钢轨应变实时监测节点研究

钢轨应变实时监测节点研究作者：张志新刘冲王天娆于荣荣摘要：为了实现对钢轨应变的远距离、实时监测，以MSP430F149单片机为主控制器，结合ZigBee技术，设计了实时监测节点，完成了钢轨应变、温度的采集及数据无线传输。

将节点进行了实验室测试和标定并将其安装在某铁路路段进行了实际测试，实际测得的数据与理论分析相符，节点安装简单、运行稳定、速度快、功耗低，适用于户外无人值守的恶劣监测环境。

关键词：钢轨应变；无线节点；远程；实时监测； ZigBee中图分类号： TN926?34； TP216.1 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X （2013）19?0135?050 引言随着我国铁路提速战略的实施及高速铁路的蓬勃发展，轨道安全成为人们关心的热点。

无缝钢轨利用扣件阻力、道床阻力等外力强制限制其自由伸缩[1]，由于物体的热胀冷缩效应，在钢轨内部会产生很大的纵向温度力[2?3]。

若不能及时、准确掌握钢轨温度力状况，并对温度力超限地段及时调整、放散，就可能发生断轨、胀轨跑道等事故，危及行车安全[4?5]。

因此，无缝钢轨温度力的准确、实用测量是无缝线路安全状态研究中的一个关键课题[6]。

王建文等人利用钢轨在弹性变形范围内，其侧向挠曲变形与温度内力变化有密切关系的原理，建模分析了二者的变化规律，并研制出钢轨温度内力测试系统[6?7]。

彭小丹利用超声波在弹性体中传播时，其传播速度与介质的应力状态之间存在线性关系的理论，研制了超声波无缝钢轨温度应力检测系统。

系统中的超声波接收电路接收检测温度应力。

系统中的超声波发射电路产生的超声波，经钢轨反射和折射后，由接收电路接收，其后测得其传播速度，进而计算出钢轨的温度应力[8]。

王骁利用铁磁材料被交变磁场磁化过程中，材料内部磁畴错动产生壁移，向外辐射电磁和声能量的现象，设计了巴克豪森噪讯无缝线路检测仪[9]。

澳洲有一种被称作“RAILSCAN”的检测方法[10]，是以摄像原理，对轨道断面相关部位几何尺寸的检测来判断钢轨是否因温度应力等原因发生异常。

英国某公司还提出一种被称作VERSE（Vertical Rail Stiffness Equipment）的测量方法[11]，它是基于抬起钢轨所需的的垂向力因钢轨纵向力的不同而不同，从而间接得到钢轨的温度应力。

以上测试方法都对钢轨的温度应力的测试做了有益的探索，但钢轨本身作为行车信号的通道，对钢轨测试时不能影响该信号，故以上测试方法不够完善，设备的安装使用较为复杂，推广使用有一定困难。

另外，上述温度应力测试装置都是便携式仪器，须在无车时对钢轨进行现场测试，无法实现实时远程监测。

应变能准确反映钢轨内部温度力的状况，本文采用应变法，结合无线通信技术，研制了钢轨应变实时监测节点，实现对数据的实时采集及远程传输。

通过高低温实验验证节点性能，并用标准应变模拟仪标定节点，校正其初始值和线性度，最终实现对钢轨应变的实时在线监测。

实践证明该方法切实可行，节点适用于钢轨线路等封闭性测量环境。

1 节点应变检测电路设计1.1 测量原理应变与钢轨温度变化有直接关系，故节点采集应变的同时也应采集钢轨的温度。

本文中将应变片和温度传感器粘贴在钢轨表面，直接测得钢轨应变和温度。

在钢轨轨腰中性轴处粘贴应变片，则应变片的丝栅随钢轨一起发生长短变化。

图1为应变片和节点内的低温漂电阻组成的全桥桥路。

电阻[R1，R2]的低温漂特性从一定程度上补偿温度变化对测量值的影响，纵向应变片[R3]主要测量钢轨纵向应变，而竖向应变片[R4]先贴在与被测轨热胀系数相同的补偿块上，再将补偿块贴在钢轨上与钢轨保持同样的温度，用于温度补偿和参照系数。

