鋼軌應(yīng)變實時監(jiān)測節(jié)點研究

摘 要： 為了實現(xiàn)對鋼軌應(yīng)變的遠(yuǎn)距離、實時監(jiān)測，以MSP430F149單片機(jī)為主控制器，結(jié)合ZigBee技術(shù)，設(shè)計了實時監(jiān)測節(jié)點，完成了鋼軌應(yīng)變、溫度的采集及數(shù)據(jù)無線傳輸。將節(jié)點進(jìn)行了實驗室測試和標(biāo)定并將其安裝在某鐵路路段進(jìn)行了實際測試，實際測得的數(shù)據(jù)與理論分析相符，節(jié)點安裝簡單、運行穩(wěn)定、速度快、功耗低，適用于戶外無人值守的惡劣監(jiān)測環(huán)境。

關(guān)鍵詞： 鋼軌應(yīng)變； 無線節(jié)點； 遠(yuǎn)程； 實時監(jiān)測； ZigBee

中圖分類號： TN926?34； TP216.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）19?0135?05

0 引 言

隨著我國鐵路提速戰(zhàn)略的實施及高速鐵路的蓬勃發(fā)展，軌道安全成為人們關(guān)心的熱點。無縫鋼軌利用扣件阻力、道床阻力等外力強(qiáng)制限制其自由伸縮[1]，由于物體的熱脹冷縮效應(yīng)，在鋼軌內(nèi)部會產(chǎn)生很大的縱向溫度力[2?3]。若不能及時、準(zhǔn)確掌握鋼軌溫度力狀況，并對溫度力超限地段及時調(diào)整、放散，就可能發(fā)生斷軌、脹軌跑道等事故，危及行車安全[4?5]。因此，無縫鋼軌溫度力的準(zhǔn)確、實用測量是無縫線路安全狀態(tài)研究中的一個關(guān)鍵課題[6]。

王建文等人利用鋼軌在彈性變形范圍內(nèi)，其側(cè)向撓曲變形與溫度內(nèi)力變化有密切關(guān)系的原理，建模分析了二者的變化規(guī)律，并研制出鋼軌溫度內(nèi)力測試系統(tǒng)[6?7]。彭小丹利用超聲波在彈性體中傳播時，其傳播速度與介質(zhì)的應(yīng)力狀態(tài)之間存在線性關(guān)系的理論，研制了超聲波無縫鋼軌溫度應(yīng)力檢測系統(tǒng)。系統(tǒng)中的超聲波接收電路接收檢測溫度應(yīng)力。系統(tǒng)中的超聲波發(fā)射電路產(chǎn)生的超聲波，經(jīng)鋼軌反射和折射后，由接收電路接收，其后測得其傳播速度，進(jìn)而計算出鋼軌的溫度應(yīng)力[8]。王驍利用鐵磁材料被交變磁場磁化過程中，材料內(nèi)部磁疇錯動產(chǎn)生壁移，向外輻射電磁和聲能量的現(xiàn)象，設(shè)計了巴克豪森噪訊無縫線路檢測儀[9]。澳洲有一種被稱作“RAILSCAN”的檢測方法[10]，是以攝像原理，對軌道斷面相關(guān)部位幾何尺寸的檢測來判斷鋼軌是否因溫度應(yīng)力等原因發(fā)生異常。英國某公司還提出一種被稱作VERSE（Vertical Rail Stiffness Equipment）的測量方法[11]，它是基于抬起鋼軌所需的的垂向力因鋼軌縱向力的不同而不同，從而間接得到鋼軌的溫度應(yīng)力。以上測試方法都對鋼軌的溫度應(yīng)力的測試做了有益的探索，但鋼軌本身作為行車信號的通道，對鋼軌測試時不能影響該信號，故以上測試方法不夠完善，設(shè)備的安裝使用較為復(fù)雜，推廣使用有一定困難。另外，上述溫度應(yīng)力測試裝置都是便攜式儀器，須在無車時對鋼軌進(jìn)行現(xiàn)場測試，無法實現(xiàn)實時遠(yuǎn)程監(jiān)測。

