基于ZigBee技术的无缝钢轨爬行监测系统设计

傅勤毅，彭亚凯，王超

(中南大学 交通运输工程学院，湖南 长沙 410075)

基于ZigBee技术的无缝钢轨爬行监测系统设计

傅勤毅，彭亚凯，王超

(中南大学 交通运输工程学院，湖南 长沙 410075)

针对传统钢轨位移监测系统效率低、成本高的不足，开发了新型无缝钢轨爬行位移监测系统。系统基于ZigBee无线网络，以ZigBee无线微型控制器CC2530模块为核心，整个无线传感器网络由监测节点、数据汇聚节点和控制终端组成。监测节点分布于钢轨沿线，执行数据采集与无线发送等工作；汇聚节点用于收集和传输数据；控制终端负责处理监测节点采集的数据信息。系统实现了对无缝钢轨温度和爬行位移的数据采集和监测。通过实验验证，系统运行稳定，并且操作简单，使用方便。

监测系统；无缝钢轨；ZigBee无线监测

随着我国铁路建设的迅速发展，对铁路运输的要求也越来越高，出于提速、重载与安全的考虑，我国铁路轨道铺设已经开始普及无缝钢轨。由于无缝钢轨伸缩缝很少甚至没有伸缩缝，受温度影响，钢轨热胀冷缩，易产生爬行位移，使钢轨平顺性和安全性变差。因此，对无缝钢轨爬行位移的监测非常重要。国内外常用的钢轨位移测量方法有拉线测量法、光学经纬仪测量法、激光测量法和光电技术测量法。这4种钢轨位移测量方法和设备，均只适用于人工单点测量。拉线测量法的精度只能达到±5 mm，且工作量大，需要2人以上进行测量；光学经纬仪操作复杂，使用不方便。激光测量法和光电技术测量法所需设备昂贵，使用成本较高[1]。ZigBee技术是目前发展态势非常强劲的一种无线传感器网络技术。本文将ZigBee技术低速率、低功耗、低成本、低复杂度的特点[2-3]，应用于无缝钢轨爬行监测系统，设计出一套高效率、低成本的新型无缝钢轨爬行位移监测系统。

1 系统设计

1.1 系统结构

无缝钢轨爬行监测系统由分散的各个监测节点、一个数据汇聚节点和终端设备3部分构成，网络结构如图1所示。监测节点按一定距离安装在钢轨上，能实时采集该处钢轨的爬行位移和轨温，并能自动组成ZigBee无线网络。在钢轨沿线合适位置布置一个监测中心，监测中心由协调器节点和与之相连的计算机组成，其中协调器节点单元负责组建无线传感器网络和数据收集。

各个监测节点采集的数据通过ZigBee无线网络传输到汇聚节点，再由汇聚节点将数据传输到终端设备，最后由终端设备对数据进行存储、分析和处理，从而完成对整条线路的数据采集和监控。

图1 系统结构图Fig.1 Structure block diagram

1.2 硬件设计

各监测节点硬件包括数据采集模块、微处理器模块、无线通信模块和电源模块。监测节点结构示意图如图2所示。数据采集模块通过温度、位移传感器采集周围环境温度和钢轨爬行位移，并将采集的数据传送给微处理器模块。微处理器模块负责整个节点的数据处理、路由协议、功耗管理、任务管理、数据存储等。无线通信模块负责与其他节点进行通信、数据传输。电源模块由太阳能充电锂电池或2节1.5 V碱性电池供电。

图2 监测节点结构示意图Fig.2 Framework of the monitoring node

1.2.1 数据采集模块

每个数据采集模块采用4个位移传感器和1个温度传感器，实时采集该处上、下股4根钢轨的纵向变形位移及实时轨温。位移传感器以机械连接方式、温度传感器以粘接方式固定在钢轨上。位移传感器将不动端固定于轨道板道床，可动端通过锁紧装置与钢轨的底部牢固联结，由此测出钢轨直线位移的变化，位移传感器机械装置的安装如图3所示。

监测节点测温范围为-30～+70 ℃，测量精度为±1 ℃，要求传感器具有测温范围宽、体积小、精度高的特点。所以选用ADI公司的AD7416芯片，内含1个温度传感器和1个10位AD转换器，以0.25 ℃的分辨率将所测温度数字化；其片内寄存器和温度比较器可以将温度与设定的高低门限进行比较，电压范围为2.7～5.5 V，温度测量范围为-55～125 ℃，尤为重要的是该芯片可以被编程在低功耗掉电方式下工作，电流仅为0.2 μA[4]。

