基于磁致伸縮換能器的鐵軌無線監測系統設計

呂咸耀，左 瑩，程衛平，李開宇，吳 寅

(1.南京航空航天大學自動化學院，江蘇南京 210016;2.中國航空工業第602研究所第11室，江西景德鎮 333001)

基于磁致伸縮換能器的鐵軌無線監測系統設計

呂咸耀1，左 瑩1，程衛平2，李開宇1，吳 寅1

(1.南京航空航天大學自動化學院，江蘇南京 210016;2.中國航空工業第602研究所第11室，江西景德鎮 333001)

為保障鐵路系統安全、可靠運行，基于監測節點的布置特點，提出一種基于鐵軌壓力的逆磁致伸縮換能器，其采能效率可達32.6 mW，能夠滿足節點需要。同時設計了一套基于CC2430+GPRS的鐵軌應力無線監測系統，詳細闡述了監測中心節點和終端節點的軟硬件設計，并根據節點的布局特點，采用雙協調器進行間歇組網。通過車站的現場試驗，測得系統的最大單跳距離約為60 m，數據傳輸成功率達96%以上，同時該系統能夠平衡各節點的能量消耗，有效的增加了其壽命。

逆磁致伸縮;鐵軌應力監測;無線傳感器網絡;CC2430;GPRS

為了保障鐵路系統的安全、可靠運行，使用無線傳感器網絡技術實現鐵軌狀態的數字化、網絡化、分布式遠程實時動態監測是未來的發展趨勢［1－2］。

鐵軌狀態監測節點具有大空間范圍分布的特點，無法用物理連線為無線監測節點提供電源。因此，持續、安全可靠的電源供給是大范圍分布無線傳感器網絡面臨的技術挑戰。基于列車運行時產生巨大壓力能量的事實，文中提出采用基于磁致伸縮材料的新型壓電換能器，將鐵軌的壓力能量轉化為電能。針對鐵軌的特定工作環境進行換能器采能結構設計優化，并通過理論計算及Ansys仿真，比較其與壓電換能器的性能，驗證其可行性。

同時，基于磁致伸縮換能器的自供電情況，設計了一套基于CC2430+GPRS的鐵軌應力無線監測系統。通過安裝在鐵軌沿線的無線傳感器節點，實時采集傳感物理量和當前時間等關鍵數據，以多跳方式將數據包及時發送至監控中心節點。然后，通過GPRS將數據發送到無線公網，再經服務器處理計算后得出監測指標，對鐵軌及列車狀態進行實時監測。

1 基于大功率磁致伸縮材料壓電換能器

稀土超磁致伸縮材料(GMM)具有機械響應快、功率密度高、響應頻帶寬等優點。能量密度遠高于壓電材料，是目前在物理作用下應變值最高、能量最大的材料［4］。通過施加壓縮應力，最大可使磁通量密度改變1T以上，使感應線圈內產生感應電壓，輸出至后級整流橋及功率調理電路，將能量存儲于電池等能量存儲管理電路，給無線節點穩定供電。

文中所設計的磁致伸縮換能器結構如圖1所示，將4片25 mm×7.5 mm的圓柱狀GMM并在一起，且在每片GMM上繞有50匝線圈，并相互串聯，以提高發電電壓。在GMM中間采用NdFeB材料的永磁體為GMM提供偏磁場，并為防止磁泄漏，使用磁性能良好的軟磁材料做軛鐵。提供偏磁的大小應使GMM恰好進入應變－磁場曲線的Ⅱ區域［5］。即當負載作用時，能夠增強GMM的力感知能力。同時，在GMM的上下面粘貼帶有徑向開槽的金屬帽，一方面使應力均勻地分布在整個GMM上，使得更大體積的GMM產生電能。另一方面能夠承受更高幅值和頻率的力，有利于提高換能器的發電能力，并起到保護GMM的作用。最后，通過Ansys仿真圖可看出開槽能夠有效的減小殘余應力，而換能器性能參數中，殘余應力對機電耦合系數的影響最大，從而進一步增強換能器發電能力。

圖2 環向應力分布圖

當列車經過時，對換能器施加壓力，磁通量隨之周期性變化，進而線圈中產生感應電動勢。上外殼與底座之間有一間隙，由于模塊內的緩沖彈簧使間隙始終保持在一個相對固定的間隙尺寸，列車正常壓力不會使間隙閉合。只有當列車壓力異常或突發過壓力時此間隙才閉合，以限制更大的壓力損壞殼內的GMM，從而保護了GMM及其內部電氣線路。上外殼包含并蓋住下面的底座，以防止雨水滲入殼內。

