文 枰 葉俊勇 汪同慶

(重慶大學(xué)光電技術(shù)及系統(tǒng)教育部重點實驗室 重慶 400044)

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基于ZigBee的輕軌錨固螺桿健康監(jiān)測系統(tǒng)

文 枰 葉俊勇 汪同慶

(重慶大學(xué)光電技術(shù)及系統(tǒng)教育部重點實驗室 重慶 400044)

輕軌交通軌道的錨固螺桿是連接輕軌軌道梁和墩臺的重要連接件。在役錨固螺桿的健康與否對輕軌的運行有著直接且重要的影響，提出一種低功耗的基于ZigBee的無線錨固螺桿健康監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)可自動采集故障的錨固螺桿地址,通過ZigBee多跳無線自主網(wǎng)絡(luò)將該地址發(fā)送到PC機，實現(xiàn)對錨固螺桿健康的實時監(jiān)測。與其他無線傳輸網(wǎng)絡(luò)相比，ZigBee無線傳輸網(wǎng)絡(luò)具有維護方便、成本低、使用穩(wěn)定等明顯優(yōu)勢。實驗表明，該無線傳輸網(wǎng)絡(luò)滿足本系統(tǒng)的設(shè)計要求，為輕軌錨固螺桿健康的監(jiān)測提供了一種新的方法。

ZigBee 錨固螺桿 無線傳輸網(wǎng)絡(luò) 健康監(jiān)測

0 引 言

輕軌軌道交通中連接輕軌軌道梁與墩臺的錨固螺桿是輕軌軌道系統(tǒng)中的關(guān)鍵受力構(gòu)件。它的健康與否直接影響到輕軌交通的安全運行。輕軌錨固螺桿長一米左右，大部分都埋在墩臺的錨箱內(nèi)。在輕軌梁系統(tǒng)運行的過程中，由于振動、腐蝕、長期服役等各種因素，錨固螺桿很容易出現(xiàn)松動或是斷裂，從而影響到輕軌軌道交通的安全運行。而現(xiàn)有的監(jiān)測技術(shù)大多需要人工逐一采集數(shù)據(jù)，監(jiān)測效率低、成本高。所以，設(shè)計一套輕軌錨固螺桿健康自動監(jiān)測系統(tǒng)來保證輕軌交通安全運行是很有必要的。

ZigBee無線傳輸網(wǎng)絡(luò)可以同時監(jiān)控多個終端，且可以通過終端休眠的方式降低終端功耗。輕軌軌道交通的錨固螺桿數(shù)量龐大，需要的節(jié)點較多。ZigBee無線傳輸網(wǎng)絡(luò)內(nèi)可以容納最多216個設(shè)備，而且可采用全球免費的2.4 GHz頻段進行數(shù)據(jù)傳輸，其成本低廉、維護簡單，剛好符合要求。因此，本文提出的系統(tǒng)采用ZigBee無線傳輸網(wǎng)絡(luò)來進行信號的傳輸。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

