基于LoRa的轨道交通非接触式供电装置监测系统设计

王旭亿,严冬松,高崧菀,胡文娟,许嘉沐

(1.暨南大学能源电力研究中心,广东珠海 519070;2.暨南大学国际能源学院,广东珠海 519070;3.暨南大学轨道交通研究院,广东珠海 519070;4.广东省电气与智能控制工程技术研究中心,广东珠海 519070)

0 引言

传统轨道交通供电存在接触损耗、机械磨损等问题[1-2],而非接触式供电装置是一种利用电磁感应原理实现无线供电的新型装置,具有安全、可靠、节能等优点,可以有效解决机械磨损等问题。非接触式供电系统由发射装置和接收装置组成[3],2个装置之间利用磁场耦合接收电磁场中传输的电能信号,并将其转换为直流电压或电流以便为设备供电。目前,国内关于非接触式供电装置的应用研究尚处于初级阶段[4-5]。为了科研人员深入探索供电设备的传输效率和安全性,对非接触式供电设备的运行过程进行监测是必要的,这也为后续的技术创新提供了基础支撑。

无线传能系统存在电磁辐射的安全隐患[6-8],该种辐射会引起电路内部的电子器件产生寄生效应、性能下降等问题,同时也会对环境和人体造成热效应、生物效应等危害。鉴于LoRa技术在远距离、低功耗和抗干扰方面都具有非常突出的优势[9],在恶劣环境下仍能够稳定传输数据,为有效确保监测系统的安全性和可靠性,本文提出一种基于LoRa技术的轨道交通非接触式供电装置监测系统。该系统能够稳定监测非接触式供电装置的运行状态,并提供实时监测、历史查询和异常报警等实用功能。

1 系统总体设计

轨道交通非接触式供电系统由高频逆变模块、整流稳压模块等组成,如图1所示。为了保证供电系统能够持续稳定运行,必须对其能量传输状态进行持续、全面监测,并建立有效的预警系统,对能量传输装置的监测是必要的。

图1 轨道交通非接触式供电系统图

监测系统使用Client/Server架构,包括物理层、传输层、应用层3部分,结构框图如图2所示。物理层以STM32F103ZET6微处理器为核心,集成电压采集模块、电流采集模块、温度采集模块设计了数据采集节点,对设备进行实时采集和监测。传输层利用LoRa作为组网技术,数据采集节点监测的数据通过LoRa通讯模块将数据传输到LoRa网关,LoRa网关利用TCP/IP协议与网络服务器建立连接,将数据存储到服务器上。应用层主要提供了监测系统的管理和控制,管理员可以通过监测平台查看非接触式供电装置的运行状态。

图2 监测系统结构框图

2 系统硬件设计

硬件是监测系统的物理核心,系统以STM32F103ZET6作为微处理器,利用传感器对设备状态进行采样。硬件电路设计图如图3所示。主要由STM32F103ZET6芯片、LoRa通信模块、温度传感器等组成。

图3 系统硬件电路设计图

2.1 LoRa通信模块选型

LoRa通信电路是监测系统的重要模块[10],实验采用LoRa星型组网模组型号为WH-L102-L-C 的通信模块,该模块采用SX1278芯片,可以低功耗实现超长距离通信,广泛应用于工业物联网系统中。该模块是1个支持集中器通信协议的低频半双工 LoRa 模块,具有功率密度集中、抗干扰能力强的优势,且可以实现多个设备之间的相互通讯,方便系统的集中管理和控制。此通讯模块采用主动上报数据传输模式,只需要使用到WH-L102-L-C模块的5个引脚。其中,引脚M0接收输入信号,为了数据采集节点保持定时发送模式的工作状态,该引脚直接与3.3 V的电源相接,以此保持高电平。

2.2 电压采集模块选型

电压采集电路采用型号FK-DZU-500V霍尔电压传感器,该传感器精度为0.2%,能将500 V以内输入值转为等比例模拟量。当被测电路中通过的电流发生变化时,会在霍尔元件中产生磁场,进而引起霍尔电势,从而使输出电压信号产生相应的变化,电压输出前通过降压电路转化到范围为0～3.3 V的电压,并通过ADC传输到微处理器内部。ADC将模拟信号转化为数字信号后提供给微处理器处理[11]。

