基于GPRS及Web服務(wù)器技術(shù)實(shí)現(xiàn)接觸網(wǎng)補(bǔ)償裝置遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言

基金項(xiàng)目： 國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61364023）；航空基金資助項(xiàng)目（2013ZD56008）；江西省教育廳科技項(xiàng)目（GJJ13516）隨著列車運(yùn)行速度的提高，鐵路運(yùn)行密度逐步加大，對(duì)牽引供電系統(tǒng)安全可靠性的要求也越來越高。接觸網(wǎng)是牽引供電系統(tǒng)的重要設(shè)備之一，運(yùn)行中的接觸網(wǎng)要承受電力機(jī)車以一定的壓力高速接觸摩擦運(yùn)行，再加上通過接觸網(wǎng)的電流高達(dá)1 000 A以上，接觸網(wǎng)還受拉力、電弧、風(fēng)雪、霧雨及大氣污染的作用，使接觸網(wǎng)晝夜不停地處在振動(dòng)、摩擦、電弧、污染、伸縮的動(dòng)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)之中，一旦發(fā)生故障將中斷行車，擾亂電氣化鐵路的運(yùn)輸秩序，帶來經(jīng)濟(jì)損失，。快速、準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)故障，及時(shí)、迅速地進(jìn)行搶修，消除供電事故，最大限度地減少事故影響，是鐵路電氣化區(qū)段運(yùn)行檢修業(yè)界追求的目標(biāo)，是努力提高鐵路服務(wù)質(zhì)量的保障。對(duì)接觸網(wǎng)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)是提高接觸網(wǎng)可靠性的重要方法之一，本文對(duì)接觸網(wǎng)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行研究，提出基于GPRS的接觸網(wǎng)補(bǔ)償裝置遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

隨著大氣溫度的變化，承力索和接觸線會(huì)線性伸長(zhǎng)（或縮短），通過監(jiān)測(cè)接觸網(wǎng)所處環(huán)境的溫濕度以及補(bǔ)償墜砣到接觸網(wǎng)下錨支柱之間的位移，對(duì)比不同溫度下的位移變化來判斷接觸網(wǎng)是否有補(bǔ)償卡滯現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)對(duì)接觸網(wǎng)的監(jiān)測(cè)。接觸網(wǎng)補(bǔ)償裝置遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)安裝在支架和墜砣之間，測(cè)量時(shí)設(shè)備對(duì)接觸網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)影響很小。

圖1系統(tǒng)總體框圖基于GPRS的接觸網(wǎng)補(bǔ)償裝置遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，圖中的虛線表示信號(hào)按無線方式傳輸。系統(tǒng)由無線采集節(jié)點(diǎn)、GPRS基站、互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器、用戶終端（計(jì)算機(jī)）構(gòu)成。該系統(tǒng)的工作過程是對(duì)溫濕度傳感器和位移傳感器周期性地進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，利用SIM900A模塊通過基站將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器，計(jì)算機(jī)用戶通過Internet來完成對(duì)溫度和位移的監(jiān)測(cè)。

該系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢(shì)：（1）電源及監(jiān)測(cè)模塊不僅能夠提供穩(wěn)定的直流電壓，還能快速地檢測(cè)電源的電壓和通斷情況，確保保存的數(shù)據(jù)不丟失；（2）采用［6］卡進(jìn)行GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸，保證數(shù)據(jù)傳輸率和可靠性，所用資費(fèi)比GSM短信資費(fèi)要低。

2、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件主要包含電源模塊、微處理器模塊、GPRS通訊模塊、傳感器等，系統(tǒng)硬件組成如圖2所示。

2．1電源模塊

電源系統(tǒng)輸入電壓為AC 220 V，輸出12 V為運(yùn)算放大器供電、5 V為外置傳感器供電、4 V為GPRS模塊供電、3．3 V為MCU模塊供電，如圖3所示。穩(wěn)定的電源供電是系統(tǒng)能夠安全并且高效工作的基礎(chǔ)，考慮到接觸網(wǎng)所處環(huán)境惡劣，設(shè)計(jì)時(shí)電源輸入端采用金升陽LD1020B12電源轉(zhuǎn)換模塊［7］將220 V交流電輸入轉(zhuǎn)換為＋12 V／1 A