應(yīng)變能準(zhǔn)確反映鋼軌內(nèi)部溫度力的狀況，本文采用應(yīng)變法，結(jié)合無線通信技術(shù)，研制了鋼軌應(yīng)變實時監(jiān)測節(jié)點，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的實時采集及遠(yuǎn)程傳輸。通過高低溫實驗驗證節(jié)點性能，并用標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變模擬儀標(biāo)定節(jié)點，校正其初始值和線性度，最終實現(xiàn)對鋼軌應(yīng)變的實時在線監(jiān)測。實踐證明該方法切實可行，節(jié)點適用于鋼軌線路等封閉性測量環(huán)境。

1 節(jié)點應(yīng)變檢測電路設(shè)計

1.1 測量原理

應(yīng)變與鋼軌溫度變化有直接關(guān)系，故節(jié)點采集應(yīng)變的同時也應(yīng)采集鋼軌的溫度。本文中將應(yīng)變片和溫度傳感器粘貼在鋼軌表面，直接測得鋼軌應(yīng)變和溫度。

在鋼軌軌腰中性軸處粘貼應(yīng)變片，則應(yīng)變片的絲柵隨鋼軌一起發(fā)生長短變化。圖1為應(yīng)變片和節(jié)點內(nèi)的低溫漂電阻組成的全橋橋路。電阻[R1，R2]的低溫漂特性從一定程度上補償溫度變化對測量值的影響，縱向應(yīng)變片[R3]主要測量鋼軌縱向應(yīng)變，而豎向應(yīng)變片[R4]先貼在與被測軌熱脹系數(shù)相同的補償塊上，再將補償塊貼在鋼軌上與鋼軌保持同樣的溫度，用于溫度補償和參照系數(shù)。

在B端給橋路供電，AC兩端的壓差[ΔU]輸出為：

[ΔU=UC-UA=VexcR2+R3×R4-VexcR1+R4×R3=Vexc×R2R4-R1R3R2+R3R1+R4] （1）

當(dāng)鋼軌應(yīng)變發(fā)生變化，應(yīng)變片阻值[R3，R4]變化引起AC兩端壓差變化，經(jīng)過后續(xù)處理單元，計算出鋼軌應(yīng)變的改變量。

1.2 檢測電路設(shè)計

節(jié)點主要由采集單元、無線通信單元和供電單元3部分組成。原理框圖如圖2所示。

采集單元主要實現(xiàn)對橋路信號的放大、濾波等處理，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲，并對控制命令及時響應(yīng)。由于橋路輸出的微小信號易受影響，而橋臂電阻、放大器、濾波器等器件的溫漂不可避免，故本文中選用低溫漂電阻及本身溫度系數(shù)小、性能良好的芯片對模擬信號進(jìn)行處理，盡量減小系統(tǒng)溫漂。選用MSP430系列芯片做CPU，該芯片采用精簡指令結(jié)構(gòu)，執(zhí)行速度快，片內(nèi)含有本文中需要的定時器、串行口、SPI口等資源，并有多種低功耗模式，也可根據(jù)系統(tǒng)運行速度靈活選擇不同頻率的運行時鐘，以降低功耗。而工作于惡劣環(huán)境中的設(shè)備，由于強(qiáng)磁干擾、強(qiáng)輻射等影響，可能會造成程序跑飛，發(fā)生不可預(yù)知的后果。為了防止上述意外發(fā)生，使單片機(jī)可在無人狀態(tài)下連續(xù)穩(wěn)定工作，本系統(tǒng)為微處理器添加看門狗芯片監(jiān)測程序運行狀態(tài)。若程序正常運行，CPU能在規(guī)定時間內(nèi)喂狗，否則看門狗溢出使單片機(jī)復(fù)位。

為了實現(xiàn)對鋼軌應(yīng)變的實時遠(yuǎn)程監(jiān)測，本文選用ZigBee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行節(jié)點數(shù)據(jù)的無線傳輸。該網(wǎng)絡(luò)容量大、功耗低，且網(wǎng)絡(luò)的自組織、自愈能力強(qiáng)。應(yīng)用該網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點與網(wǎng)關(guān)間可自動動態(tài)組網(wǎng)，快速建立連接。其協(xié)議緊湊簡單，對資源要求少，并建立了碰撞避免和應(yīng)答通信機(jī)制，從而避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時的競爭和沖突，保證了傳輸信息的高效和高可靠性。