整個系統(tǒng)由ZigBee無線傳輸網(wǎng)絡(luò)及錨固螺桿松動斷裂監(jiān)測裝置組成。當(dāng)ZigBee無線傳輸網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器啟動之后，其他節(jié)點會自動加入到該網(wǎng)絡(luò)中，實現(xiàn)自動組網(wǎng)。如圖1(a)所示，每一個墩臺安裝一個ZigBee節(jié)點，由于每一個墩臺有8個錨固螺桿，所以一個ZigBee節(jié)點管理8個錨固螺桿，每根錨固螺桿都安裝一個螺桿松動斷裂監(jiān)測裝置。如圖1(b)所示，沿著輕軌交通路線每一個墩臺安裝一個ZigBee無線傳輸節(jié)點，每個節(jié)點以多跳的方式進行數(shù)據(jù)傳輸?？稍O(shè)定兩個站點之間為一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)，在地鐵站內(nèi)用PC對傳來的數(shù)據(jù)進行處理，并顯示螺桿的健康狀況。站點與站點之間的數(shù)據(jù)再通過互聯(lián)網(wǎng)進行匯總。當(dāng)錨固螺桿出現(xiàn)松動或是斷裂等故障時，該裝置輸出的電平信號就會發(fā)生改變，從而使得ZigBee節(jié)點感知到信號的變化，并將故障錨固螺桿地址通過無線接力傳輸?shù)姆绞桨l(fā)送給協(xié)調(diào)器，再由協(xié)調(diào)器通過串口發(fā)送到PC機，通過LabVIEW編寫的人機互動界面顯示出來。PC機與協(xié)調(diào)器是安裝在每個輕軌站內(nèi)的，當(dāng)終端節(jié)點跟協(xié)調(diào)器距離較遠而無法接收到信號時，將會在終端節(jié)點與協(xié)調(diào)器之間放置一個路由節(jié)點，通過路由節(jié)點再傳給協(xié)調(diào)器，以這種多跳傳輸?shù)姆绞皆黾覼igBee無線傳輸網(wǎng)絡(luò)的傳輸距離。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本文系統(tǒng)采用ZigBee自組網(wǎng)多跳無線傳輸網(wǎng)絡(luò)，以Z_Stack模板為基礎(chǔ)，用C語言編寫程序。系統(tǒng)具備實時監(jiān)測、自動組網(wǎng)、分析數(shù)據(jù)、自動報警等功能，基于以上功能，軟件部分主要包括終端節(jié)點、協(xié)調(diào)器節(jié)點、路由節(jié)點、上位機軟件的設(shè)計。ZigBee的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)包括星型、樹形和網(wǎng)狀型三種，本系統(tǒng)根據(jù)輕軌軌道交通的特點，采用樹形網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。本系統(tǒng)采用點播的方式進行數(shù)據(jù)傳輸，點播地址為協(xié)調(diào)器的地址0x0000。由于輕軌軌道獨特的地形及周圍有遮擋物，如居民建筑，所以為保證通信成功，每隔一個墩臺放置一個路由器，兩個路由器之間的距離大約為40米左右，其網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示。距離協(xié)調(diào)器較近的終端直接將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器，距離協(xié)調(diào)器較遠的終端通過路由器以多跳的形式傳輸給協(xié)調(diào)器。

圖2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

2.1 協(xié)調(diào)器的軟件設(shè)計

協(xié)調(diào)器是一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)的中心，它負責(zé)整個網(wǎng)絡(luò)的建立和管理。協(xié)調(diào)器向周圍的ZigBee節(jié)點發(fā)送信標(biāo)幀，并為加入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點分配地址；同時將其他節(jié)點傳來的數(shù)據(jù)通過串口上傳到PC機進行處理，所以只需要在用戶層添加數(shù)據(jù)傳輸函數(shù)即可。

2.2 路由器的軟件設(shè)計

路由節(jié)點作為無線多跳傳輸網(wǎng)絡(luò)中的中繼站，在入網(wǎng)成功后尋找需要加入網(wǎng)絡(luò)的其他ZigBee節(jié)點設(shè)備，將終端設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)和自身采集到的數(shù)據(jù)傳輸給協(xié)調(diào)器；同時也會自動修復(fù)網(wǎng)絡(luò)路由，維持網(wǎng)絡(luò)的正常運轉(zhuǎn)。

Z_Stack的操作系統(tǒng)是輪詢式的。初始化各部分之后，就不斷地執(zhí)行操作系統(tǒng)。執(zhí)行過程中按照優(yōu)先級不斷地詢問各層是否有任務(wù)，用戶任務(wù)層的優(yōu)先級最低。操作系統(tǒng)每輪詢一次的時間是t秒，因為路由器節(jié)點不可睡眠，所以路由節(jié)點每隔t秒就會采集一次數(shù)據(jù)并發(fā)送到父節(jié)點，造成數(shù)據(jù)堵塞。本系統(tǒng)中路由節(jié)點既要進行數(shù)據(jù)的采集，又要對終端的數(shù)據(jù)進行中轉(zhuǎn)，所以必須對路由節(jié)點的操作系統(tǒng)進行改進。改進方案為首先確定發(fā)送數(shù)據(jù)間隔時間為T,標(biāo)志位為F。

F=T/t

(1)

