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基于ZigBee技術(shù)的接觸網(wǎng)檢修作業(yè)掛接地線監(jiān)測裝置的研究

劉家軍，熊磊，林麗妲，張?zhí)?br/>（西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院，陜西西安710048）

摘要：電氣化鐵路的高速發(fā)展使其接觸網(wǎng)檢修作業(yè)呈現(xiàn)明顯的大分散性、長距離、通信及維護(hù)困難等特點(diǎn)。接觸網(wǎng)檢修作業(yè)在山區(qū)、隧道等無GPRS網(wǎng)絡(luò)覆蓋地區(qū)，信息很難傳遞給供電調(diào)度中心，使調(diào)度人員無法監(jiān)控現(xiàn)場作業(yè)的具體情況，造成漏掛地線及帶地線送電等不必要的安全事故。針對(duì)此類問題，設(shè)計(jì)了一種結(jié)合ZigBee技術(shù)、視頻圖像技術(shù)以及GPS技術(shù)的接觸網(wǎng)檢修作業(yè)掛接地線監(jiān)測裝置。該裝置以短信和彩信的形式收集作業(yè)現(xiàn)場地線掛接狀態(tài)、位置及現(xiàn)場作業(yè)圖片等信息，在GPRS網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地區(qū)，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸信息，在無GPRS網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地區(qū)，則通過ZigBee自組網(wǎng)絡(luò)通道進(jìn)行傳送，當(dāng)信息傳送到GPRS網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)時(shí)，經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換，使信息附加到可以遠(yuǎn)程通信的GPRS網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)信息實(shí)時(shí)可靠的傳輸給供電調(diào)度中心。該裝置可有效解決通信盲區(qū)問題，可靠保證作業(yè)現(xiàn)場與調(diào)度中心的通信，防止誤送電及帶電掛接地線的發(fā)生，保護(hù)人身及設(shè)備安全，提高接觸網(wǎng)檢修作業(yè)的信息化水平。

關(guān)鍵詞：接觸網(wǎng)檢修作業(yè)；掛接地線；GPRS網(wǎng)絡(luò)；ZigBee技術(shù)

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

接觸網(wǎng)在電氣化鐵路的運(yùn)行中扮演著重要的角色，它負(fù)責(zé)把牽引變電所獲得的電能直接供給列車。隨著我國電氣化鐵路的高速發(fā)展，越來越多的鐵路建設(shè)在地形復(fù)雜的地區(qū)，如山區(qū)、隧道等無網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地方。為了保障電氣化鐵道高速有效的運(yùn)輸優(yōu)勢，首先要確保接觸網(wǎng)處在良好的工作狀態(tài)，接觸網(wǎng)的日常檢查維修工作是保證運(yùn)輸安全的重要措施和手段[1]，而掛接地線又是接觸網(wǎng)停電檢修安全保障的必要環(huán)節(jié)[2]，其可以防止突然來電對(duì)人體的傷害及設(shè)備的損壞?，F(xiàn)階段接觸網(wǎng)檢修作業(yè)現(xiàn)場和調(diào)度部門之間的通信方式主要是通過電話進(jìn)行，即GPRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。對(duì)于山區(qū)、隧道等無GPRS網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地方，造成檢修作業(yè)現(xiàn)場和調(diào)度部門的通信困難，調(diào)度部門不能準(zhǔn)確下發(fā)停送電命令。因此，目前的掛接地線管理系統(tǒng)在可靠性、實(shí)時(shí)性及工作效率等方面都不能滿足電氣化鐵道的需要，不僅檢修作業(yè)效率低，而且存在通信盲區(qū)，使調(diào)度中心無法直觀地監(jiān)測現(xiàn)場工作信息，地線作業(yè)管理系統(tǒng)存在著很大的漏洞和誤操作等安全隱患。

針對(duì)以上問題，本文開發(fā)了一種基于ZigBee技術(shù)的接觸網(wǎng)檢修作業(yè)掛接地線監(jiān)測裝置，該監(jiān)測裝置在GPRS網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域，可直接通過GPRS網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳送地線掛接狀態(tài)等信息至供電調(diào)度中心；而在環(huán)境復(fù)雜，GPRS網(wǎng)絡(luò)不易建立的監(jiān)測區(qū)域，系統(tǒng)可在監(jiān)測區(qū)域的小范圍內(nèi)，構(gòu)建一個(gè)短程通信的無線局域網(wǎng)絡(luò)，即ZigBee自組網(wǎng)絡(luò)，通過這種無線網(wǎng)絡(luò)傳輸信息，當(dāng)信息傳送到GPRS網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)時(shí)，裝置啟動(dòng)GPRS模塊，并將ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送來的信息通過GPRS網(wǎng)絡(luò)繼續(xù)傳送，使信息實(shí)時(shí)可靠的傳輸給供電調(diào)度中心。