現所使用的國產GMM的磁致伸縮系數q一般＞1 000×10－6。一節列車重量達50～90 t，經現場測試，加載在換能器上的力F≈1.25×104N。根據機械應力與壓力的關系:σ=F/A，得機械應力σ。可根據磁致伸縮方程:

根據法拉第電磁感應定律得感應線圈的感應電壓

可得感應電壓為3.906 V，計算得其采能效率為32.6 mW。

經計算，每次傳輸需要的能量大約為300 mA·s。通過能量管理策略的調度，完全能夠滿足鐵路部門監測數據的需要。

仿真軟件中無專門的解決磁致伸縮機電耦合問題的模塊。由于磁致伸縮方程與壓電方程為同一形式，因此通過壓磁—壓電比擬法進行求解。這種方法的優點是推導過程直接、簡捷，輸入參量和提取的變量可參考壓電耦合分析中的處理辦法，且容易導出利用輸出數據結果［6］。文中通過Ansys仿真如圖3所示，在壓力為F=mg=1.25×104N時，其最大磁場強度B=0.648 T，與數學模型所得結論基本相同。同時，文中采用同等條件的壓電材料進行仿真，經仿真計算可得其采能效率為4.35 mW。可進一步證明該方案的可行性。

圖3 壓電、磁致伸縮材料仿真圖

然后將所采集電能通過后級調理及管理電路將電能儲存在充電電池或超級電容中，對無線傳感節點進行供電，以實時監測鐵軌的各種狀態信息。采用文獻［7］中所描述的后級調理及儲能電路。

2 系統整體設計

該系統主要由監測中心節點和終端節點組成。終端節點通過鐵軌上的應力傳感器采集壓力等數據，通過自組織方式組建無線網絡，其采用串狀組網方式，監測中心節點位于網絡兩端。數據沿節點逐跳地進行傳輸至監控中心節點，并在固定收發次數之后斷開網絡更改傳輸方向，數據向另一端監測中心節點匯聚，這能夠有效地平衡各節點的能量消耗。監測中心節點收到各節點信息后通過GPRS網絡進行通信，監測中心計算得出鐵軌及列車運行狀態對鐵軌進行實時監測。其系統設計方案結構如圖4所示。

圖4 系統整體示意圖

3 系統硬件設計

3.1 終端節點硬件設計

監測終端節點主要由傳感器模塊、無線通信模塊和電源模塊組成，如圖5所示。

圖5 節點硬件原理框圖

傳感器模塊采用型號為LC－FBG－GJ的光纖光柵應力傳感器，該傳感器具有穩定性好，適合長期監測等優點。使用時將傳感器焊接在路軌旁，當列車行經有關路段時，光纖感應器會因受壓而改變反射特性而形成數據，從而記錄車輪與路軌之間的應力情況。

無線通信模塊采用TI公司的CC2430－F128單片機:其包括了2.4 GHz DSSS射頻收發器和高性能、低功耗的8051微處理器核，芯片在接收和發射模式下，電流損耗分別低于27 mA或25 mA［9］。同時，由于該系統節點安裝于鐵軌沿線，電磁干擾較為嚴重，故使用了TI公司的功率放大芯片CC2591，其可以與CC2430實現無縫連接。

而電源模塊采用前面所說的磁致伸縮換能器采集振動能量，并通過電源管理模塊對節點進行供電。

3.2 監測中心節點硬件設計

監測中心節點由無線通信模塊、控制中心和GPRS通信模塊組成。無線通信模塊與控制中心通過串口RS232通行。

圖6 監測中心節點原理框圖

無線通信模塊與終端節點相同，在此就不再介紹。控制中心采用ARM公司推出的STM32系列增強型MCU。該MCU使用ARM的Cortex－M3內核，該內核具有3段流水線，可在單周期內完成32位乘法等優點。同時具有優秀的功耗控制，在以72 MHz的全速運行時，處理器消耗27 mA的電流。待機狀態時，典型耗電值為 2 μA。

GPRS通信模塊采用SIMCOM公司的SIM300CZ模塊。具有低功耗設計，睡眠模式下的電流消耗僅為2.5 mA。且內部集成了TCP/IP協議棧，使用戶利用該模塊開發變得簡單、方便。

4 系統軟件設計

由于鐵軌這一特定環境，致使監測系統各節點的能量消耗嚴重不均勻。越接近監測中心的節點數據傳輸量越大，導致其壽命短，使整個網絡不能正常工作。針對該現象，系統在網絡兩端布置兩個監測中心節點，如圖4所示，在通信固定次數后，上位機通過GPRS控制兩個中心節點輪流工作，更改傳輸方向。同時，節點在非工作階段進入睡眠模式。