在B端给桥路供电，AC两端的压差[ΔU]输出为：[ΔU=UC-UA=VexcR2+R3×R4-VexcR1+R4×R3=Vexc×R2R4-R1R3R2+R3R1+R4] （1）当钢轨应变发生变化，应变片阻值[R3，R4]变化引起AC两端压差变化，经过后续处理单元，计算出钢轨应变的改变量。

1.2 检测电路设计节点主要由采集单元、无线通信单元和供电单元3部分组成。

原理框图如图2所示。

采集单元主要实现对桥路信号的放大、滤波等处理，经A/D转换后对数据进行采集、存储，并对控制命令及时响应。

由于桥路输出的微小信号易受影响，而桥臂电阻、放大器、滤波器等器件的温漂不可避免，故本文中选用低温漂电阻及本身温度系数小、性能良好的芯片对模拟信号进行处理，尽量减小系统温漂。

选用MSP430系列芯片做CPU，该芯片采用精简指令结构，执行速度快，片内含有本文中需要的定时器、串行口、SPI口等资源，并有多种低功耗模式，也可根据系统运行速度灵活选择不同频率的运行时钟，以降低功耗。

而工作于恶劣环境中的设备，由于强磁干扰、强辐射等影响，可能会造成程序跑飞，发生不可预知的后果。

为了防止上述意外发生，使单片机可在无人状态下连续稳定工作，本系统为微处理器添加看门狗芯片监测程序运行状态。

若程序正常运行，CPU能在规定时间内喂狗，否则看门狗溢出使单片机复位。

为了实现对钢轨应变的实时远程监测，本文选用ZigBee网络进行节点数据的无线传输。

该网络容量大、功耗低，且网络的自组织、自愈能力强。

应用该网络，节点与网关间可自动动态组网，快速建立连接。

其协议紧凑简单，对资源要求少，并建立了碰撞避免和应答通信机制，从而避免了发送数据时的竞争和冲突，保证了传输信息的高效和高可靠性。

节点应用于户外，且要实现全天候监测，由于供电不便且节点进行了低功耗设计，对能源消耗不大，故采用太阳能电池板加蓄电池的方式供电；另外，为了防止雷击损坏节点、影响行车信号，在供电模块中添加避雷装置，以吸收雷击时的瞬间高压，保护节点安全。

2 节点软件设计2.1 软件设计总体思路系统软件设计总体思路如图3所示，采用模块化程序设计方案，程序分为外部接口模块、处理函数模块及内存模块。

外部接口模块主要完成对节点外部接口的操作，如对ZigBee和外部传感器的初始化、供电控制等。

处理函数为节点的外部接口模块和内存模块的连接部分，主要完成对ZigBee网络数据的接收和发送，包括按照协议对接收的数据进行处理、组织待发送数据，及按照设置的采样参数采集传感器数据；对数据的管理本文视为内存管理，如对ZigBee网络中接收的数据、待发送到无线网络中的数据进行暂存，及对节点运行参数和传感器数据的存储，以便后续处理。

2.2 节点与网关间通信协议设计2.2.1 总体协议节点与网关通信协议如图4所示，本文对原有的ZigBee协议进行了优化改进，增加了节点数据的起始符，使网关能快速区分其检测到的ZigBee设备是否属于本系统，而对系统外设备的数据，则进行剔除，防止数据混乱。

