基于GPRS的接觸網(wǎng)補償裝置遠程監控系統設計

為準確、及時(shí)地發(fā)現鐵路接觸網(wǎng)補償裝置的故障，文中通過(guò)監測接觸網(wǎng)環(huán)境溫度及承力索、接觸線(xiàn)的長(cháng)度變化來(lái)判斷接觸網(wǎng)補償裝置是否有卡滯現象。該系統以C8051F930芯片作為系統的主控制器，以SIM900A無(wú)線(xiàn)傳輸模塊作為無(wú)線(xiàn)絡(luò )的通信節點(diǎn)，各個(gè)節點(diǎn)之間以不同的時(shí)間間隔向服務(wù)器發(fā)送數據，結合GPRS無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)及Web互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將節點(diǎn)連接到遠程服務(wù)器。實(shí)驗結果表明，該系統性能穩定，檢測精度高，滿(mǎn)足相關(guān)設計要求。

接觸網(wǎng);補償裝置;遠程監控系統;GPRS;SIM900A

TN806文獻標識碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.05.002

引用格式：譚朋柳，周樂(lè )，冒蘇敏.基于GPRS的接觸網(wǎng)補償裝置遠程監控系統設計[J].微型機與應用，2017，36(5)：4-7，10.

0引言

基金項目： 國家自然科學(xué)基金資助項目(61364023);航空基金資助項目(2013ZD56008);江西省教育廳科技項目(GJJ13516)隨著(zhù)列車(chē)運行速度的提高，鐵路運行密度逐步加大，對牽引供電系統安全可靠性的要求也越來(lái)越高。接觸網(wǎng)是牽引供電系統的重要設備之一[14]，運行中的接觸網(wǎng)要承受電力機車(chē)以一定的壓力高速接觸摩擦運行，再加上通過(guò)接觸網(wǎng)的電流高達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)運行狀態(tài)之中，一旦發(fā)生故障將中斷行車(chē)，擾亂電氣化鐵路的運輸秩序，帶來(lái)經(jīng)濟損失[5]?？焖?、準確地發(fā)現故障，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，是鐵路電氣化區段運行檢修業(yè)界追求的目標，是努力提高鐵路服務(wù)質(zhì)量的保障。對接觸網(wǎng)進(jìn)行在線(xiàn)監測是提高接觸網(wǎng)可靠性的重要方法之一，本文對接觸網(wǎng)在線(xiàn)監測技術(shù)進(jìn)行研究，提出基于GPRS的接觸網(wǎng)補償裝置遠程監控系統設計。

1、系統總體設計

隨著(zhù)大氣溫度的變化，承力索和接觸線(xiàn)會(huì )線(xiàn)性伸長(cháng)(或縮短)，通過(guò)監測接觸網(wǎng)所處環(huán)境的溫濕度以及補償墜砣到接觸網(wǎng)下錨支柱之間的位移，對比不同溫度下的位移變化來(lái)判斷接觸網(wǎng)是否有補償卡滯現象，實(shí)現對接觸網(wǎng)的監測。接觸網(wǎng)補償裝置遠程監控系統安裝在支架和墜砣之間，測量時(shí)設備對接觸網(wǎng)的運行狀態(tài)影響很小。

圖1系統總體框圖基于GPRS的接觸網(wǎng)補償裝置遠程監控系統架構如圖1所示，圖中的虛線(xiàn)表示信號按無(wú)線(xiàn)方式傳輸。系統由無(wú)線(xiàn)采集節點(diǎn)、GPRS基站、互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器、用戶(hù)終端(計算機)構成。該系統的工作過(guò)程是對溫濕度傳感器和位移傳感器周期性地進(jìn)行數據采集，利用SIM900A模塊通過(guò)基站將采集的數據發(fā)送到互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器，計算機用戶(hù)通過(guò)Internet來(lái)完成對溫度和位移的監測。

該系統具有以下優(yōu)勢：(1)電源及監測模塊不僅能夠提供穩定的直流電壓，還能快速地檢測電源的電壓和通斷情況，確保保存的數據不丟失;(2)采用[6]卡進(jìn)行GPRS無(wú)線(xiàn)數據傳輸，保證數據傳輸率和可靠性，所用資費比GSM短信資費要低。