然后在主函數(shù)定義一個長整型的全局變量n作為計數(shù)變量。每當(dāng)系統(tǒng)輪詢一次n就加1，然后在用戶任務(wù)函數(shù)進行判斷，當(dāng)n大于F時就采集數(shù)據(jù)發(fā)送到父節(jié)點，并將n清零(例如，若已知每次輪詢時間t約160 us，間隔時間T=5分鐘，F(xiàn)=T/t=1 875 000)。路由節(jié)點進行數(shù)據(jù)的采集可以減少終端節(jié)點的個數(shù)，從而達到節(jié)約成本的目的。

由圖2可以看出，每個路由節(jié)點需要中轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)并不多，再加上終端節(jié)點在每一次采集完數(shù)據(jù)之后都會休眠5分鐘，不會一直發(fā)送采集數(shù)據(jù)，更不會在同一時刻發(fā)送采集數(shù)據(jù)，而且每增加一個路由節(jié)點都會有大約10 ms的延時，所以不會造成數(shù)據(jù)在某一時刻的堵塞。輕軌交通兩站之間最大墩臺數(shù)是100個左右，每個墩臺8個螺桿。用數(shù)據(jù)的前兩位給墩臺編號，數(shù)據(jù)的后8位每一位對應(yīng)一根螺桿的狀態(tài)，再加上標(biāo)志位，即每一個終端每次傳輸數(shù)據(jù)就是11個字節(jié)。假設(shè)所有終端同時采集數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器，路由需要處理的數(shù)據(jù)最大峰值為1100個字節(jié)，大約1 kb。而ZigBee的傳輸速率為250 kb/s、40 kb/s、20 kb/s三個等級，即便是使用最小的傳輸速率也完全滿足本系統(tǒng)的需要，所以本系統(tǒng)中的ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)中采用多跳的形式進行數(shù)據(jù)傳輸是可行的。

2.3 終端節(jié)點軟件設(shè)計

本系統(tǒng)中終端設(shè)備的主要功能是將采集到的數(shù)據(jù)信息發(fā)送給協(xié)調(diào)器，它本身不能夠?qū)崿F(xiàn)路由功能。終端在初始化后就向協(xié)調(diào)器發(fā)出入網(wǎng)請求，入網(wǎng)成功之后就開始采集數(shù)據(jù)，每次采集完數(shù)據(jù)之后定時睡眠5分鐘，然后醒來再次采集數(shù)據(jù)并送到協(xié)調(diào)器，再次休眠，不斷循環(huán)。ZiBee終端睡眠喚醒可通過定時器喚醒或外部中斷喚醒。ZigBee終端節(jié)點具有三種休眠模式，其中休眠模式1休眠時間短，休眠模式3需要外部中斷喚醒，不適合本系統(tǒng)的要求。所以本系統(tǒng)采用休眠模式2，定時器喚醒。無論螺桿是否出現(xiàn)故障，都會將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到父節(jié)點。圖3為整個ZigBee無線傳輸網(wǎng)絡(luò)工作流程圖。

圖3 ZigBee無線傳輸網(wǎng)絡(luò)工作流程圖

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本文系統(tǒng)ZigBee節(jié)點采用的芯片是TI公司推出的CC2530。CC2530使用的是8051CPU內(nèi)核，它是一個單周期的8051兼容內(nèi)核，具有三個不同的存儲器訪問總線。CC2530具有4個定時器、3個8位的端口，分別為P0口、P1口和P2口，其中P2口只有5個端口可用。這21個可用端口均可設(shè)置為通用I/O口或外部設(shè)備I/O，其中P1.0口和P1.1口具有20 mA的輸出驅(qū)動，其余端口都具備4 mA的輸出驅(qū)動。