節(jié)點應(yīng)用于戶外，且要實現(xiàn)全天候監(jiān)測，由于供電不便且節(jié)點進(jìn)行了低功耗設(shè)計，對能源消耗不大，故采用太陽能電池板加蓄電池的方式供電；另外，為了防止雷擊損壞節(jié)點、影響行車信號，在供電模塊中添加避雷裝置，以吸收雷擊時的瞬間高壓，保護(hù)節(jié)點安全。

2 節(jié)點軟件設(shè)計

2.1 軟件設(shè)計總體思路

系統(tǒng)軟件設(shè)計總體思路如圖3所示，采用模塊化程序設(shè)計方案，程序分為外部接口模塊、處理函數(shù)模塊及內(nèi)存模塊。外部接口模塊主要完成對節(jié)點外部接口的操作，如對ZigBee和外部傳感器的初始化、供電控制等。處理函數(shù)為節(jié)點的外部接口模塊和內(nèi)存模塊的連接部分，主要完成對ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，包括按照協(xié)議對接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、組織待發(fā)送數(shù)據(jù)，及按照設(shè)置的采樣參數(shù)采集傳感器數(shù)據(jù)；對數(shù)據(jù)的管理本文視為內(nèi)存管理，如對ZigBee網(wǎng)絡(luò)中接收的數(shù)據(jù)、待發(fā)送到無線網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行暫存，及對節(jié)點運行參數(shù)和傳感器數(shù)據(jù)的存儲，以便后續(xù)處理。

2.2 節(jié)點與網(wǎng)關(guān)間通信協(xié)議設(shè)計

2.2.1 總體協(xié)議

節(jié)點與網(wǎng)關(guān)通信協(xié)議如圖4所示，本文對原有的ZigBee協(xié)議進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，增加了節(jié)點數(shù)據(jù)的起始符，使網(wǎng)關(guān)能快速區(qū)分其檢測到的ZigBee設(shè)備是否屬于本系統(tǒng)，而對系統(tǒng)外設(shè)備的數(shù)據(jù)，則進(jìn)行剔除，防止數(shù)據(jù)混亂。

節(jié)點的ID號與其安裝位置一一對應(yīng)，采集的數(shù)據(jù)較多需分包傳輸，并且對數(shù)據(jù)的查詢、分析等操作依賴于時間信息。基于以上原因，節(jié)點傳輸?shù)臄?shù)據(jù)中除應(yīng)變、溫度數(shù)據(jù)外，還有節(jié)點ID號、本次數(shù)據(jù)采樣起始時間、總共發(fā)送的包數(shù)、當(dāng)前包號等附加信息，方便對數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)解析、分析等處理。

該協(xié)議中利用幀長度而非特定結(jié)束符判斷幀是否結(jié)束，防止采集數(shù)據(jù)中恰好出現(xiàn)結(jié)束符導(dǎo)致后續(xù)解析錯誤。為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)母呖煽啃裕捎秒p重校驗，對于整幀數(shù)據(jù)采用簡單和校驗，對于節(jié)點數(shù)據(jù)采用高效差錯控制的CRC法校驗。本文按半字節(jié)進(jìn)行CRC校驗，既不會占用太多內(nèi)存，又不至于影響處理速度。

2.2.2 數(shù)據(jù)靜態(tài)組包動態(tài)發(fā)送策略及自動補包機(jī)制

發(fā)送的一幀數(shù)據(jù)中，必須包含ZigBee協(xié)議中規(guī)定的字節(jié)。數(shù)據(jù)包過短會造成資源浪費，而數(shù)據(jù)包過長又會導(dǎo)致數(shù)據(jù)不易發(fā)送成功。經(jīng)測試，每個數(shù)據(jù)包發(fā)送成功所需的時間和該數(shù)據(jù)包長度有關(guān)，數(shù)據(jù)包長度為80～120 B時，發(fā)送成功所需的時間最短，而通信質(zhì)量差時，即便數(shù)據(jù)包長度很短，也不易發(fā)送成功，故本文中采用靜態(tài)組包動態(tài)發(fā)送策略。即數(shù)據(jù)包長度固定，節(jié)點自動檢測當(dāng)前通信質(zhì)量，并根據(jù)鏈路質(zhì)量及網(wǎng)關(guān)的回應(yīng)信息，自動調(diào)整每包發(fā)送次數(shù)及發(fā)送相鄰的數(shù)據(jù)包時的間隔時間。

