李中偉 ，卜萬錦 ，張鵬偉 ，關(guān)寶巖 ，劉慧眾

（1.哈爾濱工業(yè)大學 電氣工程系，哈爾濱150001；2.黑龍江瑞興科技股份有限公司，哈爾濱150030）

供電系統(tǒng)接觸網(wǎng)是電氣化鐵路和城市軌道交通的動力來源。當大氣溫度發(fā)生變化時，接觸網(wǎng)線索（接觸線和承力索）受熱脹冷縮的影響會伸長或縮短，從而使線索內(nèi)張力發(fā)生變化，進而使其弛度也發(fā)生變化，最終導(dǎo)致其受流條件惡化，影響電氣化鐵路和城市軌道交通的安全穩(wěn)定運行[1]。因此，需加裝接觸網(wǎng)線索張力補償裝置（又稱張力自動補償器或張力自動補償裝置）。該裝置能夠自動調(diào)整線索的張力并保持線索弛度使其滿足技術(shù)要求，從而使接觸懸掛的穩(wěn)定性與彈性得到改善，提高接觸網(wǎng)運營質(zhì)量。接觸網(wǎng)張力補償裝置是接觸線和承力索在氣溫變化時保持工作張力恒定的重要裝置，其性能好壞直接影響著接觸網(wǎng)的懸掛彈性、接觸網(wǎng)在幾何空間位置的標準狀態(tài)等，對減少弓網(wǎng)故障有著重要意義[2]。

在電氣化鐵路中應(yīng)用比較廣泛的接觸網(wǎng)張力補償裝置主要有滑輪式、棘輪式和彈簧式補償裝置。彈簧補償裝置在我國是一種新型的接觸網(wǎng)張力補償裝置，其具有如下特點：（1）結(jié)構(gòu)緊湊、占用空間?。唬?）重量輕、安裝方便；（3）安全可靠、使用壽命長，且在使用壽命期內(nèi)無需維護；（4）環(huán)保性好、無污染、同時不受電弓尺寸限制。它可對軟橫跨補償?shù)膹埩M行有效的補償，提高軟橫跨系統(tǒng)的可靠性，是接觸網(wǎng)張力補償裝置的發(fā)展方向。但在其實際應(yīng)用過程中，用戶對該裝置在多次動作后其彈簧能否保持足夠彈性或一旦發(fā)生故障如何判定，目前尚缺少一套讓用戶放心的監(jiān)測系統(tǒng)[3]。

為解決目前彈簧補償裝置所面臨的問題，結(jié)合ZigBee技術(shù)的特點，本文設(shè)計了張力監(jiān)測系統(tǒng)手持終端。該手持終端能夠定量顯示彈簧補償裝置線索張力實時變化，為用戶提供實時、量化、可靠的張力數(shù)據(jù)，進而準確判斷線索張力。

1 張力監(jiān)測系統(tǒng)方案設(shè)計與功能確定

我國電氣化鐵路分布區(qū)域廣且線路較長，實現(xiàn)單個彈簧補償裝置對應(yīng)的線索張力監(jiān)測較為容易，但實現(xiàn)整個線路區(qū)段內(nèi)所有彈簧補償裝置對應(yīng)的線索張力監(jiān)測更有必要且具有更為顯著的應(yīng)用價值。無線網(wǎng)絡(luò)具有不用布線、組網(wǎng)容易等先天優(yōu)勢。ZigBee技術(shù)采用IEEE802.15.4標準，利用全球共用的公共頻率2.4 GHz。其應(yīng)用于監(jiān)視、控制網(wǎng)絡(luò)時，具有低成本、低功耗和支持網(wǎng)絡(luò)節(jié)點多等優(yōu)勢，目前被視為替代有線監(jiān)視和控制網(wǎng)絡(luò)最有前景的技術(shù)之一[4-5]。因此，本文選用無線網(wǎng)絡(luò)傳輸信息的方式配置相應(yīng)的張力監(jiān)測節(jié)點實現(xiàn)線索張力監(jiān)測這一功能，基于ZigBee構(gòu)建線索張力監(jiān)測系統(tǒng)，實時監(jiān)測某個區(qū)段內(nèi)所有彈簧補償裝置對應(yīng)的線索張力，判斷彈簧補償裝置工作是否正常，是否需要維修或更換，并利用其張力歷史數(shù)據(jù)分析彈簧補償裝置工作性能變化。