2、系統硬件設計

系統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，系統硬件組成如圖2所示。

2.1電源模塊

電源系統輸入電壓為AC 220 V，輸出12 V為運算放大器供電、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。穩定的電源供電是系統能夠安全并且高效工作的基礎，考慮到接觸網(wǎng)所處環(huán)境惡劣，設計時(shí)電源輸入端采用金升陽(yáng)LD1020B12電源轉換模塊[7]將220 V交流電輸入轉換為+12 V/1 A

輸出。LD1020B12是小體積開(kāi)關(guān)電源模塊，具有輸出短路、過(guò)流、過(guò)壓保護等功能。其EMC及安全規格滿(mǎn)足國際IEC/EN610004、CISPR11/EN55011、UL60950、EN60601的標準。最重要的是該電源模塊輸出隔離電壓可達 4 000 V AC ，適用于高隔離及嚴格電磁兼容的應用場(chǎng)合。

2.2微處理模板

無(wú)線(xiàn)采集節點(diǎn)是該系統的核心部件，考慮到系統的應用場(chǎng)合及功能特點(diǎn)，其必須滿(mǎn)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。在硬件設計時(shí)選用C8051f 930單片機為微處理器[8]，其與8051內核兼容，擴展的中斷系統為CIP-51提供多個(gè)中斷源。

器數據采集、電源模塊控制、電源掉電監測等。其中MCU與GPRS通過(guò)串口通訊，與溫度傳感器通過(guò)IO口模擬的I2C接口通訊，通過(guò)IO口采集拉線(xiàn)式位移傳感器輸出的模擬量電壓信號。

2.3GPRS通訊模塊

無(wú)線(xiàn)通訊方式包括紅外線(xiàn)、藍牙、WiFi、ZigBee、GPRS等，但在超過(guò)1 km數據傳輸距離中，最可靠、最便捷、最低成本的方式是GPRS。GPRS無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )具有覆蓋范圍廣、接入速度快、使用成本低和永遠在線(xiàn)等特點(diǎn)[910]，因此上位機監測系統可以及時(shí)地獲取接觸網(wǎng)補償裝置相關(guān)參數，實(shí)時(shí)分析接觸網(wǎng)補償裝置是否可靠運行。GPRS模塊選用希姆通的SIM900A模塊，其內部集成多種網(wǎng)絡(luò )通信協(xié)議，可以實(shí)現語(yǔ)音、短信、數據等信息的遠程傳輸，能夠通過(guò)AT指令來(lái)實(shí)現與GPRS網(wǎng)絡(luò )的連接。

GPRS模塊電路如圖4所示，由天線(xiàn)、阻抗匹配電路、SIM卡電路、ESD保護電路組成。其中RF管腳與50 Ω的射頻天線(xiàn)相連，TXD、RXD管腳分別連接MCU串口接收端和發(fā)送端。系統所用SIM卡為13位物聯(lián)網(wǎng)卡，用戶(hù)可以獲取豐富的碼號資源。且物聯(lián)網(wǎng)具有高質(zhì)量的網(wǎng)絡(luò )性能，通過(guò)建設物聯(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(zhuān)用網(wǎng)元，實(shí)現物聯(lián)網(wǎng)用戶(hù)與大眾用戶(hù)的網(wǎng)絡(luò )分離，為行業(yè)客戶(hù)提供可靠和穩定的網(wǎng)絡(luò )。用戶(hù)可以通過(guò)應用平臺提供的接口，對終端的工作狀態(tài)、通信狀態(tài)等進(jìn)行實(shí)時(shí)自主管理。

2.4防雷擊接口設計

電子系統可能會(huì )受到瞬時(shí)過(guò)電壓干擾，這些干擾源主要包括：由于通斷感性負載或啟停大功率負載，線(xiàn)路故障等產(chǎn)生的過(guò)電壓，由于雷電等自然現象引起的雷電浪涌[11]。為避免浪涌電壓損害電子設備，設計時(shí)采用箝位保護器，即保護器件在擊穿后，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、系統軟件設計

