基于無線單片機(jī)的鐵路鋼軌監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：根據(jù)鐵路系統(tǒng)的發(fā)展要求，探究一種基于無線單片機(jī)的鐵路鋼軌無線監(jiān)測的方案，用傳感器節(jié)點(diǎn)代替人工在現(xiàn)場采集鋼軌的數(shù)據(jù)，通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送給監(jiān)控中心，來監(jiān)控鋼軌是否出現(xiàn)異常。本方案將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于鋼軌監(jiān)測，大大減輕了工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

關(guān)鍵詞：無縫鋼軌；無線單片機(jī)；無線傳感器

中圖分類號(hào)：TP274文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1674-7712 (2014) 08-0000-01

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，我國的鐵路事業(yè)呈現(xiàn)日新月異的局面。近年，鐵路系統(tǒng)中，無縫鋼軌以其線路養(yǎng)護(hù)維修費(fèi)用低、列車行駛平穩(wěn)性好和使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛的應(yīng)用。但在環(huán)境溫度變化時(shí)，鋼軌由于熱脹冷縮而產(chǎn)生形變甚至被拉斷，從而造成經(jīng)濟(jì)損失甚至危害人民生命安全。本文立足于鐵路系統(tǒng)安全發(fā)展，利用功能強(qiáng)大的無線片上系統(tǒng)解決方案探究一種無縫鋼軌遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，對(duì)鋼軌進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)無線傳輸?shù)奖O(jiān)控中心的計(jì)算機(jī)，在節(jié)省人力資源的同時(shí)，也大幅度提高了巡查工作的效率和精確度。

在該系統(tǒng)中，在無縫鋼軌上布設(shè)大量的具有監(jiān)測功能的傳感器節(jié)點(diǎn)，這些傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測對(duì)象的監(jiān)測，通過自組織的形式促成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，監(jiān)測數(shù)據(jù)通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)送出去。通過互聯(lián)網(wǎng)的作用，將數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)控中心，這樣就實(shí)現(xiàn)了無縫鋼軌遠(yuǎn)程監(jiān)測，如圖1所示。

圖1

一、傳感器節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)及工作原理

傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件部分實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集及發(fā)射功能，節(jié)點(diǎn)的功能主要由無線單片機(jī)完成，節(jié)點(diǎn)框圖如圖2所示。由無線單片機(jī)控制靈敏位移表和溫度傳感器，采集鋼軌數(shù)據(jù)，并對(duì)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，之后將數(shù)據(jù)通過無線單片機(jī)的發(fā)射模塊發(fā)射出去，通過網(wǎng)絡(luò)傳送給控制中心的接收端，送數(shù)據(jù)給上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將還原后的數(shù)據(jù)送顯及存儲(chǔ)，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)鋼軌各項(xiàng)參數(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

由無線單片機(jī)控制溫度傳感器采集鋼軌的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，并對(duì)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，之后將數(shù)據(jù)通過發(fā)射模塊發(fā)射出去。這里，需要提及的是，溫度傳感器可以直接與無線單片機(jī)連接在一起，而靈敏位移表需要與無線單片機(jī)通過串口連接。本系統(tǒng)在單片機(jī)中有一定容量的E2PROM，可以滿足采集數(shù)據(jù)的即時(shí)存取以及保存采集的數(shù)據(jù)，以方便數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)以及調(diào)用。

圖2傳感器節(jié)點(diǎn)組成框圖

單片機(jī)選用美國德州儀器(TI)公司的CC2530，它的內(nèi)部集成了一個(gè)8位增強(qiáng)型8051微控制器MCU，可充分兼容2.4GHz的IEEE802.15.4無線收發(fā)器，8KB的讀寫存儲(chǔ)器SRAM，F(xiàn)lash內(nèi)存的大小可以從32~256KB，還包含了模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）、4個(gè)定時(shí)器、高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)協(xié)同處理、看門狗定時(shí)器（watchdog Timer）、睡眠定時(shí)器（Sleep Timer）、上電復(fù)位電路（power on Reset）、掉電檢測電路（Brown OutDete-Ction）以及21個(gè)可編程I/O端口。這些資源為實(shí)現(xiàn)低成本、低功耗、低速率和短距離的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)提供了極好的條件。

二、數(shù)據(jù)收發(fā)與傳輸

CC253X系列設(shè)備提供了IEEE802.15.4兼容的無線電收發(fā)器和RF內(nèi)核控制模擬無線模塊，并提供了MCU和無線設(shè)備之間的接口，使MCU可以發(fā)出命令、讀取狀態(tài)等操作。當(dāng)一項(xiàng)數(shù)據(jù)從源傳感器節(jié)點(diǎn)將要傳到目的節(jié)點(diǎn)時(shí)需要通過建立無線傳感網(wǎng)實(shí)現(xiàn)傳輸過程。組建一個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)，我們可以使用ZigBee協(xié)議棧提供的API函數(shù)進(jìn)行應(yīng)用程序的開發(fā)，進(jìn)行數(shù)據(jù)通信可調(diào)用協(xié)議棧中組網(wǎng)函數(shù)，在應(yīng)用程序中加入組網(wǎng)的有關(guān)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的建立與節(jié)點(diǎn)的加入。建立網(wǎng)絡(luò)后主要的任務(wù)就是在節(jié)點(diǎn)之間傳送數(shù)據(jù)，當(dāng)一個(gè)設(shè)備要發(fā)送數(shù)據(jù)到另一個(gè)設(shè)備時(shí)，可調(diào)用協(xié)議棧中的無線數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送。接收數(shù)據(jù)的設(shè)備方面，就需調(diào)用無線數(shù)據(jù)的接收函數(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的正確接收。

三、監(jiān)控中心接收及數(shù)據(jù)處理

監(jiān)控中心接收來自互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)，主要是通過PC機(jī)進(jìn)行軟件方面的控制和處理。任務(wù)管理中心的計(jì)算機(jī)接收到遠(yuǎn)程發(fā)射過來的信息后將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，并判斷數(shù)據(jù)的合法性，如合法則計(jì)算出相應(yīng)的應(yīng)力，之后判斷是否超出安全范圍，如超出則送顯的同時(shí)報(bào)警，未超出則只將數(shù)據(jù)送顯。

四、結(jié)束語

本文提出一種對(duì)鐵路鋼軌進(jìn)行遠(yuǎn)距離監(jiān)控的設(shè)計(jì)方案，利用CC2530實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離無線發(fā)送與接收，把前端現(xiàn)場的工作全部交給傳感器來完成，測得的數(shù)據(jù)都存入相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，相比傳統(tǒng)的實(shí)地人工檢測和文本記錄方法，本文的方法測得的數(shù)據(jù)精度更高，數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、管理更有條理，而且方便隨時(shí)查看，同時(shí)此項(xiàng)工作的效率也大幅提高，改善了工作人員的工作環(huán)境，使他們足不出戶便可以實(shí)時(shí)了解鋼軌的各項(xiàng)參數(shù)。如今無線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣泛，加之可以和現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)相連，所以可以達(dá)到對(duì)鐵路的全面覆蓋，本文的方法將無線通信技術(shù)應(yīng)用到鐵路系統(tǒng)中，這也符合鐵路系統(tǒng)現(xiàn)代化的發(fā)展方向。

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[作者簡介]蔣吉娟（1984.03-），女，黑龍江海倫人，碩士研究生，助教，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)方向；苗鳳娟（1982.11-），女，黑龍江人，博士，副教授，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)方向；惠鵬飛（1980.04-），男，遼寧人，碩士，講師，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)方向。