所設(shè)計的基于ZigBee的線索張力監(jiān)測系統(tǒng)主要包括基于ZigBee的張力監(jiān)測節(jié)點、基于ZigBee的手持終端和PC機（上位機），系統(tǒng)連接示意圖如圖1所示。基于ZigBee的張力監(jiān)測節(jié)點內(nèi)的張力傳感器與彈簧補償裝置所連接觸網(wǎng)的接觸線或承力索串聯(lián)，實時測量接觸線或承力索的張力，將測得的張力經(jīng)信號放大器轉(zhuǎn)化為合適的電壓信號，最終通過張力監(jiān)測節(jié)點內(nèi)的ZigBee射頻電路發(fā)送給手持終端。張力監(jiān)測節(jié)點采用電池供電，最長電池更換時間為半年到一年，經(jīng)過防塵、防水處理，能夠可靠工作于室外環(huán)境。張力測量范圍為0～49 kN，測量范圍較寬。手持終端承擔ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器功能，負責ZigBee網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)與維護。手持終端還可以將收集到的張力信號存儲并顯示，最終將這些數(shù)據(jù)發(fā)送給PC機。安裝在PC機上的上位機軟件，即張力監(jiān)測系統(tǒng)軟件，自動完成各個彈簧補償裝置工作是否正常、是否需要維修或更換的判斷，并可進一步統(tǒng)計分析各個彈簧補償裝置工作性能變化。

圖1 系統(tǒng)連接示意Fig.1 Schematic diagram of system connection

2 手持終端硬件設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計

張力監(jiān)測系統(tǒng)手持終端主要由供電單元、Zig-Bee數(shù)據(jù)接收單元、串口數(shù)據(jù)通信單元、單片機數(shù)據(jù)處理單元、人機交互（液晶和鍵盤）單元、數(shù)據(jù)存儲單元、數(shù)據(jù)上傳單元等部分構(gòu)成。實現(xiàn)了無線數(shù)據(jù)的接收、存儲、顯示等，當手持終端與上位機相連時，還能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)上傳功能。

基于ZigBee的手持終端裝置框圖如圖2所示。手持終端采用雙CPU結(jié)構(gòu)，主要包括單片機及其外圍電路和ZigBee及其外圍電路。單片機選用了C8051F020，該單片機具有豐富的I/O口資源，通過交叉開關(guān)可以設(shè)置串口、I2C總線等外設(shè)。ZigBee部分選用了CC2530芯片，射頻部分選用了CC2591擴頻電路。

圖2 基于ZigBee的手持終端裝置框圖Fig.2 Design diagram of handheld terminal based on ZigBee

2.2 C8051F020單片機及其外圍電路

單片機選用了C8051F020。該單片機具有高速、流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容內(nèi)核，豐富的數(shù)字IO資源，支持在線調(diào)試，滿足了手持終端功能要求。C8051F020外圍電路包括時鐘電路、復(fù)位電路、存儲電路、鍵盤及液晶電路、串口電路、串口轉(zhuǎn)USB電路等等。鍵盤及液晶電路主要選用比較常用的矩陣鍵盤和12864液晶實現(xiàn)人機交互。存儲電路中，選用Flash存儲芯片W25X80，與E2PROM相比具有存儲空間大、可擦寫次數(shù)多和壽命長等優(yōu)點?？捎脕泶鎯igBee協(xié)調(diào)器節(jié)點收到的張力數(shù)據(jù)。時鐘電路由PCF8563及其外圍電路組成。單片機的2個串口，一個用于與CC2530進行通信，另一個用于與PC機相連?？紤]到如今大部分PC機幾乎沒有串口，而USB口使用廣泛，所以通過串口轉(zhuǎn)USB芯片與PC機相連。

2.3 ZigBee主要芯片及其外圍電路

ZigBee的新一代核心芯片CC2530與CC2430相比，該芯片的管腳數(shù)更少，具有更卓越的RF性能，更大的存儲空間，更小的封裝尺寸和脈沖反應(yīng)IR（impulse response）產(chǎn)生電路，支持多種協(xié)議如ZigBee PRO、ZigBee RF4CE等[6]。擴頻芯片CC2591是TI公司推出的一款高性能、低成本的RF前端，集成了開關(guān)、電感器、平衡/不平衡網(wǎng)絡(luò)、交換機、匹配網(wǎng)絡(luò)和功率放大器PA（power amplifier）等功能?？蓪⑤敵龉β侍岣?22 dBm，接收靈敏度提高+6 dB。CC2591可與TI公司的所有2.4 GHz RF收發(fā)器、發(fā)送器和SoC連接，大大改善了RF性能，用極少的外圍電路可實現(xiàn)較高輸出功率[7]。