3.1下位機程序設計

下位機軟件采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，在Keil 4 C51編譯器下編譯。下位機系統軟件設計主要包括兩部分：一是單片機對電源模塊的控制及數據的采集;二是GPRS模塊數據傳輸。下位機軟件功能模塊組成如圖5所示。

3.2單片機對電源模塊的控制及數據的采集

為降低功耗，MCU采集一組數據后休眠一段時(shí)間再進(jìn)行數據采集，MCU有兩種工作狀態(tài)，即數據采集狀態(tài)和休眠狀態(tài)。數據采集狀態(tài)下通過(guò)GPIO26打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)，對外設模塊供電，進(jìn)行GPRS通訊初始化、數據采集、數據傳輸。休眠狀態(tài)時(shí)通過(guò)GPIO26關(guān)閉電源開(kāi)關(guān)，對外設模塊斷電同時(shí)MCU工作在休眠模式。

3.3GPRS模塊數據傳輸

單片機通過(guò)串口與GPRS模塊交換數據， 包括串口初始化、寫(xiě)串口數據等函數。讀串口數據是通過(guò)中斷來(lái)完成的。在串口函數基礎上編寫(xiě)GPRS模塊的驅動(dòng)函數，控制方法是采用AT命令[12]。主要涉及的命令如表1所示。

GPRS終端和數據中心根據各自的IP地址相互通訊。常用的系統組網(wǎng)方式有3種[1314]：(1)采用公網(wǎng)固定IP，通訊速度快、運行可靠、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)量較為穩定、網(wǎng)絡(luò )建設工作量小、通訊費用較低。(3)采用GPRS專(zhuān)線(xiàn)方式，其數據安全性好、通訊速度快，但是系統初期建設成本高?？紤]到系統實(shí)驗的條件，本系統采用公網(wǎng)動(dòng)態(tài)IP+DNS域名解析的組網(wǎng)方式。

3.4上位機程序設計

數據采集時(shí)節點(diǎn)每隔30 min自動(dòng)進(jìn)行一次采集任務(wù)，并把采集到的數據發(fā)送給服務(wù)器。服務(wù)器接收數據并存儲到數據庫中。服務(wù)器設計采用Web框架：Struts2+Spring+Hibernate+JSP+JFreeChart，JDK版本為jdk 1.7。數據庫服務(wù)器平臺選用MySQL 5.5，其與服務(wù)端監測程序共用同一數據庫，以實(shí)現數據共享[15]。上位機軟件功能模塊如圖6所示。

4、實(shí)驗與應用

為驗證接觸網(wǎng)補償裝置遠程監控系統的可行性，分別將拉線(xiàn)式傳感器1和拉線(xiàn)式傳感器2的拉線(xiàn)端固定在承力索和接觸線(xiàn)的墜陀上，傳感器的另一端固定在支架上，現場(chǎng)安裝圖如圖7所示。人工測量不同時(shí)間點(diǎn)環(huán)境溫度值、拉線(xiàn)式傳感器1和拉線(xiàn)式傳感器2的長(cháng)度值，再與Web服務(wù)器監測的數據進(jìn)行對比，實(shí)驗數據如表2所示。測試結果顯示傳感器測量數據較準確，方案可行。

5、結論

本文設計并實(shí)現了一套完整的接觸網(wǎng)補償裝置遠程監控系統，該系統以C8051F930芯片作為系統的主控制器，以SIM900A模塊作為無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )的通訊節點(diǎn)，個(gè)節點(diǎn)之間以不同的時(shí)間間隔向服務(wù)器發(fā)送數據，結合GPRS無(wú)線(xiàn)通訊及Web服務(wù)器技術(shù)，將節點(diǎn)連接到遠程服務(wù)器。通過(guò)監測環(huán)境溫度及接觸網(wǎng)承力索、接觸線(xiàn)的長(cháng)度變化來(lái)判斷接觸網(wǎng)補償裝置是否有卡滯現象。該系統經(jīng)試運行，能快速、及時(shí)、準確地尋找到故障點(diǎn)。