王振耀
中国铁路郑州局集团有限公司新乡供电段 河南省 新乡市 453000
摘要：目前电气化铁路接触网防洪度汛工作主要采取人工雨中、雨后巡视方式进行，需铁路供电部门投入大量人力、物力。基于此，本文提出一种基于无线通信技术的接触网防洪区段在线监测系统，本系统应用传感器技术、ZigBee通信技术、计算机技术，GPRS通信技术，实现对接触网支柱周围土质塌方数据的实时采集、处理与传输，并在上位机进行显示、异常报警提醒。系统主要由传感器检测模块、集中器控制模块、上位机监测模块构成，传感器检测模块由专业塌方传感器及控制器组成，实现对接触网支柱周围土质位移信息的实时采集与处理；集中器模块由集成了Zigbee协议栈的CC2530主芯片模块及GPRS通信模块组成，实现数据的组网与传输，将采集到的的数据传送至上位机；上位机模块主要实现数据的处理与实时显示，并在监测区段出现塌方时进行报警提醒。此外，考虑到硬件设备在野外运行，系统采用太阳能电池板及蓄电池组合实现系统的可持续供电。该系统的研究与实现能够有效、准确地测量出铁路防洪区段接触网支柱周围土质的位移数据，为铁路供电防洪预警预报提供正确、实时的信息，在一定程度上解放了供电部门的人力、物力。
关键词：接触网防洪；塌方传感器；ZigBee；CC2530；GPRS；上位机
引言
电气化铁路接触网防洪工作是铁路部门安全工作的重中之重，每年汛期来临前各铁路供电部门均需投入大量人力、物力进行防洪巡视检查，给正常的生产组织带来一定的影响。因此研究出接触网防洪区段在线监测系统，以缓解铁路供电安全生产压力是一项较为迫切的任务。目前，国内针对泥石流灾害、塌方地段监测等有了长期的研究，但应用于电气化铁路接触网防洪区段支柱附近塌方监测的系统还未有较深入的研究。本文结合目前针对水土塌方的监测研究现状以及接触网防洪工作的实际情况，提出了一种基于无线通信技术的接触网防洪区段在线监测系统，由专业塌方传感器及控制器组成现场土质位移数据的采集、处理与传输，由CC2530主芯片模块及GPRS通信模块组成集中器，用于组网、数据实时传输至监测终端（上位机），上位机主要用于实现区段土质位移信息的实时显示、异常信息报警提醒，此外用太阳能电池板与蓄电池组成构成系统供电系统，以实现可持续稳定供电，确保整个监测系统在自然环境中稳定、可持续运行。
1基于无线通信技术的接触网防洪区段在线监测系统设计
1.1系统总体结构
系统总体结构由专业塌方传感器及控制器组成数据采集节点，对每处支柱周边土质位移数据进行实时采集，多个采集接点共同组成传感器检测模块；由集成了ZigBee协议栈的CC2530主芯片模块及GPRS通信模块组成集中器模块；由上位机终端监测软件（或手机客户端）组成上位机模块，用于实现数据信息的实时显示、异常报警提醒。
1.2系统逻辑模型
系统逻辑模型如图1所示。
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图1 系统逻辑模型图
1.3传感器检测模块设计
1.3.1传感器选型
系统数据采集采用专业倾角模块STM124A-A06P，它采用芬兰VTI 公司的3D MEMS传感技术，4-20mA电流信号输出，方便远距离传输，具有高精度、高稳定性的特点，采用 IP67 防护等级的外壳封装，适用于倾角测量、水平调整等。
1.3.2传感器节点安装结构
考虑到电气化铁路接触网支柱的分布形式以及ZigBee无线组网传输距离（50-200m），我们一般在防洪区段上下行各自3根支柱处组建1个ZigBee网络，每根支柱线路侧、田野侧、顺线路方向上下行4个方向上距离支柱本体外沿300-500mm范围内地下埋设倾角模块传感器，并将传感器数据统一传输给控制器，以实现数据信息的实时采集与处理。
1.3.3 CC2530主芯片介绍
CC2530是TI公司开发的专门用于ZigBee无线传感器网络中进行数据传输的集成芯片，是对于ZigBee应用的真正的片上系统(SoC)解决方案，其内核是8051MCU，集成有射频收发模块，功耗低，另外还有Flash存储器，即使在掉电情况下能保存系统数据。CC2530最小系统包括CC2530单片机、天线接口、晶振和IO扩展接口。
1.4 集中器模块设计
1.4.1集中器总体结构