3.1 協(xié)調(diào)器節(jié)點硬件的設(shè)計

協(xié)調(diào)器模塊主要的功能是組建網(wǎng)絡(luò)、接收數(shù)據(jù)并通過串口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C機。協(xié)調(diào)器模塊主要包括CC2530核心模塊、按鍵模塊、射頻天線模塊、電源模塊和串口通信模塊五個部分。CC2530核心板由3 V電壓驅(qū)動，外接兩個晶振，一個為32 MHz，另一個為23 KHz。按鍵模塊主要是復(fù)位按鍵及電源按鍵。射頻天線模塊采用RFX2410C進行發(fā)送功率的放大。如圖4(a)所示，CC2530的25(RFN)腳和26(RFP)腳與RFX2410C的射頻單相傳輸端相連，端口1的引腳5與發(fā)送使能端(TXEN)相連，端口1的引腳4與接收使能端(RXEN)相連。協(xié)調(diào)器節(jié)點通過USB口用5 V電壓供電，所以需要用AMS1117-3.3線性穩(wěn)壓器轉(zhuǎn)5 V電壓為3 V電壓。串口通信模塊采用PL2320進行RS232-USB轉(zhuǎn)換，使得在沒有串口的筆記本上也可進行數(shù)據(jù)傳輸。

圖4 協(xié)調(diào)器節(jié)點硬件設(shè)計

3.2 終端節(jié)點和路由節(jié)點硬件設(shè)計

終端節(jié)點負責(zé)數(shù)據(jù)的采集，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)礁腹?jié)點。終端節(jié)點同樣擁有CC2530核心模塊、電源模塊、按鍵模塊、射頻天線模塊、數(shù)據(jù)采集模塊。除了數(shù)據(jù)采集模塊和電源模塊以外，其他模塊均與協(xié)調(diào)器節(jié)點對應(yīng)模塊相同。路由節(jié)點和終端節(jié)點安裝在戶外，為減小節(jié)點模塊體積及電路底板功耗，直接采用3.3 V電池供電,無需進行5 V到3 V電壓轉(zhuǎn)換。由于每個墩臺錨固螺桿有8根，每一根錨固螺桿都安裝了一個故障監(jiān)測裝置，當(dāng)出現(xiàn)故障時，外部監(jiān)測裝置的外部電平會發(fā)生變化。每個墩臺上的螺桿的位置都是相同的，CC2530總共有21個外設(shè)端口可用。如圖5(a)所示，S1-S8為8個錨固螺桿健康專用監(jiān)測裝置，用8個輸入端口來對應(yīng)監(jiān)測每個監(jiān)測裝置的信號輸出變化，并給每一個墩臺及墩臺上的每一根螺桿進行編號。一個ZigBee節(jié)點對應(yīng)一個墩臺，每個墩臺從01開始編號，螺桿的編號從1到8。每次數(shù)據(jù)的傳輸都包括墩臺地址和墩臺上螺桿的地址。在地址位的前面加上一位標(biāo)志位字符“A”，表明是正常數(shù)據(jù)。所以每次收到數(shù)據(jù)共11位，如A2300000600表示數(shù)據(jù)正常，第23個墩臺的6號位置螺桿出現(xiàn)故障；而A1900000000則表示數(shù)據(jù)正常，19號墩臺沒有螺桿出現(xiàn)故障。路由節(jié)點與終端節(jié)點的硬件設(shè)計完全相同。

圖5 終端節(jié)點和路由節(jié)點硬件設(shè)計

4 實驗及結(jié)果分析

按照上述設(shè)計進行組網(wǎng)，模擬輕軌軌道的特點，采用10個節(jié)點，每隔20米放置一個ZigBee節(jié)點，每兩個終端節(jié)點之間放置一個路由器節(jié)點，ZigBee終端節(jié)點及路由節(jié)點的9個監(jiān)測端口可用外接開關(guān)電路模擬出現(xiàn)故障時的電平變化。

本系統(tǒng)的實驗結(jié)果顯示界面是采用LabVIEW進行編寫的。編寫好的界面可以發(fā)布到網(wǎng)上，也可以打包成安裝程序，在沒有安裝LabVIEW的電腦上也可以運行。本界面是一個串口通信界面，將會顯示健康錨固螺桿與故障錨固螺桿的地址及地址傳來的時間，并且將故障螺桿與健康螺桿的地址分別存在兩個Excel表格中，每天進行一次保存。按照兩個輕軌站之間最大墩臺數(shù)100個計算，100個墩臺一天的數(shù)據(jù)大小為:

