王旭億,嚴(yán)冬松,高崧菀,胡文娟,許嘉沐

(1.暨南大學(xué)能源電力研究中心,廣東珠海 519070;2.暨南大學(xué)國(guó)際能源學(xué)院,廣東珠海 519070;3.暨南大學(xué)軌道交通研究院,廣東珠海 519070;4.廣東省電氣與智能控制工程技術(shù)研究中心,廣東珠海 519070)

0 引言

傳統(tǒng)軌道交通供電存在接觸損耗、機(jī)械磨損等問(wèn)題[1-2],而非接觸式供電裝置是一種利用電磁感應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)無(wú)線供電的新型裝置,具有安全、可靠、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn),可以有效解決機(jī)械磨損等問(wèn)題。非接觸式供電系統(tǒng)由發(fā)射裝置和接收裝置組成[3],2個(gè)裝置之間利用磁場(chǎng)耦合接收電磁場(chǎng)中傳輸?shù)碾娔苄盘?hào),并將其轉(zhuǎn)換為直流電壓或電流以便為設(shè)備供電。目前,國(guó)內(nèi)關(guān)于非接觸式供電裝置的應(yīng)用研究尚處于初級(jí)階段[4-5]。為了科研人員深入探索供電設(shè)備的傳輸效率和安全性,對(duì)非接觸式供電設(shè)備的運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)是必要的,這也為后續(xù)的技術(shù)創(chuàng)新提供了基礎(chǔ)支撐。

無(wú)線傳能系統(tǒng)存在電磁輻射的安全隱患[6-8],該種輻射會(huì)引起電路內(nèi)部的電子器件產(chǎn)生寄生效應(yīng)、性能下降等問(wèn)題,同時(shí)也會(huì)對(duì)環(huán)境和人體造成熱效應(yīng)、生物效應(yīng)等危害。鑒于LoRa技術(shù)在遠(yuǎn)距離、低功耗和抗干擾方面都具有非常突出的優(yōu)勢(shì)[9],在惡劣環(huán)境下仍能夠穩(wěn)定傳輸數(shù)據(jù),為有效確保監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的安全性和可靠性,本文提出一種基于LoRa技術(shù)的軌道交通非接觸式供電裝置監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠穩(wěn)定監(jiān)測(cè)非接觸式供電裝置的運(yùn)行狀態(tài),并提供實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、歷史查詢和異常報(bào)警等實(shí)用功能。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

軌道交通非接觸式供電系統(tǒng)由高頻逆變模塊、整流穩(wěn)壓模塊等組成,如圖1所示。為了保證供電系統(tǒng)能夠持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行,必須對(duì)其能量傳輸狀態(tài)進(jìn)行持續(xù)、全面監(jiān)測(cè),并建立有效的預(yù)警系統(tǒng),對(duì)能量傳輸裝置的監(jiān)測(cè)是必要的。

圖1 軌道交通非接觸式供電系統(tǒng)圖

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使用Client/Server架構(gòu),包括物理層、傳輸層、應(yīng)用層3部分,結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。物理層以STM32F103ZET6微處理器為核心,集成電壓采集模塊、電流采集模塊、溫度采集模塊設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn),對(duì)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和監(jiān)測(cè)。傳輸層利用LoRa作為組網(wǎng)技術(shù),數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)通過(guò)LoRa通訊模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絃oRa網(wǎng)關(guān),LoRa網(wǎng)關(guān)利用TCP/IP協(xié)議與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器建立連接,將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到服務(wù)器上。應(yīng)用層主要提供了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的管理和控制,管理員可以通過(guò)監(jiān)測(cè)平臺(tái)查看非接觸式供電裝置的運(yùn)行狀態(tài)。

圖2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

硬件是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的物理核心,系統(tǒng)以STM32F103ZET6作為微處理器,利用傳感器對(duì)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行采樣。硬件電路設(shè)計(jì)圖如圖3所示。主要由STM32F103ZET6芯片、LoRa通信模塊、溫度傳感器等組成。