輸出。LD1020B12是小體積開關(guān)電源模塊，具有輸出短路、過流、過壓保護(hù)等功能。其EMC及安全規(guī)格滿足國(guó)際IEC／EN610004、CISPR11／EN55011、UL60950、EN60601的標(biāo)準(zhǔn)。最重要的是該電源模塊輸出隔離電壓可達(dá) 4 000 V AC ，適用于高隔離及嚴(yán)格電磁兼容的應(yīng)用場(chǎng)合。

2．2微處理模板

無線采集節(jié)點(diǎn)是該系統(tǒng)的核心部件，考慮到系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)合及功能特點(diǎn)，其必須滿足高性能、低功耗、低成本、小體積的要求，同時(shí)便于安裝與維護(hù)。在硬件設(shè)計(jì)時(shí)選用C8051f 930單片機(jī)為微處理器［8］，其與8051內(nèi)核兼容，擴(kuò)展的中斷系統(tǒng)為CIP－51提供多個(gè)中斷源。

器數(shù)據(jù)采集、電源模塊控制、電源掉電監(jiān)測(cè)等。其中MCU與GPRS通過串口通訊，與溫度傳感器通過IO口模擬的I2C接口通訊，通過IO口采集拉線式位移傳感器輸出的模擬量電壓信號(hào)。

2．3GPRS通訊模塊

無線通訊方式包括紅外線、藍(lán)牙、WiFi、ZigBee、GPRS等，但在超過1 km數(shù)據(jù)傳輸距離中，最可靠、最便捷、最低成本的方式是GPRS。GPRS無線網(wǎng)絡(luò)具有覆蓋范圍廣、接入速度快、使用成本低和永遠(yuǎn)在線等特點(diǎn)［910］，因此上位機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以及時(shí)地獲取接觸網(wǎng)補(bǔ)償裝置相關(guān)參數(shù)，實(shí)時(shí)分析接觸網(wǎng)補(bǔ)償裝置是否可靠運(yùn)行。GPRS模塊選用希姆通的SIM900A模塊，其內(nèi)部集成多種網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，可以實(shí)現(xiàn)語音、短信、數(shù)據(jù)等信息的遠(yuǎn)程傳輸，能夠通過AT指令來實(shí)現(xiàn)與GPRS網(wǎng)絡(luò)的連接。

GPRS模塊電路如圖4所示，由天線、阻抗匹配電路、SIM卡電路、ESD保護(hù)電路組成。其中RF管腳與50 Ω的射頻天線相連，TXD、RXD管腳分別連接MCU串口接收端和發(fā)送端。系統(tǒng)所用SIM卡為13位物聯(lián)網(wǎng)卡，用戶可以獲取豐富的碼號(hào)資源。且物聯(lián)網(wǎng)具有高質(zhì)量的網(wǎng)絡(luò)性能，通過建設(shè)物聯(lián)網(wǎng)短信中心、物聯(lián)網(wǎng)GGSN、物聯(lián)網(wǎng)HLR等物聯(lián)網(wǎng)專用網(wǎng)元，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)用戶與大眾用戶的網(wǎng)絡(luò)分離，為行業(yè)客戶提供可靠和穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)。用戶可以通過應(yīng)用平臺(tái)提供的接口，對(duì)終端的工作狀態(tài)、通信狀態(tài)等進(jìn)行實(shí)時(shí)自主管理。

2．4防雷擊接口設(shè)計(jì)

電子系統(tǒng)可能會(huì)受到瞬時(shí)過電壓干擾，這些干擾源主要包括：由于通斷感性負(fù)載或啟停大功率負(fù)載，線路故障等產(chǎn)生的過電壓，由于雷電等自然現(xiàn)象引起的雷電浪涌［11］。為避免浪涌電壓損害電子設(shè)備，設(shè)計(jì)時(shí)采用箝位保護(hù)器，即保護(hù)器件在擊穿后，其兩端電壓維持在擊穿電壓上不再上升，以箝位的方式起到保護(hù)作用，主要器件是氧化鋅壓敏電阻（MOV）、瞬態(tài)電壓抑制器（TVS）。

3、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3．1下位機(jī)程序設(shè)計(jì)

下位機(jī)軟件采用C語言編寫，在Keil 4 C51編譯器下編譯。下位機(jī)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括兩部分：一是單片機(jī)對(duì)電源模塊的控制及數(shù)據(jù)的采集；二是GPRS模塊數(shù)據(jù)傳輸。下位機(jī)軟件功能模塊組成如圖5所示。