监测钢轨爬行位移选用KTC-75 mm拉杆式直线位移传感器。该传感器两端均有3.5 mm的缓冲行程，线性精度为0.08%，重复精度±0.01 mm，最大工作速度为10 m/s。外壳进行了阳极处理，抗腐蚀，内置导电塑料测量单元，无温漂，使用寿命较长。拉杆球具有0.5 mm自动对中功能。最低供电电压3 V，电刷工作电流≤1 μA，位移A/D转换时电流≤1 mA。

图3 位移传感器安装示意图Fig.3 Schematic diagram of displacement sensor installation

1.2.2 微处理器模块

微控制器是监测节点的控制核心，其性能直接关系到节点能否进行数据采集和无线传输。所以，选用TI/Chipcon公司的CC2530芯片作为系统的核心芯片。CC2530的特点如下：RF收发器输出功率可通过编程控制，最高可达4.5 dBm；只需一个晶振便能满足网状网络系统需要；更小型的QFN40封装，6 mm×6 mm；增强型8051处理器；8KB的RAM；4种闪存可选择：32/64/128/256KB；通信距离可达400 m；CC2 530具有5种不同的运行模式，转换时间短；电源电压范围：2～3.6 V[5-7]，CC2591与CC2 530接口电路原理图如图4所示。

图4 CC2591与CC2530接口电路Fig.4 Interface circuit between CC2591 and CC2530

1.2.3 无线通信模块

由于CC2530模块的通信距离最大只能达到400 m，而本方案设计的节点间距为500 m，且网络拓扑结构为接近直线的网状网络。为了保证网络的可靠性，要求节点的通信半径能达到4个节点间距，即2 000 m。因此，有必要通过功率放大器来增加节点的通信距离。

TI公司生产的CC2591是一款集成度很高的射频前端芯片，其工作频率为2.4 GHz，面向低功耗与低电压无线应用。CC2591的集成功率放大器(PA)的增益高达22 dB，发射功率最大为+22 dBm(输入+5 dBm)，输出1 dB压缩点+19 dBm，接收部分内部集成的LNA分为高、低接收增益，分别为11 dBm和1 dBm，噪声系数为4.8 dB，接收灵敏度改善6 dB。在本方案中，采用CC2591放大器与CC2530模块组合，通信距离可达2 000 m以上[8-10]。

1.3 软件设计

系统软件包括监测节点软件和上位机数据分析软件，监测节点软件包括传感器对温度和爬行位移的采集与保存、监测节点组网、数据发送控制等，监测节点组网控制流程如图5所示，图6所示为数据发送控制的流程。

上位机数据分析软件分为数据下载、数据库管理、数据分析和系统维护等模块，可以基于时序的曲线窗口和基于数据的图形窗口方式向用户提供线路的温度与爬行位移情况。数据下载和数据库管理模块用于汇聚节点数据下载，并以所要求的格式存储到数据库中；数据分析模块用于下载数据的分析，以便用户直观准确了解线路爬行位移情况；系统维护模块可以实现不同权限的用户分级管理，可以对监测节点编号、线路区间名称、公里标等信息进行维护。

图5 网络节点组网控制流程Fig.5 Network node networking control process

图6 数据发送控制流程Fig.6 Data transmission control process

2 实验验证

对监测系统的可行性与稳定性进行了实验验证：设置1个协调器节点和2个采集节点，采集节点距离100 m，监测终端位于两采集节点中间。将协调器通过串口线与监测终端连接，位移传感器、温度传感器与采集节点相连。打开各节点电源开关，监测终端采集节点电压、温度和位移信息。我国各铁路局对无缝线路位移的观测频次要求为30 d/次。为提高监测精度和效率，实验设置观测频次为每30 min/次。在软件中，当钢轨位移超过3 mm或传感器节点电压低于2 V时，设置数据显示为黄色，以示报警。实验数据如图7所示。

实验数据表明，系统在监测的2.5 h内，监测节点发出电压、温度和位移数据12组，协调器实时接收，没有出现丢包现象，而且采集的数据准确，爬行位移精度达0.1 mm。因此可看出，无论是系统硬件还是软件，工作性能稳定，具有较强的可靠性。