圖3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)圖

2.1 LoRa通信模塊選型

LoRa通信電路是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的重要模塊[10],實(shí)驗(yàn)采用LoRa星型組網(wǎng)模組型號(hào)為WH-L102-L-C 的通信模塊,該模塊采用SX1278芯片,可以低功耗實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)距離通信,廣泛應(yīng)用于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中。該模塊是1個(gè)支持集中器通信協(xié)議的低頻半雙工 LoRa 模塊,具有功率密度集中、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì),且可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)設(shè)備之間的相互通訊,方便系統(tǒng)的集中管理和控制。此通訊模塊采用主動(dòng)上報(bào)數(shù)據(jù)傳輸模式,只需要使用到WH-L102-L-C模塊的5個(gè)引腳。其中,引腳M0接收輸入信號(hào),為了數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)保持定時(shí)發(fā)送模式的工作狀態(tài),該引腳直接與3.3 V的電源相接,以此保持高電平。

2.2 電壓采集模塊選型

電壓采集電路采用型號(hào)FK-DZU-500V霍爾電壓傳感器,該傳感器精度為0.2%,能將500 V以內(nèi)輸入值轉(zhuǎn)為等比例模擬量。當(dāng)被測(cè)電路中通過(guò)的電流發(fā)生變化時(shí),會(huì)在霍爾元件中產(chǎn)生磁場(chǎng),進(jìn)而引起霍爾電勢(shì),從而使輸出電壓信號(hào)產(chǎn)生相應(yīng)的變化,電壓輸出前通過(guò)降壓電路轉(zhuǎn)化到范圍為0～3.3 V的電壓,并通過(guò)ADC傳輸?shù)轿⑻幚砥鲀?nèi)部。ADC將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)后提供給微處理器處理[11]。

2.3 電流采集模塊選型

選用型號(hào)MIK-HRI-20A霍爾傳感器對(duì)電流進(jìn)行采集,其測(cè)量范圍為-20～+20 A,精度為0.5%,為保證其正常工作,需要24 V的輔助電源。該傳感器具備諸多優(yōu)點(diǎn),如抗干擾能力強(qiáng)、響應(yīng)速度快等。此外,該傳感器還具有防短路、輸入過(guò)載保護(hù)以及三端隔離等特點(diǎn)。該傳感器采用霍爾效應(yīng)將測(cè)量電流轉(zhuǎn)換為與之成比例的電壓信號(hào),經(jīng)過(guò)降壓電路后,該信號(hào)被直接輸入微處理器的ADC模塊進(jìn)行數(shù)字化處理和分析。

2.4 溫度采集模塊選型

溫度傳感器型號(hào)為DS18B20,該傳感器只需要1個(gè)端口引腳即可完成數(shù)據(jù)傳輸,且采樣精度高,不需要外置電源,使用非常方便。DS18B20工作電壓范圍為3.0～5.5 V,測(cè)量溫度范圍在-55～+125 ℃,測(cè)量誤差為±0.5 ℃,使用時(shí)需遵循DS18B20的讀寫時(shí)序和溫度采集協(xié)議,否則可能導(dǎo)致通信錯(cuò)誤、數(shù)據(jù)丟失、溫度偏差等問(wèn)題,影響數(shù)據(jù)讀取準(zhǔn)確性。每個(gè)DS18B20擁有獨(dú)立序列號(hào)[12],采用單總線的方式可以在I/O接口上掛載多個(gè)DS18B20,實(shí)驗(yàn)將2個(gè)溫度傳感器共用1條總線,將測(cè)量值通過(guò)引腳PG11傳輸?shù)組CU。

3 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)包括節(jié)點(diǎn)采集程序設(shè)計(jì)和監(jiān)測(cè)終端程序設(shè)計(jì)。節(jié)點(diǎn)采集程序選用Keil uVision5作為集成開(kāi)發(fā)環(huán)境,使用C語(yǔ)言對(duì)STM32單片機(jī)進(jìn)行編程。監(jiān)測(cè)終端程序則采用Qt Creator作為IDE,使用Qt和C++語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

3.1 節(jié)點(diǎn)采集程序設(shè)計(jì)

通電后,STM32首先對(duì)系統(tǒng)模塊進(jìn)行初始化,然后檢測(cè)是否有外部中斷發(fā)生。如果檢測(cè)到中斷請(qǐng)求,STM32會(huì)進(jìn)入中斷服務(wù)程序,對(duì)收到的指令進(jìn)行解析和驗(yàn)證,并根據(jù)指令內(nèi)容執(zhí)行相應(yīng)的操作。如果STM32沒(méi)有檢測(cè)到中斷請(qǐng)求,則會(huì)自動(dòng)執(zhí)行數(shù)據(jù)采集任務(wù),測(cè)量電壓、電流、溫度等數(shù)據(jù)。最后,STM32通過(guò)LoRa模塊按照預(yù)設(shè)的通信協(xié)議定時(shí)向LoRa網(wǎng)關(guān)發(fā)送處理和封裝好的數(shù)據(jù)包。節(jié)點(diǎn)采集程序設(shè)計(jì)流程如圖4所示。

