基于无线传感网络的过渡电阻检测系统设计

李福川

（济南轨道交通集团有限公司，山东聊城 250100）

0 引言

目前地铁主要使用直流供电方式[1-2]，地铁的直流牵引供电系统中，电流通过钢轨回流，而有一部分电流经钢轨杂散流入大地，该部分电流被称为杂散电流[3-4]。这些杂散电流对地铁附近地下或者地面的金属构件，如结构钢筋、地下管线、通信电缆等会产生严重的化学腐蚀，使其强度受到严重的破坏，甚至会造成灾难性的意外事故[5-6]。地铁的轨道对地过渡电阻与钢轨纵向电阻是影响杂散电流的重要因素[7-9]，可靠而准确地测量轨道对地过渡电阻与钢轨纵向电阻对治理杂散电流有着至关重要的意义。

针对现有检测方法工作量大、需要人力较多、检测时间较长等问题，本文在传统的离线国际标准检测方法基础上，根据地铁实际结构模式，设计了一种新型的地铁轨道对地过渡电阻检测系统，便于检测人员检测轨道对地过渡电阻值。检测系统最终准确快速地实现了轨道对地电阻的检测，并且具有良好的人机交互功能。

1 检测系统总体方案

为了达到准确测量过渡电阻与纵向电阻的大小、减少人为误差与后期计算量、检测装置更加便捷自动化以及节省大量人力与时间的目标，在传统检测方法的基础上，针对其检测装置存在的缺点，将原有的人工测量计算方法改进为自动化无线检测装置，提出基于无线传感网络的新型自动检测系统，其整体系统结构如图 1 所示，主要包括后台主机、无线传感器、中央处理单元、恒流电源、显示控制单元等。检测装置在检测轨道对地过渡电阻前需对钢轨纵向电阻进行检测，使用的检测方法与轨道对地过渡电阻检测方法有所不同，使用的无线传感器数量与序号也有所差异。

如图 1 所示，在检测过渡电阻时分别在标定的钢轨检测区间段 A、B 端与电流注入端放置 1 号无线传感器、2 号无线传感器、3 号无线传感器和 5 号无线传感器，用以检测 A、B 端的钢轨电压 UA1、UB1与轨道对地电压 URTA、URTB以及电流注入端的轨道对地电压 URT和外部直流稳流电源注入的电流 IST，同时该检测区间段距离 L 也可以通过无线传感器 4 测得并上传至终端中央处理单元计算处理。轨道对地过渡检测装置在测量钢轨纵向电阻时，无线传感器的使用方法与具体布置见图 1 左上图，但其检测时必须与轨道对地过渡电阻的检测分别进行。

图1 基于无线传感网络的新型过渡电阻检测系统结构框图

所有无线传感器从机由中央处理单元进行控制检测并通过无线网络向中央处理单元回传所测得的数据。中央处理单元收集所有无线传感器的检测数据后，对接收到的数据进行计算处理，并分别计算得出钢轨纵向电阻与轨道对地过渡电阻值，同时将计算与收到的所有数据存储于 SD 存储卡中，以便于检测结束后将检测数据存于后台主机进行进一步的处理与备份。检测系统配有触摸屏，所有检测与计算得到的数据可以在触摸屏上进行直观的观察与读取，而且检测系统可以通过触摸屏界面的控制按钮控制各无线传感器的工作过程，检测人员可以使用界面的数据录入框设置部分参数。

2 无线传感器从机硬件设计

数据采集传感器为无线传感器，其硬件部分主要包括前段信号的输入单元、信号放大单元、电压抬升单元、线性光耦隔离单元、数模转换单元、中央处理单元、无线通信模块。无线传感器从机主要实现的功能是：分别测量待测区段各指定待测点的信号，并对其进行相应的信号处理，通过数模转换单元完成数模转换后做相应的计算处理，最终通过无线网络发送至中央处理单元。检测装置的无线传感器的中央处理单元采用STM32F103C8T6。由于检测过程中沿线同时检测点较多，并且检测区段距离相对较长，因此，选取相对简单与便捷的无线通信。由于设计的检测系统的无线通信距离相对较大，系统选用了工业级长距离无线通信模块nRF24L01+PA+LNA，并且为了保证无线通信质量，增加了外接天线。

轨道对地过渡电阻检测装置采集的部分数据信号比较微弱，为了更加方便与准确地采集所需数据，本系统最终采用的方案是先将微弱信号进行放大处理，为避免一些干扰信号，在信号输入端并联了 2 个容值较小的滤波电容。运算放大器设计电路如图 2 所示，图 2 中 R20为增益调整电阻。

