張棟梁 黃 開 劉彥超

基于無線網(wǎng)絡(luò)的有軌電車雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)

張棟梁 黃 開 劉彥超

(中國礦業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院江蘇徐州221008)

針對傳統(tǒng)軌道交通雜散電流有線監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)復(fù)雜、成本高、影響美觀等缺點，提出利用無線通信技術(shù)構(gòu)建有軌電車雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)。分析對比無線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)的優(yōu)越性和必要性，對系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計、通信方式的選擇、主要設(shè)備硬件設(shè)計和軟件設(shè)計等方面進行闡述。監(jiān)測系統(tǒng)由監(jiān)測終端、區(qū)間監(jiān)測子站和監(jiān)測管理中心3個層次組成，監(jiān)測終端與區(qū)間監(jiān)測子站之間采用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)通信，實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的上報;區(qū)間監(jiān)測子站與監(jiān)測管理中心之間通過GPRS網(wǎng)絡(luò)通信，實現(xiàn)區(qū)間數(shù)據(jù)的發(fā)送和控制指令的接收。經(jīng)現(xiàn)場實驗驗證，通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)谋O(jiān)測數(shù)據(jù)與有線監(jiān)測系統(tǒng)得到的數(shù)據(jù)基本一致，系統(tǒng)通信穩(wěn)定，可滿足監(jiān)測雜散電流的要求。

雜散電流;有軌電車;ZigBee;無線網(wǎng)絡(luò);監(jiān)測系統(tǒng)

現(xiàn)代有軌電車因其舒適快捷、方便實用、造價較低等優(yōu)點受到越來越多城市的青睞［1］。有軌電車在運營過程中所產(chǎn)生的雜散電流會影響周圍的埋地管道，通信電纜外皮，以及車站、高架橋梁和附近建筑物主體結(jié)構(gòu)中的鋼筋，使其發(fā)生電化學(xué)腐蝕，存在嚴(yán)重安全隱患［2］。目前，有軌電車雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)普遍借鑒地鐵的經(jīng)驗，通信方式大多采用基于現(xiàn)場總線技術(shù)的光纖以太網(wǎng)有線網(wǎng)絡(luò)［3］，這種通信方式信號穩(wěn)定、傳輸速率高，但往往需要敷設(shè)專門的線路，施工成本較高且影響美觀［4-6］。與傳統(tǒng)雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)相比，基于無線網(wǎng)絡(luò)的雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)在滿足通信穩(wěn)定、安全性高的同時，還具備網(wǎng)絡(luò)靈活、簡潔美觀、成本較低等優(yōu)點［7］。

由于有軌電車在露天環(huán)境運行，走行區(qū)周邊建筑對無線信號的衰減有限，并且考慮到城市公共設(shè)施的美觀，利用無線通信技術(shù)的有軌電車雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)具備更廣闊的發(fā)展前景。

1 雜散電流的形成與危害

有軌電車采用電力牽引，多為750 V或1 500 V直流高壓供電，接觸網(wǎng)為正極，走行鋼軌為回流線。由于鋼軌本身具有電阻，加之運營環(huán)境復(fù)雜，鋼軌不可能完全對地絕緣。因此，不可避免地會向道床及周邊土壤泄漏電流，這部分電流即雜散電流。

雜散電流會對包括鋼軌及其附件在內(nèi)的有軌電車設(shè)施造成腐蝕，同時也會對周邊的埋地管道、通信電纜外皮以及建筑物鋼筋等造成腐蝕。因此，為確保有軌電車主體結(jié)構(gòu)及周邊設(shè)施的安全，必須對雜散電流進行及時的監(jiān)測，并進行有效的防護，避免意外的發(fā)生。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概述

筆者所提出的基于無線網(wǎng)絡(luò)的有軌電車雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)主要分為3個層次，分別為由參比電極、軌道、結(jié)構(gòu)鋼筋和傳感器組成的監(jiān)測終端，由網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、監(jiān)控裝置和排流裝置組成的區(qū)間監(jiān)測子站，由上位機、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和web服務(wù)器組成的監(jiān)測管理中心，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

監(jiān)測終端具備ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)通信功能，與區(qū)間監(jiān)測子站之間通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)進行通信，實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的上傳;區(qū)間監(jiān)測子站與監(jiān)測管理中心之間通過GPRS網(wǎng)絡(luò)進行通信，實現(xiàn)區(qū)間數(shù)據(jù)的發(fā)送和控制指令的接收;監(jiān)測管理中心通過上位機實現(xiàn)遠程監(jiān)測和控制。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 監(jiān)測終端