1裝置的總體設(shè)計(jì)方案及工作原理

本裝置主要由核心處理器、GPRS模塊、圖像采集模塊、GPS模塊、ZigBee模塊組成，核心處理器芯片采用ATmega1280單片機(jī)，完成對(duì)各個(gè)模塊的控制、數(shù)據(jù)處理以及模塊之間的配合；GPRS模塊型號(hào)為TR800/Q2358C，實(shí)現(xiàn)短信的發(fā)送的功能；圖像采集模塊為ZSV-01P串口攝像頭，采集現(xiàn)場圖像并通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸；GPS模塊型號(hào)為U-BLOX6，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場檢修位置的定位并傳輸數(shù)據(jù)的功能；ZigBee模塊采用TI公司的CC2530F256，構(gòu)建裝置的自組網(wǎng)絡(luò)并傳輸監(jiān)測狀態(tài)數(shù)據(jù)。除此之外，該裝置還包括超聲頭、顯示與鍵盤輸入模塊、電源模塊及無線遙控模塊等。裝置硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

基于ZigBee技術(shù)的接觸網(wǎng)檢修作業(yè)掛接地線監(jiān)測裝置的工作流程如圖2所示，當(dāng)接觸網(wǎng)進(jìn)行停電檢修時(shí)，將裝置安裝在便攜式接地線的絕緣桿上并扣掛于檢修線路上，裝置通過ZigBee模塊建立ZigBee自組網(wǎng)絡(luò)通道；通過顯示與鍵盤輸入模塊設(shè)定接收信息的手機(jī)號(hào)碼及裝置內(nèi)部允許工作的溫度值，并將信息存儲(chǔ)在EEPROM中（也可以不更改原設(shè)定值）；地線狀態(tài)檢測傳感器模塊判斷地線的掛接狀態(tài)（掛上或者摘除）；圖像采集模塊采集作業(yè)現(xiàn)場圖像；GPS模塊采集位置信息，經(jīng)過以上步驟再將地線掛接狀態(tài)信息、圖像信息、位置信息傳輸給處理器芯片。在GPRS網(wǎng)絡(luò)覆蓋的區(qū)域，處理器芯片從EEPROM中讀取預(yù)先設(shè)置的電話號(hào)碼，驅(qū)動(dòng)GPRS無線通信模塊將地線掛接狀態(tài)短信、圖像信息和位置信息通過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到調(diào)度端信息收集裝置上及預(yù)先設(shè)定的手機(jī)上。而在無GPRS網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地區(qū)，處理器芯片則驅(qū)動(dòng)ZigBee無線通信模塊將地線掛接狀態(tài)短信、圖像信息和位置信息通過ZigBee自組網(wǎng)絡(luò)通道進(jìn)行傳送，當(dāng)信息傳送到GPRS網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)時(shí)，經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換，使信息附加到可以遠(yuǎn)程通信的GPRS網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)信息實(shí)時(shí)可靠的傳輸。無線遙控模塊通過遙控電源模塊控制裝置的開關(guān)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，使裝置在不方便人員現(xiàn)場開啟的情況下，依然能夠進(jìn)行現(xiàn)場接地線狀態(tài)的監(jiān)控。

圖1基于ZigBee技術(shù)的接觸網(wǎng)檢修作業(yè)掛接地線監(jiān)測裝置Fig. 1 The monitoring device of the grounding line of the maintenance operations in the overhead line system based on ZigBee technology

圖2裝置工作流程圖Fig. 2 The flow chart of device working

2裝置的硬件設(shè)計(jì)

2.1地線監(jiān)測傳感器模塊

本文地線監(jiān)測傳感器模塊的超聲波測距選用的是壓電式收發(fā)分體超聲波傳感器T/R40一16（型號(hào)中的T代表發(fā)送，R代表接收，40則表示頻率是40 kHz，16表示其外徑尺寸，以毫米計(jì)）。超聲波傳感器由壓電晶片、錐形喇叭、底座、引線、金屬外殼及屏蔽網(wǎng)組成。其中，壓電晶片是傳感器的核心，錐形喇叭使發(fā)射和接收超聲波的能量集中，并使傳感器有一定的指向角，金屬網(wǎng)可防止外界力量對(duì)壓電晶片和錐形喇叭的損害，金屬網(wǎng)也起保護(hù)作用，但不影響發(fā)射和接收超聲波[3]。

