譚朋柳,周 樂(lè),冒蘇敏

(南昌航空大學(xué)，江西 南昌 330000)

基于GPRS的接觸網(wǎng)補(bǔ)償裝置遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

譚朋柳,周 樂(lè),冒蘇敏

(南昌航空大學(xué)，江西 南昌 330000)

為準(zhǔn)確、及時(shí)地發(fā)現(xiàn)鐵路接觸網(wǎng)補(bǔ)償裝置的故障，文中通過(guò)監(jiān)測(cè)接觸網(wǎng)環(huán)境溫度及承力索、接觸線的長(zhǎng)度變化來(lái)判斷接觸網(wǎng)補(bǔ)償裝置是否有卡滯現(xiàn)象。該系統(tǒng)以C8051F930芯片作為系統(tǒng)的主控制器，以SIM900A無(wú)線傳輸模塊作為無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的通信節(jié)點(diǎn)，各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間以不同的時(shí)間間隔向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)，結(jié)合GPRS無(wú)線通訊技術(shù)及Web互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將節(jié)點(diǎn)連接到遠(yuǎn)程服務(wù)器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)性能穩(wěn)定，檢測(cè)精度高，滿足相關(guān)設(shè)計(jì)要求。

接觸網(wǎng)；補(bǔ)償裝置；遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)；GPRS；SIM900A

0 引言

隨著列車運(yùn)行速度的提高,鐵路運(yùn)行密度逐步加大,對(duì)牽引供電系統(tǒng)安全可靠性的要求也越來(lái)越高。接觸網(wǎng)是牽引供電系統(tǒng)的重要設(shè)備之一[1-4],運(yùn)行中的接觸網(wǎng)要承受電力機(jī)車以一定的壓力高速接觸摩擦運(yùn)行，再加上通過(guò)接觸網(wǎng)的電流高達(dá)1 000 A以上，接觸網(wǎng)還受拉力、電弧、風(fēng)雪、霧雨及大氣污染的作用，使接觸網(wǎng)晝夜不停地處在振動(dòng)、摩擦、電弧、污染、伸縮的動(dòng)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)之中，一旦發(fā)生故障將中斷行車,擾亂電氣化鐵路的運(yùn)輸秩序,帶來(lái)經(jīng)濟(jì)損失[5]?？焖?、準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)故障，及時(shí)、迅速地進(jìn)行搶修，消除供電事故，最大限度地減少事故影響，是鐵路電氣化區(qū)段運(yùn)行檢修業(yè)界追求的目標(biāo)，是努力提高鐵路服務(wù)質(zhì)量的保障。對(duì)接觸網(wǎng)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)是提高接觸網(wǎng)可靠性的重要方法之一,本文對(duì)接觸網(wǎng)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行研究，提出基于GPRS的接觸網(wǎng)補(bǔ)償裝置遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

隨著大氣溫度的變化，承力索和接觸線會(huì)線性伸長(zhǎng)(或縮短)，通過(guò)監(jiān)測(cè)接觸網(wǎng)所處環(huán)境的溫濕度以及補(bǔ)償墜砣到接觸網(wǎng)下錨支柱之間的位移，對(duì)比不同溫度下的位移變化來(lái)判斷接觸網(wǎng)是否有補(bǔ)償卡滯現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)對(duì)接觸網(wǎng)的監(jiān)測(cè)。接觸網(wǎng)補(bǔ)償裝置遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)安裝在支架和墜砣之間，測(cè)量時(shí)設(shè)備對(duì)接觸網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)影響很小。

基于GPRS的接觸網(wǎng)補(bǔ)償裝置遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，圖中的虛線表示信號(hào)按無(wú)線方式傳輸。系統(tǒng)由無(wú)線采集節(jié)點(diǎn)、GPRS基站、互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器、用戶終端(計(jì)算機(jī))構(gòu)成。該系統(tǒng)的工作過(guò)程是對(duì)溫濕度傳感器和位移傳感器周期性地進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，利用SIM900A模塊通過(guò)基站將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器，計(jì)算機(jī)用戶通過(guò)Internet來(lái)完成對(duì)溫度和位移的監(jiān)測(cè)。