增益 G 的计算公式为：

电压抬升电路是依据同相加法运算电路的原理进行设计的，同相加法运算电路原理图如图 3 所示，且计算公式为：

图2 运算放大器电路图

图3 同相加法运算电路原理图

为了避免高电压或高电流串入对测量装置和检测人员造成损伤，以及防止传输过来的干扰信号随着有效的采集信号进入到后级采集系统，需要对采集系统与测量信号之间进行有效的电气隔离，并且同时降低多电路共地对信号传输带来的干扰。所以，在信号处理时增加了光耦隔离，选择 HCNR201 高线性度光耦隔离芯片，其内部结构图如图 4 所示，图中 NC 是空角。

输入端 LED 被导通后，则会通过一定大小电流，LED 产生相应强度的光照，此时光敏二极管感应生成光电流。因为 2 个光敏二极管在线性光耦隔离芯片内的安装位置对称，型号完全相同，所以二者得到的光照强度相同，产生了相等的光电流，光敏二极管上产生的光电流IPD1、IPD2大小与通过 LED 的电流IF大小成线性关系，各电流之间存在的关系：

图4 HCNR201内部结构图

式（3）中：IPD1、IPD2分别表示光敏二极管 PD1 与光敏二极管 PD2 产生的电流；IF表示二极管 LED 上流过的电流；G3表示线性光耦隔离的输入输出传输增益；G1、G2表示芯片中的 2 个光敏二极管的电流传输增益。由上可知，HCNR201 的优秀封装结构、IPD1和IPD2之间严格的线性比例关系、发光二极管 LED 与光敏二极管 PD 形成的负反馈作用很好地保证了其极高的稳定性与极高的线性度。

3 检测系统终端软件设计

为了确保所设计的地铁轨道对地过渡电阻检测装置具备高性能以及系统运行时的高稳定性等特点，在软件程序设计时，采用了严格的程序逻辑控制，确保地铁轨道对地过渡电阻检测工作的有效顺利进行。在检测过程中，检测人员主要是通过触摸屏直观便捷地控制整个检测系统的运行，其通信主要包括触摸屏与后台主机通信、后台主机与各传感器从机的无线网络通信。检测系统整体控制程序流程框图如图 5 所示。

当检测人员按下采集控制按钮时，触摸屏将相应的按键信息通过串口发送至后台主机，后台主机通过收到的信息对按键类型进行判断，随后后台主机将根据按键的具体类型通过无线网络向对应的从机发送采集数据指令，当从机收到采集数据指令后随即开始数据采集并保存。从机采集完数据后，后台主机再次通过无线网络向同样的从机发送回传数据指令，从机收到来自于后台主机的回传数据指令后将采集到的数据发送至后台主机。最后后台主机将对数据进行相应处理并计算出对应的过渡电阻值与纵向电阻值，并将数据存储至后台主机中的 SD 存储卡中，继而将所有的数据通过串口以一定的数据包格式发送至触摸屏显示，以供检测人员在检测过程中读取与记录。触摸屏的主界面如图 6 所示。

图5 系统控制逻辑框图

主界面的触摸按键区域主要有 5 个控制按键，包括：复位按键，未通电纵向电阻测量、通电纵向电阻测量、未通电过渡电阻测量、通电过渡电阻测量按键。检测人员可以通过界面的复位按钮对触摸屏与后台主机进行复位操作，其余 4 个按键主要是测量控制按键。测量过程需计算的量主要有钢轨纵向电阻值与轨道对地过渡电阻值。所以，测量按键主要分为两类：纵向电阻测量、过渡电阻测量。为排除轨道自身干扰信号对测量的影响，需要对未通电时的参数进行测量，使用通电前与通电后的差值进行计算。所以，测量钢轨纵向电阻和轨道对地过渡电阻均有 2 个控制按键将测量过程分为两步，分别是未通电按键与已通电按键。

图6 触摸屏主界面

4 结论

（1）本文设计了一种基于无线网络的轨道对地过渡电阻检测系统，系统主要包括后台主机、无线传感器、中央处理单元、恒流电源、显示控制单元等，可实现多数据同时采集、无线数据传输、自动计算、触摸屏显示与控制等功能。

（2）充分考虑轨道对地过渡电阻检测系统的无线传感器从机硬件部分的兼容性与检测效果，通过信号放大单元模块、电压抬升处理及线性隔离单元等满足单片机数模转换对电压的范围要求及检测效果。

（3）通过严格的逻辑控制功能保证检测系统的高稳定性与可靠性，继而使用触摸屏实现大量数据分类直观显示，最大地体现出人机交互以及界面友好的优越性。