由于采用的是全封閉性的防水超聲頭，超聲頭發(fā)送所產(chǎn)生的超聲波信號(hào)需要穿透封閉的金屬外殼才能傳輸出去，依靠電源所提供的5 V電壓是不能驅(qū)動(dòng)密封的防水型超聲波傳感器的，因此必須在電路中加入一款升壓變壓器來升壓，以便使電路中的電壓局部升高，這樣就可以使得超聲波傳感器正常穩(wěn)定的工作。經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)測量證明，當(dāng)發(fā)射電壓與脈沖變壓器匝數(shù)比為10∶1時(shí)，發(fā)射電壓最大，此時(shí)可以實(shí)現(xiàn)與超聲波阻抗相匹配，發(fā)射功率也將達(dá)到最大[4]。

2.2 ZigBee模塊

本裝置所選用的ZigBee模塊采用的是TI（德州儀器）公司的CC2530F256作為核心芯片。CC2530F256是用于2.4 GHz IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE應(yīng)用的一個(gè)真正的片上系統(tǒng)解決方案。它僅需要非常低的材料成本便可以建立起很強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。結(jié)合RF收發(fā)器的優(yōu)良性能，可有多種運(yùn)作方式，特別適用于低能耗的設(shè)備系統(tǒng)。

ZigBee模塊的串口0與系統(tǒng)主控芯片上的串口3相連，以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。由于ATmega1280的電源工作電壓是5 V，而ZigBee模塊的工作電壓是3.3 V，因此串口之間不能直接相連，為了保證ZigBee模塊能夠正常穩(wěn)定的與ATmega1280控制芯片之間進(jìn)行串口通信，本文采用電阻分壓法和三極管將主控芯片的串口和ZigBee模塊搭載的單片機(jī)的串口連接起來，以解決數(shù)據(jù)之間的發(fā)送與接收的匹配問題。最終電路設(shè)計(jì)方案如圖3所示，其中PJ0：RXD3、PJ1：TXD3（這2個(gè)接口是ATmega1280芯片上的串口3）；P02：RX0、P03：TX0（這兩個(gè)接口是ZigBee模塊搭載的單片機(jī)上的串口0）。

2.3其他模塊

本裝置所采用的處理器芯片ATmega1280是ATMEL公司于2005年推出的一款低能耗、高性能的高檔8位AVR閃存微處理器[5]，該芯片具有先進(jìn)的指令集及單周期指令執(zhí)行時(shí)間，數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1 MIPS/ MHz，從而可以在高速地處理大量數(shù)據(jù)的同時(shí)，達(dá)到緩減芯片在處理速度與功耗之間的矛盾[6]。

GPRS/GSM模塊型號(hào)為TR800/Q2358C，它支持四頻（GSM850、EGSM900、DCS1800、PCS1900），同時(shí)也兼容ESTI GSM Phase2+的標(biāo)準(zhǔn)，正常的工作電壓在3.4～5.5 V之間，而且體積小巧、功耗極低，很適合電池供電的應(yīng)用。TR800在正常工作時(shí)，可實(shí)現(xiàn)通信功能，如打電話、發(fā)送短信等，滿足本裝置所采集的各類信息在GPRS網(wǎng)絡(luò)下實(shí)時(shí)發(fā)送的要求。

圖像采集模塊為ZSV-01P串口攝像頭，它是一個(gè)內(nèi)含有拍攝控制、視頻捕捉、圖像數(shù)據(jù)采集、圖像JPEG壓縮、串口通訊等功能的齊全的工業(yè)用圖像采集設(shè)備?？刹杉F(xiàn)場作業(yè)圖像并通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸。

GPS模塊型號(hào)為U-BLOX6，其體積小，集成度高，硬件簡單，定位速度極快，在30～40 s內(nèi)便可完成搜星任務(wù)。采用u-blox最新的微弱信號(hào)獲取技術(shù)，此技術(shù)可以確保采用這種模組的設(shè)備在任何可以接收到信號(hào)的位置及各種尺寸的天線都可以獲得最佳的定位性能，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場檢修作業(yè)位置的定位。

圖3 ZigBee與ATmega1280串口連接圖Fig. 3 Diagram of connection between ZigBee and ATmega1280 serial

3裝置的軟件設(shè)計(jì)

本裝置的核心控制系統(tǒng)軟件開發(fā)是以CodeVision AVR作為開發(fā)平臺(tái)。

3.1主程序

裝置的主程序流程如圖4所示。在本裝置設(shè)計(jì)的主控板上加入了多個(gè)外圍設(shè)備的接口，包括TR800模塊接口、攝像頭模塊接口、GPS模塊接口、ZigBee模塊接口、超聲波傳感器的接口等。在編寫主程序時(shí)，首先對(duì)I/O接口進(jìn)行初始化，再對(duì)主控芯片的串口、中斷進(jìn)行初始化，最后進(jìn)入到主循環(huán)。本裝置設(shè)計(jì)都是集于模塊化設(shè)計(jì)，因此主循環(huán)就是按順序?qū)Ω鱾€(gè)子程序的調(diào)用及控制。