一年的數(shù)據(jù)大小大約才882.2 MB,所以數(shù)據(jù)的存儲并不會帶來困難。有數(shù)據(jù)傳來時，數(shù)據(jù)連接燈就會變亮；當(dāng)接收到故障錨固螺桿的地址時，故障警報燈變紅，提示管理人員。數(shù)據(jù)存儲過后，就可以用清除按鈕清除掉顯示框內(nèi)的數(shù)據(jù)，以保證可以顯示新的數(shù)據(jù)。圖6為本系統(tǒng)的實驗結(jié)果顯示界面，圖6顯示的結(jié)果表示01號、02號和04到08號墩臺螺桿均無故障，03號墩臺的3號螺桿和09號墩臺的6號螺桿出現(xiàn)故障。

圖6 系統(tǒng)界面顯示圖

傳統(tǒng)的檢測方法有人工巡檢、超聲波檢測等。表1從檢測速度、工作時間、工作環(huán)境等幾個方面比較了這幾種方法各自的特點和優(yōu)勢。人工巡檢需要有豐富經(jīng)驗的工人一根一根地敲擊錨固螺桿，人為進行判斷。而輕軌交通一個墩臺有8根螺桿，整個輕軌交通的錨固螺桿數(shù)量相當(dāng)龐大，人工巡檢工作量太大，且工作效率低、成本高。超聲波檢測也需要人工一根一根地采集數(shù)據(jù)，采集效率低,且采集車會影響到輕軌列車的運行，所以只能在晚上輕軌不運行的時候進行。采集到的數(shù)據(jù)要帶回實驗室進行分析處理過后才能得出結(jié)論，不能實時監(jiān)控。本文提出監(jiān)測系統(tǒng)可實時監(jiān)測錨固螺桿的健康狀況，在輕軌軌道交通運行時也可以工作,一個墩臺的8個螺桿的數(shù)據(jù)采集可同時進行，數(shù)據(jù)采集時間能夠在1 s內(nèi)完成。

表1 幾種錨固螺桿檢測方法的特點

5 結(jié) 語

本文提出的基于ZigBee的輕軌錨固螺桿健康監(jiān)測系統(tǒng)解決了逐根監(jiān)測效率低下、監(jiān)測與輕軌軌道交通不能同時運行、成本較高等問題。本系統(tǒng)利用多跳的方式解決了ZigBee傳輸距離短的問題，并對路由器的程序設(shè)計進行了改進，使得路由器每5分鐘傳輸一次數(shù)據(jù)，達到系統(tǒng)工作要求，最大限度利用每個節(jié)點的功能，節(jié)約成本。與其他對輕軌錨固螺桿健康進行檢測的方法相比，本系統(tǒng)具有實時監(jiān)測、監(jiān)測數(shù)量多、維護簡單等明顯優(yōu)勢，能夠滿足對輕軌錨固螺桿健康監(jiān)測的要求。

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A HEALTH MONITORING SYSTEM OF LIGHT-RAIL’S ANCHORING SCREWS BASED ON ZIGBEE

Wen Ping Ye Junyong Wang Tongqing

(KeyLaboratoryofOptoelectronicTechnologyandSystems，MinistryofEducation，ChongqingUniversity，Chongqing400044，China)

The anchoring screw of light-rail traffic is an important part to connect piers and girders of light-rail. Health of the anchoring screws in service has a direct and important influence on the operation of the light-rail. Therefore, a wireless and low power health monitoring system of light-rail’s anchoring screws is proposed. The system is able to collect address of fault anchoring screw automatically and send information to PC by ZigBee multi-hop wireless Ad-hoc network to achieve real-time monitoring of the health of anchoring screws. Compared with other wireless transmission network, ZigBee wireless transmission network has the obvious advantages of easy maintaining, low cost, stability and so on. Experiments show that the ZigBee wireless network meets the design requirements of this system, providing a new approach for health monitoring of light-rail anchoring screws.

ZigBee Anchoring screws Wireless transmission network Health monitoring

2015-07-27。國家科技支撐計劃項目(2007BAG06B 06)。文枰，碩士生，主研領(lǐng)域：無線傳輸,物聯(lián)網(wǎng)。葉俊勇，副教授。汪同慶，教授。

TP3

A

10.3969/j.issn.1000-386x.2016.11.013