該系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢(shì)：(1)電源及監(jiān)測(cè)模塊不僅能夠提供穩(wěn)定的直流電壓，還能快速地檢測(cè)電源的電壓和通斷情況，確保保存的數(shù)據(jù)不丟失；(2)采用物聯(lián)網(wǎng)[6]卡進(jìn)行GPRS無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，保證數(shù)據(jù)傳輸率和可靠性，所用資費(fèi)比GSM短信資費(fèi)要低。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件主要包含電源模塊、微處理器模塊、GPRS通訊模塊、傳感器等，系統(tǒng)硬件組成如圖2所示。

2.1 電源模塊

電源系統(tǒng)輸入電壓為AC 220 V，輸出12 V為運(yùn)算放大器供電、5 V為外置傳感器供電、4 V為GPRS模塊供電、3.3 V為MCU模塊供電，如圖3所示。穩(wěn)定的電源供電是系統(tǒng)能夠安全并且高效工作的基礎(chǔ)，考慮到接觸網(wǎng)所處環(huán)境惡劣，設(shè)計(jì)時(shí)電源輸入端采用金升陽(yáng)LD10-20B12電源轉(zhuǎn)換模塊[7]將220 V交流電輸入轉(zhuǎn)換為+12 V/1 A

輸出。LD10-20B12是小體積開(kāi)關(guān)電源模塊，具有輸出短路、過(guò)流、過(guò)壓保護(hù)等功能。其EMC及安全規(guī)格滿足國(guó)際IEC/EN61000-4、CISPR11/EN55011、UL60950、EN60601的標(biāo)準(zhǔn)。最重要的是該電源模塊輸出隔離電壓可達(dá) 4 000 V AC ，適用于高隔離及嚴(yán)格電磁兼容的應(yīng)用場(chǎng)合。

多年來(lái)，八師天業(yè)集團(tuán)熱電產(chǎn)業(yè)工會(huì)始終堅(jiān)持緊緊圍繞企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)工作，積極開(kāi)展技能大賽和勞動(dòng)競(jìng)賽，組織動(dòng)員職工參與創(chuàng)新實(shí)踐，不斷提升職工技術(shù)技能，釋放和激發(fā)職工創(chuàng)新活力，以組織開(kāi)展崗位練兵、技能比武等活動(dòng)為抓手，在全產(chǎn)業(yè)掀起學(xué)技術(shù)、比技術(shù)、鉆技術(shù)的熱潮。在廣大干部職工中培育勤學(xué)善思、精益求精的“工匠”精神。

2.2 微處理模板

無(wú)線采集節(jié)點(diǎn)是該系統(tǒng)的核心部件，考慮到系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)合及功能特點(diǎn)，其必須滿足高性能、低功耗、低成本、小體積的要求，同時(shí)便于安裝與維護(hù)。在硬件設(shè)計(jì)時(shí)選用C8051f 930單片機(jī)為微處理器[8]，其與8051內(nèi)核兼容，擴(kuò)展的中斷系統(tǒng)為CIP-51提供多個(gè)中斷源。

MCU模塊負(fù)責(zé)與GPRS通訊、傳感器數(shù)據(jù)采集、電源模塊控制、電源掉電監(jiān)測(cè)等。其中MCU與GPRS通過(guò)串口通訊，與溫度傳感器通過(guò)IO口模擬的I2C接口通訊，通過(guò)IO口采集拉線式位移傳感器輸出的模擬量電壓信號(hào)。

2.3 GPRS通訊模塊

無(wú)線通訊方式包括紅外線、藍(lán)牙、WiFi、ZigBee、GPRS等，但在超過(guò)1 km數(shù)據(jù)傳輸距離中，最可靠、最便捷、最低成本的方式是GPRS。GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)具有覆蓋范圍廣、接入速度快、使用成本低和永遠(yuǎn)在線等特點(diǎn)[9-10]，因此上位機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以及時(shí)地獲取接觸網(wǎng)補(bǔ)償裝置相關(guān)參數(shù)，實(shí)時(shí)分析接觸網(wǎng)補(bǔ)償裝置是否可靠運(yùn)行。GPRS模塊選用希姆通的SIM900A模塊，其內(nèi)部集成多種網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，可以實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音、短信、數(shù)據(jù)等信息的遠(yuǎn)程傳輸，能夠通過(guò)AT指令來(lái)實(shí)現(xiàn)與GPRS網(wǎng)絡(luò)的連接。