圖4 節(jié)點(diǎn)采集程序設(shè)計(jì)流程圖

3.2 監(jiān)測(cè)終端程序設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)終端程序通過(guò)在軟件界面輸入IP地址和端口號(hào),打開(kāi)監(jiān)聽(tīng)功能,與LoRa網(wǎng)關(guān)建立TCP連接。連接成功后,監(jiān)測(cè)終端程序接收LoRa網(wǎng)關(guān)發(fā)送的數(shù)據(jù),并先將數(shù)據(jù)緩存到Redis中,然后再將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中。利用Redis的高并發(fā)性、內(nèi)存操作等優(yōu)勢(shì)[13],下位機(jī)可以靈活地增加或減少監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn),以適應(yīng)工業(yè)環(huán)境的變化。系統(tǒng)提供一個(gè)可視化界面,用戶可以在界面上設(shè)置各個(gè)參數(shù)的閾值,并查看實(shí)時(shí)更新的數(shù)值和動(dòng)態(tài)折線圖。如果收集到的數(shù)據(jù)超過(guò)閾值,系統(tǒng)會(huì)彈出窗口提示風(fēng)險(xiǎn)情況。監(jiān)測(cè)終端程序設(shè)計(jì)流程如圖5所示。

圖5 監(jiān)測(cè)終端程序設(shè)計(jì)流程圖

4 系統(tǒng)測(cè)試

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性和性能,本文使用西南交通大學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的非接觸牽引供電軌道模擬系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。實(shí)驗(yàn)中,選取了6組非接觸式供電裝置作為監(jiān)測(cè)對(duì)象,分別安裝數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn),并與LoRa網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通信。實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖窃u(píng)估系統(tǒng)的通信質(zhì)量、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性2個(gè)指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)的方法是分別在不同的距離、環(huán)境、工作模式下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試,并記錄相關(guān)的數(shù)據(jù)和結(jié)果。

4.1 通信質(zhì)量測(cè)試

在軌道交通線路上選取不同的傳輸距離連續(xù)發(fā)送300個(gè)數(shù)據(jù)包,測(cè)量數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)和LoRa網(wǎng)關(guān)設(shè)備之間的通信距離,并記錄成功率和時(shí)延。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:在交通測(cè)試線路上,數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)設(shè)備之間的最大通信距離可以達(dá)到1.2 km,在此范圍內(nèi),通信成功率達(dá)到99.33%。通信質(zhì)量測(cè)量表如表1所示。

表1 通信質(zhì)量測(cè)量表

4.2 數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性測(cè)試

在非接觸式供電裝置正常工作時(shí),打開(kāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)供電設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè),在同一時(shí)刻,使用有線儀表對(duì)其電壓、電流、溫度3個(gè)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量,并比較兩者的差異和誤差。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:在數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)正常工作時(shí),系統(tǒng)測(cè)量的電壓、電流、溫度結(jié)果與有線儀表測(cè)量的結(jié)果基本一致,誤差在0.4%以內(nèi)。表2數(shù)據(jù)表明系統(tǒng)能夠精確采集供電設(shè)備的參數(shù),符合使用需求。

表2 系統(tǒng)誤差統(tǒng)計(jì)表

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種基于LoRa技術(shù)的軌道交通非接觸式供電裝置監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離、低功耗、實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)采集和傳輸,從而提高供電設(shè)備的安全性和可靠性。本文從硬件和軟件兩方面詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和實(shí)現(xiàn)過(guò)程,并在實(shí)際的非接觸式供電裝置上進(jìn)行了測(cè)試實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了系統(tǒng)的通信質(zhì)量和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:該系統(tǒng)能夠穩(wěn)定地監(jiān)測(cè)非接觸式供電裝置的運(yùn)行狀態(tài),具有高通信成功率、低時(shí)延和低測(cè)量誤差。本文的工作為軌道交通非接觸式供電裝置的監(jiān)測(cè)提供了一種新的解決方案,也為未來(lái)的技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用拓展奠定了基礎(chǔ)。