監(jiān)測終端由參比電極、軌道、結(jié)構(gòu)鋼筋和傳感器組成，傳感器主要用于完成數(shù)據(jù)的測量、計算和發(fā)送。傳感器的測量模塊分別采集結(jié)構(gòu)鋼筋的極化電壓、鋼軌相對結(jié)構(gòu)鋼筋的電壓值和夜間列車停運時參比電極的本體電位。傳感器的處理器模塊根據(jù)測量數(shù)據(jù)分別計算出30 min內(nèi)結(jié)構(gòu)鋼筋的正向偏移電壓平均值、負向偏移電壓平均值和軌道電壓最大值等信息，并通過ZigBee模塊將數(shù)據(jù)包發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。傳感器的外部接線如圖2所示。

不同于傳統(tǒng)的雜散電流測試傳感器，該系統(tǒng)中的雜散電流測試傳感器具備ZigBee無線通信功能。ZigBee技術(shù)具有功耗低、成本低、網(wǎng)絡(luò)容量大和工作頻段靈活等特點，考慮到傳感器每次發(fā)送的數(shù)據(jù)量只有2～3 kB，因此ZigBee的傳輸速率足以滿足要求。筆者選用TI公司生產(chǎn)的CC2530芯片作為傳感器的處理器模塊和無線通信模塊。CC2530用于2.4GHz/ IEEE802.15.4/RF4CE/ZigBee的第二代片上系統(tǒng)解決方案，片內(nèi)整合了RF收發(fā)器、增強型8051MCU、最大256 KB的Flash內(nèi)存、8 KB的RAM;集成了2個USART、8通道12位ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換、128位AES加密解密安全協(xié)議;只需極少的外圍電路即可實現(xiàn)信號的收發(fā)功能，并且支持空中無線下載［8］。為保證通信信號的穩(wěn)定和準(zhǔn)確，在傳感器上加裝了CC2591射頻范圍擴展器，它具有低功耗、低電壓等特點，能有效提高CC2530的輸出功率，增加數(shù)據(jù)收發(fā)的靈敏度。傳感器的硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 傳感器外部接線

圖3 傳感器硬件結(jié)構(gòu)

監(jiān)測終端將測量數(shù)據(jù)的計算結(jié)果封裝成數(shù)據(jù)包，按照ZigBee通信協(xié)議規(guī)范發(fā)送給區(qū)間監(jiān)測子站。當(dāng)監(jiān)測點的數(shù)據(jù)超出正常范圍時，傳感器率先做出報警，報警指示燈亮，方便巡線人員及時發(fā)現(xiàn)。

3.2 區(qū)間監(jiān)測子站

區(qū)間監(jiān)測子站由網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、監(jiān)控裝置和排流裝置組成，負責(zé)某一供電區(qū)間內(nèi)的雜散電流監(jiān)測和數(shù)據(jù)傳輸，可自主控制牽引站內(nèi)排流柜的啟動，也可接受遠程調(diào)度控制。監(jiān)控裝置通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器接收來自監(jiān)測終端傳感器的數(shù)據(jù)，對各個監(jiān)測點的數(shù)據(jù)進行整理、存儲和顯示。牽引站內(nèi)值班人員可以通過監(jiān)控裝置的顯示屏了解實時的監(jiān)測信息，以便及時上報，同時，監(jiān)控裝置通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器實現(xiàn)與監(jiān)測管理中心間的遠程數(shù)據(jù)傳輸和控制指令接收。

區(qū)間監(jiān)測子站不僅接收各個監(jiān)測點的數(shù)據(jù)，同時可以計算監(jiān)測區(qū)間內(nèi)的軌地過渡電阻和軌道縱向電阻，并通過GPRS網(wǎng)絡(luò)每隔1 h向監(jiān)測管理中心進行數(shù)據(jù)傳輸。每個監(jiān)測子站每次需要上傳的數(shù)據(jù)在50 kB左右，GPRS實際應(yīng)用帶寬大約在40～100 KB/s，滿足傳輸速率的要求。同時，GPRS采用分組交換技術(shù)，每個用戶可同時占用多個無線信道，同一無線信道又可由多個用戶共享，資源被有效的利用。