集中器总体结构如图4所示，由分布在每一根接触网支柱周围的数据采集节点以及集中器组建ZigBee网络，集中器负责将节点采集的数据进行接收、处理，并将数据通过GPRS无线通信模块发送至上位机服务器。集中器的功能主要用于数据的接收、集合与上传。
1.4.2 GPRS通信模块设计
GPRS 是以全球移动通讯系统(GSM)为基础的数据传输技术。它不但具有覆盖范围广、数据传输速度快、通信质量高、永远在线和按流量计费等优点，而且其本身就是一个分组型数据网，支持 TCP/IP 协议，可直接与 Internet互通。要实现远程无线通信，为了精简开发难度，所选用的GPRS模块要满足TCP/IP协议，可以直接接入网络。我们选用SIMCom公司生产的SIM900A模块，它能够实现GPRS转串口的功能，因此我们只需通过处理器的串口对其进行读写就可以实现数据交互。另外，该模块内部嵌入了TCP/IP协议栈，处理器利用串口只需通过给其发送一系列的AT指令就可以实现将监测数据发送到具有固定IP地址的服务器上的功能，简单可靠，数据通信稳定。采用SMT封装，外观精致小巧，性价比高，是GPRS通信技术的首选模块，该模块外设留有16个接口。
1.5 Zigbee-GPRS网关设计
无线网络通信发展到目前为止，网关不再完全归为一种传统意义上的网络硬件。网关的作用应该是能够连接两种不同网络的软件和硬件，所以说只要能将使用不同格式、通信协议或结构的两个系统无缝隙平滑连接起来的软硬件结合实体均可称之为网关。Zigbee无线传感器网络使用的是Zigbee协议，而GPRS技术是在原有移动通信技术发展而来的，能够满足用户接入互联网的需求，所以数据在传输过程当中是要遵循TCP/IP网络传输协议。在Zigbee无线传感器网络中，集中器对轴温采集节点发来的信息进行汇总、整理、分析后，需要将相关的数据信息转发给GPRS通信模块，最后通过GPRS网络发送至上位机。这样就必须要实现Zigbee网络协议到TCP/IP协议的转换。所以在Zigbee网络和GPRS网络间，需要设计一个可靠、性能强大、安全的网关，来实现两个不同协议网络间的数据传输。Zigbee网络到GPRS网络协议转换。
1.6 上位机模块设计
系统上位机模块主要由服务器、浏览器显示终端，本系统开发采用B/S模式，用户（接触网值班员）可通过登录服务器网址，进入监测系统界面，实时查看防洪区段内采集节点的土质数据。上位机监测终端界面要求人机交互友好，能够实时显示从节点采集到的数据，详细显示出具体区段名称、支柱号、土质数据，一旦倾角超过阈值，系统能够及时发出报警信号，提醒值班员立即做出抢险响应。如此一来，就可实现一人值守即可实时查询支柱土质数据信息，动态关注塌方倾向，不必耗费大量人力、物力现场雨中雨后巡视。
1.7 系统供电模块设计
为确保系统满足外界环境下的可持续稳定供电，系统采用太阳能电池板+蓄电池组合的供电模式，白天有阳光的条件下，太阳能电池板由于将光能直接转化为电能，并对蓄电池进行充电，夜间蓄电池对系统供电。由于太阳能电池板产生的直流电为12V，而采集节点主控芯片、集中器所需电源为3.3V，因此需要设计电压转换电路，将12V电压转换为系统供电所需的3.3V电压，且起到一定的滤波、稳压作用，以保证系统持续、稳定运行。
结束语
本文设计了一种基于无线通信技术的接触网防洪区段在线监测系统，所设计系统系统主要由传感器检测模块、集中器控制模块、上位机监测模块构成，详细介绍了各个模块的设计以及主要器件的选型。该系统的研究与实现能够有效、准确地测量出铁路防洪区段接触网支柱周围土质的位移数据，为铁路供电防洪预警预报提供正确、实时的信息，在一定程度上解放了供电部门的人力、物力。
下一步研究工作：系统现场采集节点我们只采用了倾斜角传感器，没有使用摄像模块实时监测现场实际画面；ZigBee无线通信组网范围不大，一旦需监测接触网防洪区段较长时，需组建多个集中器网络；GPRS通信速率不能很好滴满足数据实时交互需要时，需进一步研究当下普遍使用的4G通信技术；上位机监测终端可开发手机客户端（App），方便值班员随时随地查看现场情况。以上工作需在今后的工作中进一步加强研究与完善。
参考文献
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