4.1 檢測中心節點軟件設計

監測中心節點由無線通信模塊和GPRS通信模塊組成。無線通信模塊實現兩方面功能:一方面組建無線網絡，接收各個節點數據。另一方面將數據存儲后等待中斷，通過串口將其傳輸到STM32中，通過GPRS將數據發送到網絡端。工作流程如圖7所示。

圖7 監測中心節點程序流程圖

首先協調器對各信道能量執行掃描，尋找空閑信道建立新網絡，同時為新網絡選擇一個唯一的PAN標識符，并為自身選擇一個16 bit的網絡地址(MAC短地址)，當有終端節點加入網絡時，協調器分配一個唯一的網絡地址。完成后啟動任務循環，以中斷的形式接收來自串口的控制命令和無線節點的信息幀。開啟recedate()任務，接收各節點傳來的消息，并將數據包拆包后存儲在Flash中對應位置，并記錄接收數據次數，達到30次后，通知 STM32并斷開網絡。開啟DateSTM32()，接收串口命令，根據各種命令進行各種操作，當command=senddate時，通過串口傳輸數據包;command=disconet時，監測中心節點斷開網絡;command=netform時，重新初始化，進行組網。

STM32處理器通過串口，發送指令接收數據建包，通過向GPRS模塊寫入AT指令，將數據進行發送。在遠程監控端的上位機中運行應用軟件，調控GPRS遠程數據傳輸系統，進行數據的接收和存儲。

4.2 終端節點軟件設計

終端節點主要負責采集并向監測中心節點傳輸鐵軌壓力等數據。當無數據收發時，轉入休眠模式，盡量減少節點功耗。其工作流程圖如圖8所示。

圖8 終端節點程序流程圖

5 實驗測試及分析

由于鐵軌現場環境中存在金屬支架和移動車輛造成的各種電磁干擾，無線信號傳輸距離受到一定限制。針對該情況，在上海局南翔車站做了小規模測試。

實驗在車站教練車間中進行，使用了5個終端節點與兩個監測中心節點共7個節點做測試。數據采集周期為每分鐘采1次。喚醒通信周期為1 min中的前15 s，其余時間節點休眠。

同時，利用VC++平臺開發了上位機測試軟件，用于上位機的實時監測。監測中心節點通過GPRS將數據發送到無線公網，移動基站獲取到GPRS信號后再將其轉到Internet，然后通過該測試軟件，能夠實時顯示各監測中心節點發來的數據。實現對鐵軌及列車狀態進行實時監測。其測試軟件界面如圖9所示。

圖9 遠程GPRS數據監測平臺

整體而言，雖然節點均采用了功率放大芯片來增強無線射頻通信距離，但由于各種干擾，節點的現場最大單跳穩定通信距離約為60 m，數據傳輸成功率則可達96%以上，滿足監測指標。同時，如表1所示，經過連續3天實驗后，檢測5個終端節點的電池電量剩余量顯示，該方案能夠有效地平衡該網絡中各節點的能量消耗，進而有效地增加網絡的可持續運行時間。

表1 試驗后節點空載電量值比較

6 結束語

文中介紹的基于磁致伸縮換能器自供電的鐵軌壓力狀態監測系統，是通過無線傳感器網絡數據采集節點獲取所需的壓力參數，利用監測中心節點收集的參數，并以GPRS無線通信的方式，將數據經由移動基站和Internet網絡送至遠程監控服務器。經實踐測試，該系統實現了以無線網絡的方式對鐵軌壓力的監測，具有一定的應用前景。

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Design of a Railway Track Wireless Monitoring System Based on the Magnetostrictive Transducer

Lü Xianyao1，ZUO Ying1，CHENG Weiping2，LI Kaiyu1，WU Yin1
(1.College of Automation，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China;2.Eleventh Unit，China Helicopter Research and Development Institute，Jingdezhen 333001，China)

In order to ensure the safe and reliable operation of the railway system，this paper designs a new type of inverse magnetostrictive transducer which converts energy from the pressure of railway steel based on the layout conditions of monitoring nodes，and this transducer can meet the needs of nodes with its conversion efficiency reaching 32.6 mW.This paper also presents a railway steel pressure monitoring system based on CC2430+GPRS.The hardware and software design of the coordinator and RFD nodes are given.An intermittent network is established using double coordinators.Through the field experiments in a railway station，the largest single jump distance approximates 60 m，and the data transmission success rate is higher than 96%.This system can also balance the energy consumption of each node，effectively increasing its life.

inverse magnetostrictive;WSNs;railway monitoring system;CC2430;GPRS

TP873.2

A

1007－7820(2012)08－110－05

2012-02-11

南京航空航天大學大學生創新性實驗計劃基金資助項目(20110107108805)

李開宇(1969—)，男，博士，副教授.研究方向:傳感器，無線傳感網。