基于ARM和GPRS的高鐵雨棚振動響應監測系統

楊 昕，安曉靜

(石家莊鐵道大學 電氣與電子工程學院，河北 石家莊 050043)

隨著高速鐵路的快速發展，與傳統“候車室”車站相比，樣式新穎、形式輕盈及“站、棚一體化”的大跨度無站臺柱鋼結構的雨棚客站設計模式備受青睞。與此同時，這種結構模式一體化的高鐵無柱雨棚，由于其高(十幾米甚至二十米往上)、大(面積幾萬至十幾萬平米)、闊(覆蓋整個站臺和車站)等結構因素的限制，以及易受列車運行的振動和強氣流影響，日常難以鋪設線路對高鐵雨棚振動響應進行監測，存在諸多安全隱患[1-2]。近年來,在高鐵車站運營過程中，高鐵車站無柱雨棚事故時有發生。2012年3月23日，京滬高鐵線天津南站出現雨棚屋面板墜落，部分懸掛在接觸網上，造成接觸網停電事故，中斷行車3小時16分。針對當前高鐵雨棚振動監測系統成本昂貴、鋪線困難、高空作業危險、日常缺乏對雨棚振動進行有效監測的現狀，從實際角度出發，考慮成本、實際測量環境以及實現難易程度等因素，設計了一種基于樹莓派的高鐵雨棚振動響應監測系統，本系統以價格低廉的樹莓派作為中心控制器，再結合低成本的GPRS無線網絡通信技術和阿里云服務器，實現對高鐵雨棚日常振動以及風致振動下雨棚狀態響應信息的監測。與傳統的測量方法相比，具有成本和技術的優勢。

1 系統設計與體系結構

本監測系統結構如圖1，主要由前端數據采集模塊和后端控制模塊構成。前端采集模塊主要包括振動模塊和中心處理模塊，其中，選取ARM系列的樹莓派作為主控制器，用于驅動振動模塊MPU6050，實現對高速鐵路雨棚振動響應信息的獲??；控制模塊主要由主控制器樹莓派與GPRS模塊、服務器模塊組成，完成對各振動參數數據的接收和處理[3]，顯示雨棚振動參數實時狀態以及與服務器之間建立通信。

用戶可通過PC端和智能手機登錄阿里云服務器公網IP，實時觀測高鐵雨棚振動響應情況及變化趨勢，如自然風狀態下、列車高速行駛下雨棚風致振動響應情況。并獲取相關數據進行振動響應的研究與分析。

2 系統硬件設計

2.1 振動模塊

加速度傳感器通過測量質量塊所承受的慣性力，然后依據牛頓定律獲得加速度值。本系統物體振動模塊選取全球首例集成六軸傳感器的運動處理組件MPU6050[4]，由三軸陀螺儀和三軸加速度計組成，分別采用三個16位ADC，將測量的模擬量轉化輸出為數字量。本實驗針對采集高鐵雨棚振動響應數據，只需使用其三軸加速度傳感器。

2.2 樹莓派

在本系統中，數據采集的核心是基于linux系統的嵌入式卡片電腦：樹莓派3b+，此版本樹莓派在前版的基礎上添加集成Wi-Fi芯片和藍牙芯片，為樹莓派接入無線網絡，搭建物聯網提供便利[5-6]。此外，還提供了連接各種傳感器擴充的40個GPIO針腳和SPI總線、攝像頭、HDMI視頻接口以及麥克風接口，并支持C、C++、Python、php、Java等一系列編程語言。

2.3 GPRS通信模塊

無線通信模塊采用GPRS網絡實現數據通信，由于高鐵雨棚自身環境因素限制，如高鐵車站客流量大、距離地面較高、高鐵車站Wi-Fi信號不穩定、高鐵車站禁止閑雜人等長期逗留，難以做到長期人工現場實時監測。因此GPRS無線傳輸就成了本系統設計的重點。在系統中，通信模塊選擇微雪公司生產的SIM868無線傳輸模塊，此模塊結合了GPS、GPRS/GSM、LBS基站定位、藍牙數據傳輸等功能。完美實現與樹莓派對接，同時具有接口豐富、功能穩定、抗干擾性強、外圍電路集成度高、尺寸較小等優點。

3 系統軟件設計

本小節搭建樹莓派測試平臺，實現樹莓派驅動加速度模塊、GPRS無線通信模塊，在阿里云服務器端實現LAMP網站架構，通過GPRS模塊與服務器建立遠程通信，將數據寫入MySQL中，軟件的流程如圖2 所示。其中樹莓派通過Python驅動MPU6050獲取并存儲記錄振動加速度數據；在進行GPRS無線傳輸時，為確保數據的完整性，樹莓派在空閑時間段通過Python腳本驅動GPRS傳輸記錄的數據。