作為區(qū)間監(jiān)測子站的通信轉(zhuǎn)換核心，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的設(shè)計至關(guān)重要。本文所設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器由處理器模塊、GPRS通信模塊、天線模塊和電源模塊等部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。選用TI公司生產(chǎn)的CC2538作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的處理器模塊，這款產(chǎn)品包含基于ARM Cortex M3的強大的MCU系統(tǒng)，具有高達32 KB的片上RAM、高達512 KB的片上閃存以及可靠的IEEE 802.15.4射頻功能，能夠處理涉及安全性、要求嚴(yán)格的應(yīng)用以及無線下載的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)堆棧，32個通用輸入和輸出(GPIO)以及串行外設(shè)接口可實現(xiàn)到電路板其他部分的簡單連接。GPRS模塊采用Siemens公司的MC35i模塊，其尺寸很小，方便集成到其他設(shè)備中，能得到永久在線連接、快速數(shù)據(jù)存儲和更快的數(shù)據(jù)下載速度。

圖4 區(qū)間監(jiān)測子站硬件結(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器負責(zé)區(qū)間內(nèi)ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的組建和調(diào)整，并接收來自區(qū)間內(nèi)各個傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)。CC2538處理器模塊通過UART接口實現(xiàn)與監(jiān)控設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸與指令發(fā)送，同時GPRS模塊和CC2538之間也采用UART接口通信，CC2538將監(jiān)控設(shè)備發(fā)來的數(shù)據(jù)封裝成TCP/IP幀格式，通過GPRS模塊發(fā)送至監(jiān)測管理中心。

3.3 監(jiān)測管理中心

監(jiān)測管理中心是整個監(jiān)測系統(tǒng)的主控平臺，由上位機、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和web服務(wù)器組成，負責(zé)整條線路的雜散電流監(jiān)測和排流裝置控制。web服務(wù)器軟件接收來自GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的數(shù)據(jù)，并將其保存至數(shù)據(jù)庫中，確保上位機可以隨時調(diào)用各監(jiān)測子站的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)。管理人員可以根據(jù)雜散電流監(jiān)測數(shù)據(jù)向區(qū)間監(jiān)測子站中的監(jiān)控裝置發(fā)送控制指令，從而實現(xiàn)排流裝置的遠程主動控制。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1 監(jiān)測傳感器程序設(shè)計

監(jiān)測終端中的傳感器負責(zé)數(shù)據(jù)的測量、計算并將數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)測子站中的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。在正常情況下，傳感器每隔10 s采集一次數(shù)據(jù)，并將采集到的數(shù)據(jù)暫存、計算，等待區(qū)間監(jiān)測子站發(fā)送數(shù)據(jù)上報指令。當(dāng)接收到數(shù)據(jù)上報指令后，傳感器通過ZigBee無線通信模塊進行數(shù)據(jù)發(fā)送，發(fā)送結(jié)束后，將清除所保存的數(shù)據(jù)。其程序流程如圖5所示。

圖5 監(jiān)測終端程序流程

4.2 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器程序設(shè)計

網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器負責(zé)供電區(qū)間內(nèi)ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的組建和調(diào)整。由于各監(jiān)測點與網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器直接通信，本系統(tǒng)中ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計為星型拓撲結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)簡單，管理方便。

網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器上電后，首先完成通信協(xié)議的初始化工作，然后開始掃描并選擇合適的信道，建立ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)。監(jiān)測區(qū)間內(nèi)的各傳感器與區(qū)間監(jiān)測子站之間實際上是點對點的通信，區(qū)間監(jiān)測子站每隔30 min向各傳感器發(fā)送數(shù)據(jù)上報指令，各傳感器根據(jù)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器分配的無線網(wǎng)絡(luò)地址將數(shù)據(jù)發(fā)送至區(qū)間監(jiān)測子站。區(qū)間監(jiān)測子站的控制器完成對數(shù)據(jù)的整理計算，并將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器轉(zhuǎn)換上報至監(jiān)測管理中心。其程序流程如圖6所示。

區(qū)間監(jiān)測子站和監(jiān)測管理中心之間通過GPRS網(wǎng)絡(luò)進行通信。管理中心設(shè)置VPN服務(wù)器，通過公網(wǎng)使用VPN接入到移動GPRS網(wǎng)絡(luò)，這種方式成本比較低，安全性比較高，而且速度和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量都有保障。區(qū)間監(jiān)測子站將收到的數(shù)據(jù)進行整理計算，并將整理好的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器轉(zhuǎn)換成TCP/IP幀格式，通過GPRS模塊發(fā)送至監(jiān)測管理中心。同時，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器負責(zé)接收從監(jiān)測管理中心傳來的控制指令，完成對排流裝置的遠程控制。

5 實驗分析

利用某城市現(xiàn)有的有軌電車雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)進行試驗，以驗證本文所提出的基于無線網(wǎng)絡(luò)的有軌電車雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)是否能達到預(yù)期效果。