节点的ID号与其安装位置一一对应，采集的数据较多需分包传输，并且对数据的查询、分析等操作依赖于时间信息。

基于以上原因，节点传输的数据中除应变、温度数据外，还有节点ID号、本次数据采样起始时间、总共发送的包数、当前包号等附加信息，方便对数据进行后续解析、分析等处理。

该协议中利用帧长度而非特定结束符判断帧是否结束，防止采集数据中恰好出现结束符导致后续解析错误。

为保证数据传输的高可靠性，采用双重校验，对于整帧数据采用简单和校验，对于节点数据采用高效差错控制的CRC法校验。

本文按半字节进行CRC校验，既不会占用太多内存，又不至于影响处理速度。

2.2.2 数据静态组包动态发送策略及自动补包机制发送的一帧数据中，必须包含ZigBee协议中规定的字节。

数据包过短会造成资源浪费，而数据包过长又会导致数据不易发送成功。

经测试，每个数据包发送成功所需的时间和该数据包长度有关，数据包长度为80～120 B时，发送成功所需的时间最短，而通信质量差时，即便数据包长度很短，也不易发送成功，故本文中采用静态组包动态发送策略。

即数据包长度固定，节点自动检测当前通信质量，并根据链路质量及网关的回应信息，自动调整每包发送次数及发送相邻的数据包时的间隔时间。

若传输过程中，有数据包丢失，则要对本次数据传输进行补包处理。

每包数据达到最多发送次数，仍未发送成功，则记录该包的包号，待全部数据包发送完成后，进行补包。

丢包较少时，只重发网关未接收成功的数据包；若丢包超过总数据包的[13，]则为减少网关补包后重新组包的工作，节点自动检测通信质量，适合发送数据时，将全部数据包重新上传。

2.3 FLASH分块管理策略节点采用外部FLASH保存采集的传感器数据和用户配置的参数等重要信息，防止意外掉电时数据丢失。

因FLASH的擦除次数有限，故应合理规划数据的存储机制，以尽量保证磨损均匀，提高FLASH的使用寿命，保证数据安全可靠。

本文中采用分块管理的方法，将各块按其存储状态进行管理。

空白块用于保存下次节点采集的数据，数据块存储了节点要向网关发送的数据，可擦除块为向网关发送成功的数据块。

根据存储状态同时兼顾擦除次数，将页编码排列在链表中，用于指示采集的数据和待发送的数据的存储位置，同时依据存储状态的改变及时调整链表。

其过程如图5所示。

3 节点测试与结果3.1 节点的高低温实验为了测试温漂特性，将节点连接温度传感器并用外接电阻替代图1中的应变片，进行高低温测试。

温度循环设置为：从40 ℃降到-20 ℃，然后再升高至40 ℃。

节点在-20 ℃、0 ℃、20 ℃及40 ℃分别保持30 min，由一个温度保持点经过30 min到达下一个设定温度，每个循环周期为6 h。

图6为节点在高低温实验箱内，3个温度循环周期中测得的应变和温度数据。

可见应变值随温度变化而变化，由图6中应变和温度的最大、最小值可得平均每摄氏度的应变变化量为2.7 με，节点温漂较小。

3.2 节点标定理想状况下，输入到节点内的应变值与节点测得的应变值应相同。

实际上，由于实验前电桥不能完全平衡，电路中存在导线电阻，应变片灵敏系数有误差，元器件存在温漂等因素的影响，节点应变测量值[εout]与输入值[εin]不完全相同，而是为式（2）中的线性关系：[εout=kεin+b] （2）式中：[k]为二者的线性系数；[b]为节点的应变初始值。

为了校正节点的非线性误差，提高应变数据采集的准确性，本文将标准应变模拟仪作为输入源，对节点进行标定。

图7为节点和标定仪器的工作图，按照标准应变模拟仪的要求，根据图1中的桥路连接方法，将其输出线A、B、C分别连接至节点的输入端，替代应变片[R3，R4，]组成全桥回路。

节点采集的数据发送至网关，网关经外部接口与电脑相连，然后通过上位机软件查看节点采集的数据并计算[k，b]值。

先将应变仪对节点的输入应变调整为0，待软件中显示的节点应变值稳定后，多次记录节点测得的数据，并计算其平均值，作为节点的[b]值，然后将应变仪调到10 000，按照测得[b]值的方法，依据式（2）计算并记录[k值。