3.1 控制器主程序設計

樹莓派支持多種操作系統，在使用前首先通過外擴的SD卡燒寫所選用的系統，以確保樹莓派正常啟動。在本實驗中，選取基于Debian的Raspbian操作系統，此系統具有完整的TCP、HTTP等協議。當系統燒錄完畢后，查找樹莓派動態IP，通過SSH遠程連接進入樹莓派VNC界面，進行樹莓派核心模塊安裝配置：主要包括核心庫函數bcm2835、python語言、i2c-tooli2c內核驅動、vim編輯器、minicom調試串口[7]。

3.2 振動參數軟件設計

樹莓派通過I2C總線連接加速度傳感器MPU6050，在3.1節中，樹莓派已完成I2C的安裝和內核驅動，將樹莓派與MPU6050連接后，在命令窗口下輸入sudo i2cdetect-y 1，用于驗證I2C驅動安裝成功以及MPU6050傳感器是否異常，若檢測到0x68地址處有設備，表明I2C驅動已正常開啟，設備工作正常，樹莓派與MPU6050通信建立完成。通過Python代碼驅動MPU6050，獲取5個重要的參數：id(測試序列號)、x_accel(x軸加速度)、y_accel(y軸加速度)、z_accel(z軸加速度)及time(測試時間)，圖3為樹莓派與MPU6050測試結果圖。

3.3 數據遠程通信設計

基于高鐵車站沒有寬帶網絡或網絡信號不穩定，因此GPRS通信系統是整個軟件設計的關鍵。為實現高鐵雨棚環境下和遠程服務器端的通信，本系統選取微雪公司生產的樹莓派擴展板SIM868通信模塊。在實驗中，GPRS模塊采用HTTP協議[8]進行數據通信。在第一次使用GPRS模塊時，需要對它進行相關AT指令配置，主要包括：模塊網絡注冊、設置網絡參數、初始化HTTP、波特率等[9]。若設置全部正確，此時GPRS模塊將與阿里云服務器建立起HTTP通信協議，實現數據無線傳輸。

3.4 服務器程序設計

本系統采用阿里云服務器作為數據存儲平臺，公網IP地址為47.95.193.51，選用阿里云基于Linux發行版CentOS 7.2 64位的操作系統。當購買此版本服務器后，設置各參數安全組規則，然后通過putty遠程連接進入CentOS版阿里云服務器，進行服務器環境搭建以及phpmyadmin配置，完成服務器的初步配置。

當GPRS模塊試調成功后，通過遠程連接進入阿里云服務器，配置LAMP(Linux、Apach、MySQL、PHP)網站環境[10]，并進行MySQL主機名、數據庫名、數據庫密碼、數據表參數與類型的設置，實現阿里云服務器MySQL配置[11]。最后服務器端編寫程序，接收SIM868通訊模塊發送來的HTTP請求，使用GET方式獲取HTTP請求URL中傳入的變量值，并插入到數據庫中。

4 實驗測試與分析

通過上述硬件與軟件配置，本系統已配置完畢。目前，本監測系統在山東省某高鐵站雨棚二跨吊頂板中心處位置作為測試方位，設置采樣頻率為200 Hz，通過樹莓派Linux系統下的Crontab命令定時獲取列車高峰期內雨棚的振動響應，并上傳至阿里云服務器數據庫中，如圖4所示。

對日常車輛行駛密集時間段進行長期重復監測，確保數據的真實可靠。通過分析監測得到的大量振動加速度響應數據，選取2組不同時間段內具有代表性的數據：

1)通過數據提取進行研究分析，圖5表示自然風狀態和高速列車過站時風致振動下雨棚振動加速度響應變化圖，圖5中橫坐標表示采樣點個數，縱坐標表示加速度幅值，曲線表示雨棚加速度數據變化圖，圖中右側虛線框范圍內的加速度數據為列車從到達到離開時間段內測試數據，時長約6 s。從圖5中可明顯看出，列車經過時間段內以及行駛過后雨棚受到慣性力持續振動作用下的加速度曲線圖以及自然風狀態下雨棚微弱的振動加速度曲線圖。

2)在高鐵車站手持測速儀在站臺邊緣對通行列車進行速度測試，并與實際監測到數據進行時間匹配，研究分析出不同車速經過站臺時雨棚加速度響應的變化規律如圖6所示。

研究表明，列車的駛入和駛出產生了兩次明顯振動，均沿列車開行方向依次振動。振動隨著距正線距離的增大，加速度逐漸減弱，相位延遲逐漸增大。并且振動的效果與列車行駛的車速成正比。

6 結語

本系統從高鐵雨棚監測管理的實際需求出發，克服傳統模式下數據采集困難，尤其在人流密集的高鐵車站環境，人工進行數據采集時存在安全隱患。設計并實現了一種基于ARM和GPRS的遠程高鐵雨棚振動加速度響應監測系統。本系統無需人工操作，可實現雨棚加速度響應信息的自動獲取和上傳，節省大量人力物力。目前本系統只實現了基本功能,在此基礎上可通過添加其他類型傳感器、雨棚多方位測量等對系統進行升級和完善，最終實現多方位多種數據監測，提高系統的完整性和應用性。