分別在該線路第四供電區(qū)間內(nèi)的1、5、8號傳感器位置處加裝本文所設(shè)計的具備ZigBee無線通信功能的傳感器模塊，并在牽引站內(nèi)放置具備數(shù)據(jù)存儲功能的無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，可連接VPN服務(wù)器，形成簡易的無線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)。將無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器72 h內(nèi)接受到的數(shù)據(jù)包數(shù)量與站內(nèi)監(jiān)控裝置通過通信電纜收到的數(shù)據(jù)包數(shù)量進行對比分析，結(jié)果如表1所示。

圖6 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器程序流程

表1 實測72 h內(nèi)數(shù)據(jù)接收量

當(dāng)啟動網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器后，它能迅速與區(qū)間內(nèi)3個測量點的傳感器建立網(wǎng)絡(luò)連接，并為其分配網(wǎng)絡(luò)地址。在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中，數(shù)據(jù)包存在丟失，但丟失數(shù)量很少，不影響雜散電流的準(zhǔn)確監(jiān)測。

利用管理中心上位機對該供電區(qū)間5號傳感器72 h內(nèi)的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行讀取，結(jié)果如圖7所示。在試驗時間段內(nèi)，管理中心通過GPRS網(wǎng)絡(luò)接收到的由網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器發(fā)送的數(shù)據(jù)未發(fā)生丟失，監(jiān)測結(jié)果準(zhǔn)確有效，證明了區(qū)間監(jiān)測子站與監(jiān)測管理中心之間的通信設(shè)計合理。由于無線通信方式受現(xiàn)場環(huán)境的影響較大，為進一步驗證該監(jiān)測系統(tǒng)的可行性，對沿線多個供電區(qū)間進行通信性能測試，對ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信距離、丟包率、傳輸速率等指標(biāo)進行測試，結(jié)果如表2所示。

圖7 5號傳感器監(jiān)測結(jié)果

結(jié)果表明，該監(jiān)測系統(tǒng)中ZigBee網(wǎng)絡(luò)各項指標(biāo)滿足監(jiān)測要求。本文所設(shè)計的基于無線網(wǎng)絡(luò)的雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理，網(wǎng)絡(luò)通信穩(wěn)定，結(jié)果準(zhǔn)確有效，達到了系統(tǒng)的設(shè)計目的。

表2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)測試結(jié)果

6 結(jié)論

現(xiàn)代有軌電車雜散電流對軌道主體結(jié)構(gòu)及周邊設(shè)施危害巨大，雜散電流的有效監(jiān)測意義重大。本文所提出的基于無線網(wǎng)絡(luò)的有軌電車雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)通信穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單、成本較低且適應(yīng)城市建設(shè)發(fā)展的需要，具有很大的實用價值，為雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)和改造提供了重要參考。

［1］朱衛(wèi)國.從系統(tǒng)特征看有軌電車網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃［J］.都市快軌交通，2015，28(3):42-45.

［2］黃玉蘋.城市軌道交通雜散電流防護系統(tǒng)［J］.城市軌道交通研究，2012，15(12):117-119.

［3］汪園園.雜散電流監(jiān)測方案的探討［J］.城市軌道交通研究，2001，4(1):48-50.

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(編輯:王艷菊)

Stray Current Monitoring System of Tram Based on W ireless Network

Zhang Dongliang Huang Kai Liu Yanchao
(School of Information and Electronic Engineering，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221008)

The stray currentwiredmonitoring system of traditional rail traffic is very complicated，unsightly and expensive.Therefore，we proposed usingwireless communication technology to build tram stray currentmonitoring system.We analyzed the advantage and necessity ofwireless network monitoring system，and expounded the whole structure design of the system，the choice of communication mode，hardware and software design ofmain equipment，etc.Themonitoring system consists ofmonitoring terminal，intervalmonitoring substation and monitoringmanagement center.Monitoring terminal and intervalmonitoring substation use ZigBee wireless network to reportmonitoring data;Intervalmonitoring substation and monitoringmanagement center send data and receive control command through the GPRS network communication.Testified by the field experiment，the data obtained by the wireless network are basically identicalwith those by wired monitoring system.The system communication is stable，meeting the requirements of stray currentmonitoring.

stray current;tram;ZigBee;GPRS;monitoring system

1672-6073(2016)02-0084-04

10.3969/j.issn.1672-6073.2016.02.019

2015-03-14

2015-04-14

張棟梁，男，副教授，博士，主要從事軌道交通雜散電流監(jiān)測與防護研究，13337930909@189.cn

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金(2010QNB34);國家自然科學(xué)基金(51147011)

U231.8

A