圖4主程序流程圖Fig. 4 The flow chart of the main program

由于本設(shè)計(jì)主要是通過超聲頭測距來判斷接地線掛接狀態(tài)，因此在執(zhí)行完初始化任務(wù)之后，進(jìn)入while循環(huán)重復(fù)執(zhí)行，以監(jiān)測某個(gè)參數(shù)或者等待中斷到來。

3.2超聲波傳感器測距程序

本裝置主要是通過超聲頭測距來判斷接地線掛接狀態(tài)，并控制信息和ZigBee路由器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸。超聲波測距程序流程，如圖5所示。

3.3 ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸

ZigBee技術(shù)是一種具有強(qiáng)大的組網(wǎng)能力的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它有多種網(wǎng)絡(luò)通信方式，主要包括單點(diǎn)傳送方式、廣播傳送方式、間接傳送以及綁定方式等。本文采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的綁定組網(wǎng)通信方式，實(shí)現(xiàn)終端節(jié)點(diǎn)或路由節(jié)點(diǎn)不斷的采集掛接地線狀態(tài)數(shù)據(jù)并可靠的發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器上。

3.3.1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)建立

一個(gè)完整ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信機(jī)制的建立首先是由網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)，然后路由器節(jié)點(diǎn)或者終端設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)。圖6描述了網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡(luò)的流程。圖7描述了終端設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)的流程。由圖可以看出，根據(jù)Z-Stack協(xié)議，協(xié)調(diào)器或終端及路由器的各目錄之間的功能調(diào)度配合實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的建立和通信要求。

圖5超聲波測距程序流程圖Fig. 5 The flow chart of the ultrasonic ranging program

圖6 ZigBee協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡(luò)流程圖Fig. 6 The flow chart of the network established by the ZigBee coordinator

3.3.2掛接地線狀態(tài)在ZigBee串口無線透傳

串口透傳數(shù)據(jù)是指將基于ATmega1280控制芯片的下位機(jī)與ZigBee模塊之間進(jìn)行信息交換的數(shù)據(jù)格式，沒有嚴(yán)格的數(shù)據(jù)協(xié)議限制，像指令字頭、結(jié)束符等數(shù)據(jù)包信息，只要下位機(jī)核心處理器的串口輸出有數(shù)據(jù)，則ZigBee模塊就能夠把串口發(fā)送來的數(shù)據(jù)以無線傳輸?shù)姆绞骄幋a發(fā)送出去。當(dāng)ZigBee接收模塊接收到ZigBee發(fā)射模塊發(fā)送來的無線數(shù)據(jù)信號(hào)后進(jìn)行解碼，再把解碼后的數(shù)據(jù)按照發(fā)送端的格式要求從串口輸出。若要在協(xié)議棧下實(shí)現(xiàn)串口的無線透傳，必須要增加一個(gè)事件處理任務(wù)，即增加一個(gè)任務(wù)處理函數(shù)。圖8描述了串口數(shù)據(jù)傳輸過程。

圖7終端設(shè)備加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)的流程圖Fig. 7 The flow chart of the terminal equipmentjoining the ZigBee network

圖8 ZigBee串口傳遞數(shù)據(jù)示意圖Fig. 8 The diagram of ZigBee serial transmission data

4　結(jié)論

本文開發(fā)了一種基于ZigBee技術(shù)的接觸網(wǎng)檢修作業(yè)掛接地線監(jiān)測裝置，通過結(jié)合ZigBee自組網(wǎng)絡(luò)和GPRS網(wǎng)絡(luò)兩種通信方式，將地線作業(yè)的信息全面實(shí)時(shí)可靠的發(fā)送給調(diào)度中心。解決了現(xiàn)有的接觸網(wǎng)檢修作業(yè)時(shí)存在通信盲區(qū)的問題，在通訊異常的情況下，可通過ZigBee自組網(wǎng)絡(luò)與GPRS網(wǎng)絡(luò)相配合獲取目標(biāo)接地線的實(shí)際掛接狀態(tài)信息，提高了掛接地線管理系統(tǒng)的可靠性和實(shí)時(shí)性，極大減少了誤操作等安全隱患。本裝置已經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)運(yùn)行且達(dá)到預(yù)期結(jié)果。

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劉家軍（1967—），男，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究領(lǐng)域?yàn)殡娏ο到y(tǒng)自動(dòng)化。

（編輯李沈）

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

作者簡介：

收稿日期：2015-06-08。

基金項(xiàng)目：陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程計(jì)劃項(xiàng)目（2013KTCQ01-14）。

文章編號(hào)：1674- 3814（2016）02- 0058- 05

中圖分類號(hào)：TM764

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A