若傳輸過程中，有數(shù)據(jù)包丟失，則要對本次數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行補包處理。每包數(shù)據(jù)達(dá)到最多發(fā)送次數(shù)，仍未發(fā)送成功，則記錄該包的包號，待全部數(shù)據(jù)包發(fā)送完成后，進(jìn)行補包。丟包較少時，只重發(fā)網(wǎng)關(guān)未接收成功的數(shù)據(jù)包；若丟包超過總數(shù)據(jù)包的[13，]則為減少網(wǎng)關(guān)補包后重新組包的工作，節(jié)點自動檢測通信質(zhì)量，適合發(fā)送數(shù)據(jù)時，將全部數(shù)據(jù)包重新上傳。

2.3 FLASH分塊管理策略

節(jié)點采用外部FLASH保存采集的傳感器數(shù)據(jù)和用戶配置的參數(shù)等重要信息，防止意外掉電時數(shù)據(jù)丟失。因FLASH的擦除次數(shù)有限，故應(yīng)合理規(guī)劃數(shù)據(jù)的存儲機(jī)制，以盡量保證磨損均勻，提高FLASH的使用壽命，保證數(shù)據(jù)安全可靠。本文中采用分塊管理的方法，將各塊按其存儲狀態(tài)進(jìn)行管理。空白塊用于保存下次節(jié)點采集的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)塊存儲了節(jié)點要向網(wǎng)關(guān)發(fā)送的數(shù)據(jù)，可擦除塊為向網(wǎng)關(guān)發(fā)送成功的數(shù)據(jù)塊。根據(jù)存儲狀態(tài)同時兼顧擦除次數(shù)，將頁編碼排列在鏈表中，用于指示采集的數(shù)據(jù)和待發(fā)送的數(shù)據(jù)的存儲位置，同時依據(jù)存儲狀態(tài)的改變及時調(diào)整鏈表。其過程如圖5所示。

3 節(jié)點測試與結(jié)果

3.1 節(jié)點的高低溫實驗

為了測試溫漂特性，將節(jié)點連接溫度傳感器并用外接電阻替代圖1中的應(yīng)變片，進(jìn)行高低溫測試。溫度循環(huán)設(shè)置為：從40 ℃降到-20 ℃，然后再升高至40 ℃。節(jié)點在-20 ℃、0 ℃、20 ℃及40 ℃分別保持30 min，由一個溫度保持點經(jīng)過30 min到達(dá)下一個設(shè)定溫度，每個循環(huán)周期為6 h。圖6為節(jié)點在高低溫實驗箱內(nèi)，3個溫度循環(huán)周期中測得的應(yīng)變和溫度數(shù)據(jù)。可見應(yīng)變值隨溫度變化而變化，由圖6中應(yīng)變和溫度的最大、最小值可得平均每攝氏度的應(yīng)變變化量為2.7 με，節(jié)點溫漂較小。

3.2 節(jié)點標(biāo)定

理想狀況下，輸入到節(jié)點內(nèi)的應(yīng)變值與節(jié)點測得的應(yīng)變值應(yīng)相同。實際上，由于實驗前電橋不能完全平衡，電路中存在導(dǎo)線電阻，應(yīng)變片靈敏系數(shù)有誤差，元器件存在溫漂等因素的影響，節(jié)點應(yīng)變測量值[εout]與輸入值[εin]不完全相同，而是為式（2）中的線性關(guān)系：