3．2單片機(jī)對(duì)電源模塊的控制及數(shù)據(jù)的采集

為降低功耗，MCU采集一組數(shù)據(jù)后休眠一段時(shí)間再進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，MCU有兩種工作狀態(tài)，即數(shù)據(jù)采集狀態(tài)和休眠狀態(tài)。數(shù)據(jù)采集狀態(tài)下通過GPIO26打開電源開關(guān)，對(duì)外設(shè)模塊供電，進(jìn)行GPRS通訊初始化、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸。休眠狀態(tài)時(shí)通過GPIO26關(guān)閉電源開關(guān)，對(duì)外設(shè)模塊斷電同時(shí)MCU工作在休眠模式。

3．3GPRS模塊數(shù)據(jù)傳輸

單片機(jī)通過串口與GPRS模塊交換數(shù)據(jù)， 包括串口初始化、寫串口數(shù)據(jù)等函數(shù)。讀串口數(shù)據(jù)是通過中斷來完成的。在串口函數(shù)基礎(chǔ)上編寫GPRS模塊的驅(qū)動(dòng)函數(shù)，控制方法是采用AT命令［12］。主要涉及的命令如表1所示。

GPRS終端和數(shù)據(jù)中心根據(jù)各自的IP地址相互通訊。常用的系統(tǒng)組網(wǎng)方式有3種［1314］：（1）采用公網(wǎng)固定IP，通訊速度快、運(yùn)行可靠、組網(wǎng)簡(jiǎn)單，但該方式必須擁有固定的IP地址，總體成本較高。（2）采用公網(wǎng)動(dòng)態(tài)IP＋DNS域名解析方式，其通訊速度適中、通訊質(zhì)量較為穩(wěn)定、網(wǎng)絡(luò)建設(shè)工作量小、通訊費(fèi)用較低。（3）采用GPRS專線方式，其數(shù)據(jù)安全性好、通訊速度快，但是系統(tǒng)初期建設(shè)成本高?？紤]到系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的條件，本系統(tǒng)采用公網(wǎng)動(dòng)態(tài)IP＋DNS域名解析的組網(wǎng)方式。

3．4上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集時(shí)節(jié)點(diǎn)每隔30 min自動(dòng)進(jìn)行一次采集任務(wù)，并把采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給服務(wù)器。服務(wù)器接收數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中。服務(wù)器設(shè)計(jì)采用Web框架：Struts2＋Spring＋Hibernate＋JSP＋JFreeChart，JDK版本為jdk 1．7。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器平臺(tái)選用MySQL 5．5，其與服務(wù)端監(jiān)測(cè)程序共用同一數(shù)據(jù)庫，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享［15］。上位機(jī)軟件功能模塊如圖6所示。

4、實(shí)驗(yàn)與應(yīng)用

為驗(yàn)證接觸網(wǎng)補(bǔ)償裝置遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的可行性，分別將拉線式傳感器1和拉線式傳感器2的拉線端固定在承力索和接觸線的墜陀上，傳感器的另一端固定在支架上，現(xiàn)場(chǎng)安裝圖如圖7所示。人工測(cè)量不同時(shí)間點(diǎn)環(huán)境溫度值、拉線式傳感器1和拉線式傳感器2的長(zhǎng)度值，再與Web服務(wù)器監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。測(cè)試結(jié)果顯示傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)較準(zhǔn)確，方案可行。

5、結(jié)論

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套完整的接觸網(wǎng)補(bǔ)償裝置遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)以C8051F930芯片作為系統(tǒng)的主控制器，以SIM900A模塊作為無線傳感網(wǎng)絡(luò)的通訊節(jié)點(diǎn)，個(gè)節(jié)點(diǎn)之間以不同的時(shí)間間隔向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)，結(jié)合GPRS無線通訊及Web服務(wù)器技術(shù)，將節(jié)點(diǎn)連接到遠(yuǎn)程服務(wù)器。通過監(jiān)測(cè)環(huán)境溫度及接觸網(wǎng)承力索、接觸線的長(zhǎng)度變化來判斷接觸網(wǎng)補(bǔ)償裝置是否有卡滯現(xiàn)象。該系統(tǒng)經(jīng)試運(yùn)行，能快速、及時(shí)、準(zhǔn)確地尋找到故障點(diǎn)。