3 结论

1)介绍基于ZigBee技术的无缝钢轨爬行监测系统实现的基本原理，以及系统硬件和软件开发流程，并对系统的稳定性、可靠性进行了验证。

2)将ZigBee技术应用于无缝钢轨爬行监测系统，提高了系统的可靠性和实时性，且系统开发价格低廉，性价比高，组装维护简单，节点的扩展容易，提高了铁路工务信息管理自动化程度。基于ZigBee技术的无缝钢轨爬行位移监测系统有以下优势：系统具有超低功耗设计，在启用休眠功能后，2节5号电池可以使用长达半年左右；系统提供了大容量数据存储，可存储高达40 000多组数据；系统体积小巧，操作简单，使用方便。

[1] LU He.Continuously welded rail crawling monitoring instrument[J]. Vocational Technology, 2007(6):64.

[2] 杨玮, 吕科, 张栋,等. 基于ZigBee技术的温室无线智能控制终端开发[J]. 农业工程学报, 2010, 26(3):198-202. YANG Wei, LÜ Ke, ZHANG Dong, et al.Development of wireless intelligent control terminal of greenhouse based on ZigBee[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2010, 26(3):198-202.

[3] 申忠宇, 郑启文, 王川,等. 无线通信网络的多智能小

车编队控制系统[J]. 东南大学学报(自然科学版), 2013, 43(增1):18-21. SHEN Zhongyu, ZHENG Qiwen, WANG Chuan, et al.Multi-smart car control system based on wireless communication network[J]. Journal of Southeast University (Natural Science Edition), 2013, 43(Suppl 1):18-21.

[4] 郑箭锋, 傅勤毅. 基于Zigbee技术接触网电连接线夹温度监测装置的研究[J]. 铁道科学与工程学报, 2013, 10(2): 119-123. ZHENG Jianfeng, FU Qinyi. Analysis of temperature monitoring device for catenary electrically connecting clamp based on Zigbeetechnology[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2013, 10(2): 119-123.

[5] 黄玉立, 童玲, 田雨, 等. 基于CC2531+CC2591的WSN节点通信模块设计[J]. 单片机与嵌入式系统应用, 2011, 11(1):71-73. HUANG Yuli, TONG Ling, TIAN Yu, et al. Communication module of WSN node based on CC2531+CC2591[J]. Microcontrollers & Embedded Systems, 2011, 11(1):71-73.

[6] LI Zongxing, DING Jianning, YAN Chao, et al. Wing load monitoring system based on ZigBee technology[C]//Smart Materials and Intelligent Systems. Part 1. Chongqing, 2011:720-724.

[7] 李慧来. 基于CC2530的远距离数据采集系统设计与实现[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学, 2011. LI Huilai. Design and implementation of long-distance data acquisition system based on CC2530[D].Harbin：Harbin Institute of Technology, 2011.

[8] Cai X, Guo T, Wu X, et al. Gesture recognition method based on wireless data glove with sensors[J]. Sensor Letters, 2015, 13(2):134-137.

[9] Zou T, Lin S, Feng Q, et al. Energy-efficient control with harvesting predictions for solar-powered wireless sensor networks.[J]. Sensors, 2016, 16(1)：53.

[10] 胡瑾, 樊宏攀, 张海辉,等. 基于无线传感器网络的温室光环境调控系统设计[J]. 农业工程学报, 2014，30(4)：160-167. HU Jin, FAN Hongpan, ZHANG Haihui, et al.Design of regulation system of light environment in greenhouse based on wireless sensor network[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2014，30(4)：160-167.

Design of continuously welded rail crawling monitoring system based on ZigBee

FU Qinyi， PENG Yakai, WANG Chao

(School of Traffic and Transportation Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

In allusion to low efficiency and high cost of traditional rail displacement monitoring system, a new continuously welded rail crawling monitoring system is proposed based on ZigBee. CC2530 Module is used as main unit. The whole system contains data collecting nodes, sink nodes, and control terminal. The data collecting nodes are arranged along the rail line and are used to take charge of data acquisition and transmission . Besides the sink nodes are used to collect data and the control terminal is used to process data. The system has been successfully used on data acquisition and monitoring. Testing shows that the system run stably, and was easy to operate and to use.

monitoring system; continuously welded rail; ZigBee wireless detection

2016-03-07

国家自然科学基金资助项目(51575541)

傅勤毅(1968-)，男，湖南长沙人，教授，博士，从事轨道检测与故障诊断研究；E-mail：qyfu@csu.edu.cn

U216.8

A

1672-7029(2016)12-2478-05