本文ZigBee部分采用CC2530F64芯片，該芯片具有64 KB可編程閃存。ZigBee外圍電路包括復(fù)位電路、串口電路、LED指示燈、仿真器接口和CC2591模塊等。仿真器接口用于將程序下載到CC2530單片機中；串口電路用于將ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點（由CC2530及其外圍電路組成）收到的數(shù)據(jù)傳給另一個CPU（C8051F020）進行處理；LED指示燈用于指示供電狀態(tài)與信息傳輸狀態(tài)；CC2591模塊的應(yīng)用，使張力監(jiān)測節(jié)點數(shù)據(jù)采集的范圍達到500 m以上。

3 手持終端軟件設(shè)計

3.1 手持終端主程序流程

手持終端的主要功能包括接收張力監(jiān)測節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)的處理與存儲、菜單的選擇與液晶的顯示、數(shù)據(jù)的上傳等等。其主程序流程如圖3所示。首先運行初始化程序，包括交叉開關(guān)的設(shè)置、初始時間的設(shè)置等。隨后進行時間的確定（初次使用需要確定時間，后續(xù)使用就不需要確定了）。然后等待數(shù)據(jù)接收，收到數(shù)據(jù)之后再進行液晶的顯示。另外，當手持終端與上位機相連時，還可以使用相應(yīng)的按鍵選擇是否上傳數(shù)據(jù)。

圖3 手持終端主程序流程Fig.3 Flow chart of main program on handheld terminal

3.2 人機交互程序流程

人機交互單元的主要功能是將ZigBee收到的數(shù)據(jù)處理后顯示在液晶上，直觀地顯示系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)的時間、大小以及是否在正常范圍之內(nèi)。該程序主要包括按鍵部分和液晶部分，用戶可以通過按鍵輸入選擇需調(diào)用的菜單選項，也可以調(diào)用液晶程序顯示手持終端處理過的數(shù)據(jù)。人機交互的具體過程如圖4所示，首先進行初始化，然后進行按鍵掃描，判斷是否有按鍵按下。如果沒有按鍵按下，則繼續(xù)進行進行按鍵掃描。如果有按鍵按下，則設(shè)置按鍵標志并判斷是哪個按鍵按下并更改相應(yīng)變量的數(shù)值，同時根據(jù)按鍵標志調(diào)用相應(yīng)的換行、翻頁子程序，最后調(diào)用液晶顯示程序顯示所接收到的數(shù)據(jù)信息。

圖4 人機交互程序流程Fig.4 Flow chart of human-interactive program

3.3 手持終端組網(wǎng)

3.3.1 網(wǎng)絡(luò)拓補結(jié)構(gòu)

ZigBee按其網(wǎng)絡(luò)拓補結(jié)構(gòu)可以分為星型網(wǎng)絡(luò)、樹狀型網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)狀型網(wǎng)絡(luò)3種。星狀網(wǎng)絡(luò)由1個個人局域網(wǎng)PAN（personal area network）協(xié)調(diào)器節(jié)點和多個終端節(jié)點組成，只存在PAN協(xié)調(diào)器與終端的通信，終端設(shè)備間的通信都需通過PAN協(xié)調(diào)器的轉(zhuǎn)發(fā)，星型網(wǎng)絡(luò)中最多可以有255個節(jié)點。樹狀網(wǎng)絡(luò)由1個協(xié)調(diào)器節(jié)點和1個或多個星狀結(jié)構(gòu)連接而成，設(shè)備除了能與自己的父節(jié)點或子節(jié)點進行點對點直接通信外，其他只能通過樹狀路由完成消息傳輸。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)是在樹狀網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上實現(xiàn)的，與樹狀網(wǎng)絡(luò)不同的是，它允許網(wǎng)絡(luò)中所有具有路由功能的節(jié)點直接互連，由路由器中的路由表實現(xiàn)消息的網(wǎng)狀路由。該拓撲的優(yōu)點是減少了消息延時，增強了可靠性，缺點是需要更多的存儲空間開銷。樹形網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)狀型網(wǎng)絡(luò)最多可以有65535個節(jié)點。