[εout=kεin+b] （2）

式中：[k]為二者的線性系數(shù)；[b]為節(jié)點的應(yīng)變初始值。

為了校正節(jié)點的非線性誤差，提高應(yīng)變數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性，本文將標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變模擬儀作為輸入源，對節(jié)點進(jìn)行標(biāo)定。圖7為節(jié)點和標(biāo)定儀器的工作圖，按照標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變模擬儀的要求，根據(jù)圖1中的橋路連接方法，將其輸出線A、B、C分別連接至節(jié)點的輸入端，替代應(yīng)變片[R3，R4，]組成全橋回路。節(jié)點采集的數(shù)據(jù)發(fā)送至網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)經(jīng)外部接口與電腦相連，然后通過上位機(jī)軟件查看節(jié)點采集的數(shù)據(jù)并計算[k，b]值。

先將應(yīng)變儀對節(jié)點的輸入應(yīng)變調(diào)整為0，待軟件中顯示的節(jié)點應(yīng)變值穩(wěn)定后，多次記錄節(jié)點測得的數(shù)據(jù)，并計算其平均值，作為節(jié)點的[b]值，然后將應(yīng)變儀調(diào)到10 000，按照測得[b]值的方法，依據(jù)式（2）計算并記錄[k值。]其后，分別將計算得的[k，b]平均值作為修正系數(shù)記錄在節(jié)點中。

標(biāo)定前、后節(jié)點的測量值和應(yīng)變儀的標(biāo)準(zhǔn)輸入值的對照見表1，可見標(biāo)定的效果明顯，標(biāo)定后的應(yīng)變測量值和標(biāo)準(zhǔn)值較為接近。

3.3 現(xiàn)場測試

無縫鋼軌溫度力實時監(jiān)測系統(tǒng)工作過程為：節(jié)點安裝在鋼軌上，實時采集鋼軌溫度和應(yīng)變，并通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到網(wǎng)關(guān)，實現(xiàn)無線局域數(shù)據(jù)的傳輸。網(wǎng)關(guān)將接收到的數(shù)據(jù)通過3G網(wǎng)絡(luò)傳送到服務(wù)器并存儲在數(shù)據(jù)庫內(nèi)，使監(jiān)控中心可通過以太網(wǎng)實時遠(yuǎn)程監(jiān)測鋼軌的溫度力狀態(tài)，對故障進(jìn)行預(yù)警和及時處理。整個系統(tǒng)如圖8所示。

將節(jié)點安裝在某鐵路路段進(jìn)行現(xiàn)場實際測試，圖9為監(jiān)控端獲得的4天內(nèi)節(jié)點采集的鋼軌處的應(yīng)變和溫度曲線。可見現(xiàn)場實驗期間，節(jié)點采集的數(shù)據(jù)連續(xù)，節(jié)點運行穩(wěn)定，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實時采集和遠(yuǎn)程傳輸。從圖9中可見，鋼軌應(yīng)變與溫度密切相關(guān)，溫度升高時，鋼軌受壓應(yīng)力，應(yīng)變?yōu)樨?fù)值；溫度降低時，鋼軌受拉應(yīng)力，應(yīng)變?yōu)檎怠嶋H測得的應(yīng)變曲線趨勢鋼軌溫度升高時，壓應(yīng)變增大；鋼軌溫度降低時，拉應(yīng)變增大，與鋼軌實際情況相符。測得的數(shù)據(jù)中，溫度最高時（20.4℃）壓應(yīng)變最大，為-225.6 με；溫度最低時（-9.9 ℃）拉應(yīng)變最大，為127.3 με。

4 結(jié) 論

本文研究的節(jié)點結(jié)構(gòu)簡單、體積小、安裝方便、性能良好，能實現(xiàn)對鋼軌溫度、應(yīng)變的實時、遠(yuǎn)程監(jiān)測。節(jié)點溫漂較小，元器件的溫漂不影響節(jié)點數(shù)據(jù)的正確采集。本文采用數(shù)據(jù)靜態(tài)組包動態(tài)發(fā)送策略、多重校驗方法和模塊化程序設(shè)計，節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸過程中，數(shù)據(jù)丟失及誤傳的現(xiàn)象較少，能在鐵路線路上正常運行，且采集的數(shù)據(jù)連續(xù)。該節(jié)點具有很大實際意義和推廣價值。

注：本文通信作者為劉沖。

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