GPRS模塊電路如圖4所示，由天線、阻抗匹配電路、SIM卡電路、ESD保護(hù)電路組成。其中RF管腳與50 Ω的射頻天線相連，TXD、RXD管腳分別連接MCU串口接收端和發(fā)送端。系統(tǒng)所用SIM卡為13位物聯(lián)網(wǎng)卡，用戶可以獲取豐富的碼號(hào)資源。且物聯(lián)網(wǎng)具有高質(zhì)量的網(wǎng)絡(luò)性能，通過(guò)建設(shè)物聯(lián)網(wǎng)短信中心、物聯(lián)網(wǎng)GGSN、物聯(lián)網(wǎng)HLR等物聯(lián)網(wǎng)專用網(wǎng)元，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)用戶與大眾用戶的網(wǎng)絡(luò)分離，為行業(yè)客戶提供可靠和穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)。用戶可以通過(guò)應(yīng)用平臺(tái)提供的接口，對(duì)終端的工作狀態(tài)、通信狀態(tài)等進(jìn)行實(shí)時(shí)自主管理。

2.4 防雷擊接口設(shè)計(jì)

電子系統(tǒng)可能會(huì)受到瞬時(shí)過(guò)電壓干擾，這些干擾源主要包括：由于通斷感性負(fù)載或啟停大功率負(fù)載，線路故障等產(chǎn)生的過(guò)電壓，由于雷電等自然現(xiàn)象引起的雷電浪涌[11]。為避免浪涌電壓損害電子設(shè)備，設(shè)計(jì)時(shí)采用箝位保護(hù)器，即保護(hù)器件在擊穿后，其兩端電壓維持在擊穿電壓上不再上升，以箝位的方式起到保護(hù)作用，主要器件是氧化鋅壓敏電阻(MOV)、瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 下位機(jī)程序設(shè)計(jì)

下位機(jī)軟件采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，在Keil 4 C51編譯器下編譯。下位機(jī)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括兩部分：一是單片機(jī)對(duì)電源模塊的控制及數(shù)據(jù)的采集；二是GPRS模塊數(shù)據(jù)傳輸。下位機(jī)軟件功能模塊組成如圖5所示。

3.2 單片機(jī)對(duì)電源模塊的控制及數(shù)據(jù)的采集

為降低功耗，MCU采集一組數(shù)據(jù)后休眠一段時(shí)間再進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，MCU有兩種工作狀態(tài)，即數(shù)據(jù)采集狀態(tài)和休眠狀態(tài)。數(shù)據(jù)采集狀態(tài)下通過(guò)GPIO26打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)，對(duì)外設(shè)模塊供電，進(jìn)行GPRS通訊初始化、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸。休眠狀態(tài)時(shí)通過(guò)GPIO26關(guān)閉電源開(kāi)關(guān)，對(duì)外設(shè)模塊斷電同時(shí)MCU工作在休眠模式。

3.3 GPRS模塊數(shù)據(jù)傳輸

單片機(jī)通過(guò)串口與GPRS模塊交換數(shù)據(jù), 包括串口初始化、寫(xiě)串口數(shù)據(jù)等函數(shù)。讀串口數(shù)據(jù)是通過(guò)中斷來(lái)完成的。在串口函數(shù)基礎(chǔ)上編寫(xiě)GPRS模塊的驅(qū)動(dòng)函數(shù)，控制方法是采用AT命令[12]。主要涉及的命令如表1所示。