3.3.2 ZigBee組網(wǎng)

在ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)中，星形網(wǎng)絡(luò)布線方便、容易擴展，成為本系統(tǒng)使用的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。在一個星型的局域網(wǎng)絡(luò)內(nèi)有且僅有1個協(xié)調(diào)器節(jié)點，多個終端節(jié)點和路由器節(jié)點。2.4 GHz的射頻頻段被分為16個獨立的信道，協(xié)調(diào)器節(jié)點上電之后，掃描自己的默認信道集并選擇噪聲最小的信道作為自己所建網(wǎng)絡(luò)的信道；另外，還要選一個不同的網(wǎng)絡(luò)號（PAN ID，有效范圍為 0～0x3FFF），這兩者用來區(qū)分其他的ZigBee網(wǎng)絡(luò)。協(xié)調(diào)器節(jié)點主要是在建立網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)配置方面起作用。一旦網(wǎng)絡(luò)建立，協(xié)調(diào)器節(jié)點就與路由器節(jié)點的功能一致，即允許其他設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)，多跳路由和協(xié)助它自己的由電池供電的終端節(jié)點的通信。終端節(jié)點沒有特定的維持網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的功能，只需要加入已經(jīng)建立好的網(wǎng)絡(luò)即可。終端節(jié)點和路由器節(jié)點也要掃描默認信道，并向默認信道上已經(jīng)存在的網(wǎng)絡(luò)發(fā)出進網(wǎng)申請，如果這個網(wǎng)絡(luò)中還有剩余地址，協(xié)調(diào)器節(jié)點就會同意申請，路由節(jié)點和終端節(jié)點就可以加入這個網(wǎng)絡(luò)。協(xié)調(diào)器節(jié)點給它們分配好地址，這樣一個局域網(wǎng)就組建完成了。

3.3.3 網(wǎng)絡(luò)地址

ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的地址分為2種：一種是IEEE物理地址，一種是網(wǎng)絡(luò)地址。每個ZigBee設(shè)備都有一個64位的IEEE長地址，即MAC地址。物理地址是在出廠的時候初始化的，它是全球唯一的。當一個ZigBee節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)時，它的IEEE地址不能與網(wǎng)絡(luò)中現(xiàn)有節(jié)點的IEEE地址沖突，且不能為0xFFFFFFFFFFFFFFFF。網(wǎng)絡(luò)地址也稱短地址，通常用16位的短地址來標識自身和識別對方，對于協(xié)調(diào)器節(jié)點來說，短地址始終為0x0000，對于路由器和節(jié)點來說，短地址由其所在網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器分配。

3.3.4 手持終端組網(wǎng)程序流程

手持終端中的ZigBee部分，作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器節(jié)點，有組建網(wǎng)絡(luò)與維護網(wǎng)絡(luò)的作用，具體流程如圖5所示。首先，協(xié)調(diào)器節(jié)點搜索可用的信道，選擇噪聲最小的信道組建自己的網(wǎng)絡(luò)；然后，協(xié)調(diào)器節(jié)點等待終端節(jié)點（張力監(jiān)測節(jié)點）加入網(wǎng)絡(luò)，并為其分配地址；這樣，協(xié)調(diào)器節(jié)點就可以與終端節(jié)點進行數(shù)據(jù)通信了。另外，手持終端作為雙CPU設(shè)備，還可以將收集到的信息進行處理并顯示。

圖5 ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點組網(wǎng)程序流程Fig.5 Flow chart of net program on the ZigBee coordinator node

4 結(jié)語

本文分析了鐵路接觸網(wǎng)線索張力監(jiān)測系統(tǒng)的主要功能，以C8051F020單片機為核心，結(jié)合Zig-Bee芯片CC2530設(shè)計了張力監(jiān)測系統(tǒng)手持終端，完成了硬件電路的設(shè)計，通過軟件編程進行了相應(yīng)功能的實現(xiàn)。該手持終端能夠接收張力監(jiān)測節(jié)點通過ZigBee發(fā)送的張力數(shù)據(jù)，并進行數(shù)據(jù)的存儲、上傳和顯示。已經(jīng)通過多次鐵軌線索張力測試實驗驗證了該手持終端的主要功能及其技術(shù)參數(shù)。該手持終端及張力監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用將促進彈簧補償裝置在我國鐵路系統(tǒng)的推廣與應(yīng)用。

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