西省科技统筹创新工程计划项目（2013KTCQ01-14）。

文章编号：1674- 3814（2016）02- 0058- 05

中图分类号：TM764

文献标志码：A