GPRS終端和數(shù)據(jù)中心根據(jù)各自的IP地址相互通訊。常用的系統(tǒng)組網(wǎng)方式有3種[13-14]：(1)采用公網(wǎng)固定IP，通訊速度快、運(yùn)行可靠、組網(wǎng)簡(jiǎn)單，但該方式必須擁有固定的IP地址，總體成本較高。(2)采用公網(wǎng)動(dòng)態(tài)IP+DNS域名解析方式，其通訊速度適中、通訊質(zhì)量較為穩(wěn)定、網(wǎng)絡(luò)建設(shè)工作量小、通訊費(fèi)用較低。(3)采用GPRS專線方式，其數(shù)據(jù)安全性好、通訊速度快，但是系統(tǒng)初期建設(shè)成本高?？紤]到系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的條件,本系統(tǒng)采用公網(wǎng)動(dòng)態(tài)IP+DNS域名解析的組網(wǎng)方式。

3.4 上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集時(shí)節(jié)點(diǎn)每隔30 min自動(dòng)進(jìn)行一次采集任務(wù)，并把采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給服務(wù)器。服務(wù)器接收數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中。服務(wù)器設(shè)計(jì)采用Web框架：Struts2+Spring+Hibernate+JSP+JFreeChart，JDK版本為jdk 1.7。數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器平臺(tái)選用MySQL 5.5，其與服務(wù)端監(jiān)測(cè)程序共用同一數(shù)據(jù)庫(kù)，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享[15]。上位機(jī)軟件功能模塊如圖6所示。

4 實(shí)驗(yàn)與應(yīng)用

為驗(yàn)證接觸網(wǎng)補(bǔ)償裝置遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的可行性，分別將拉線式傳感器1和拉線式傳感器2的拉線端固定在承力索和接觸線的墜陀上，傳感器的另一端固定在支架上，現(xiàn)場(chǎng)安裝圖如圖7所示。人工測(cè)量不同時(shí)間點(diǎn)環(huán)境溫度值、拉線式傳感器1和拉線式傳感器2的長(zhǎng)度值，再與Web服務(wù)器監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。測(cè)試結(jié)果顯示傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)較準(zhǔn)確，方案可行。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套完整的接觸網(wǎng)補(bǔ)償裝置遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)以C8051F930芯片作為系統(tǒng)的主控制器，以SIM900A模塊作為無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的通訊節(jié)點(diǎn)，各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間以不同的時(shí)間間隔向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)，結(jié)合GPRS無(wú)線通訊及Web服務(wù)器技術(shù)，將節(jié)點(diǎn)連接到遠(yuǎn)程服務(wù)器。通過(guò)監(jiān)測(cè)環(huán)境溫度及接觸網(wǎng)承力索、接觸線的長(zhǎng)度變化來(lái)判斷接觸網(wǎng)補(bǔ)償裝置是否有卡滯現(xiàn)象。該系統(tǒng)經(jīng)試運(yùn)行，能快速、及時(shí)、準(zhǔn)確地尋找到故障點(diǎn)。

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Design of catenary compensation device remote monitoring system based on GPRS

Tan Pengliu, Zhou Le, Mao Sumin

(Nanchang Hangkong University, Nanchang 330000, China)

In order to find out the fault of railway catenary compensation devices accurately and timely , this paper solves the problem by monitoring the ambient temperature and the length of the catenary. The system uses the C8051F930 chip as the main controller and uses the SIM900A transmission module as a node of wireless communication sensor network. Each node sends data to the server at different time intervals, and combines with GPRS wireless communication technology and Internet Web technology to connect the nodes to the remote server. The experimental result shows that the system has stable performance and high detection precision, which meets the relevant design requirements.

catenary; compensation devices; remote monitoring system; GPRS; SIM900A

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61364023);航空基金資助項(xiàng)目(2013ZD56008);江西省教育廳科技項(xiàng)目(GJJ13516)

TN806

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.05.002

譚朋柳,周樂(lè),冒蘇敏.基于GPRS的接觸網(wǎng)補(bǔ)償裝置遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(5)：4-7,10.

2016-11-07)

譚朋柳(1975-)，男，博士，副教授，主要研究方向：CPS、WSN。

周樂(lè)(1987-)，男，碩士研究生，主要研究方向：WSN。

冒蘇敏(1990-)，男，碩士研究生，主要研究方向：WSN。