2.3 电流采集模块选型

选用型号MIK-HRI-20A霍尔传感器对电流进行采集,其测量范围为-20～+20 A,精度为0.5%,为保证其正常工作,需要24 V的辅助电源。该传感器具备诸多优点,如抗干扰能力强、响应速度快等。此外,该传感器还具有防短路、输入过载保护以及三端隔离等特点。该传感器采用霍尔效应将测量电流转换为与之成比例的电压信号,经过降压电路后,该信号被直接输入微处理器的ADC模块进行数字化处理和分析。

2.4 温度采集模块选型

温度传感器型号为DS18B20,该传感器只需要1个端口引脚即可完成数据传输,且采样精度高,不需要外置电源,使用非常方便。DS18B20工作电压范围为3.0～5.5 V,测量温度范围在-55～+125 ℃,测量误差为±0.5 ℃,使用时需遵循DS18B20的读写时序和温度采集协议,否则可能导致通信错误、数据丢失、温度偏差等问题,影响数据读取准确性。每个DS18B20拥有独立序列号[12],采用单总线的方式可以在I/O接口上挂载多个DS18B20,实验将2个温度传感器共用1条总线,将测量值通过引脚PG11传输到MCU。

3 系统程序设计

系统程序设计包括节点采集程序设计和监测终端程序设计。节点采集程序选用Keil uVision5作为集成开发环境,使用C语言对STM32单片机进行编程。监测终端程序则采用Qt Creator作为IDE,使用Qt和C++语言进行开发。

3.1 节点采集程序设计

通电后,STM32首先对系统模块进行初始化,然后检测是否有外部中断发生。如果检测到中断请求,STM32会进入中断服务程序,对收到的指令进行解析和验证,并根据指令内容执行相应的操作。如果STM32没有检测到中断请求,则会自动执行数据采集任务,测量电压、电流、温度等数据。最后,STM32通过LoRa模块按照预设的通信协议定时向LoRa网关发送处理和封装好的数据包。节点采集程序设计流程如图4所示。

图4 节点采集程序设计流程图

3.2 监测终端程序设计

监测终端程序通过在软件界面输入IP地址和端口号,打开监听功能,与LoRa网关建立TCP连接。连接成功后,监测终端程序接收LoRa网关发送的数据,并先将数据缓存到Redis中,然后再将数据存储到数据库中。利用Redis的高并发性、内存操作等优势[13],下位机可以灵活地增加或减少监测节点,以适应工业环境的变化。系统提供一个可视化界面,用户可以在界面上设置各个参数的阈值,并查看实时更新的数值和动态折线图。如果收集到的数据超过阈值,系统会弹出窗口提示风险情况。监测终端程序设计流程如图5所示。

图5 监测终端程序设计流程图

4 系统测试

为了验证系统的可行性和性能,本文使用西南交通大学国家重点实验室研发的非接触牵引供电轨道模拟系统实验平台进行了实验测试。实验中,选取了6组非接触式供电装置作为监测对象,分别安装数据监测节点,并与LoRa网关进行通信。实验目的是评估系统的通信质量、数据准确性2个指标。实验的方法是分别在不同的距离、环境、工作模式下对系统进行测试,并记录相关的数据和结果。

4.1 通信质量测试

在轨道交通线路上选取不同的传输距离连续发送300个数据包,测量数据监测节点和LoRa网关设备之间的通信距离,并记录成功率和时延。实验结果表明:在交通测试线路上,数据监测节点与网关设备之间的最大通信距离可以达到1.2 km,在此范围内,通信成功率达到99.33%。通信质量测量表如表1所示。

表1 通信质量测量表

4.2 数据准确性测试

在非接触式供电装置正常工作时,打开监测系统对供电设备进行监测,在同一时刻,使用有线仪表对其电压、电流、温度3个参数进行测量,并比较两者的差异和误差。实验结果表明:在数据监测节点正常工作时,系统测量的电压、电流、温度结果与有线仪表测量的结果基本一致,误差在0.4%以内。表2数据表明系统能够精确采集供电设备的参数,符合使用需求。

表2 系统误差统计表

5 结束语

本文提出了一种基于LoRa技术的轨道交通非接触式供电装置监测系统设计方案。该系统能够实现远距离、低功耗、实时的数据采集和传输,从而提高供电设备的安全性和可靠性。本文从硬件和软件两方面详细介绍了系统的设计方法和实现过程,并在实际的非接触式供电装置上进行了测试实验,验证了系统的通信质量和数据准确性。实验结果表明:该系统能够稳定地监测非接触式供电装置的运行状态,具有高通信成功率、低时延和低测量误差。本文的工作为轨道交通非接触式供电装置的监测提供了一种新的解决方案,也为未来的技术创新和应用拓展奠定了基础。