基于Zigbee技术接触网电连接线夹温度监测装置的研究＊

郑箭锋，傅勤毅

(1.南昌铁路局总工程师室，江西 南昌 330002;2.中南大学交通运输工程学院，湖南 长沙 410075)

接触网是沿铁路上空架设的一条特殊形式的输电线路，其主导电回路是由馈电线、隔开、隔开引线、承力索、接触线、电联接器、吸变、吸变引线等组成。各部分间由各种电连接线夹进行连接，使这一回路沿铁路延伸，以满足电力机车、动车组牵拄供电需求。因此，电连接线夹是接触网重要的导电连接零件，若因长时间运行发生接触不良或松动等现象，会使电连接处接触电阻增加进而温度上升，造成线夹发热而烧伤线索，严重时会造成塌网、断线故障，从而酿成行车中断事故。在铁路电气化接触网设备的各类故障中，电气烧伤故障因其事前难以发现且危害性大，已引起接触网零配件生产厂商和电气化铁路运营单位的高度重视。近年来，相继采取了以下各种相关措施:采用电力复合脂取代中性凡士林，以进一步降低接头与线夹间的接触电阻;接触网馈电线与承力索之间的电连接线夹改为“铜铝过渡电连接线夹”，以解决铜铝间电腐蚀问题;采用超声波检测仪取代红外线测温仪，定期对接触网各电连接部位及线夹进行扫描，利用超声波高频短波特性及时发现因线夹松动和绝缘节不良引起的早期放电现象，以提前预防电气烧伤故障，等等。由于高铁、提速线路等电气化铁路运输繁忙，天窗时间有限，供电系统维修人员作业时间大多在夜间，仅靠人工上道使用超声波检测仪对辖区内接触网各电连接点进行扫描，难以发现线夹松动、绝缘节不良等早期故障，也难以发现电连接线夹未按规定安装、电力复合脂老化等潜在因素，从而因接触电阻过大所导致的接触网电气烧伤故障无法得到彻底排查。为了弥补以上缺点，有些供电段在电连接线夹上粘贴“示温记录标签”，利用其色彩随温升而变化的特性来监测电气连接的性能和状态。但由于该“标签”在高温范围内颜色变化并不明显，加上不便于观察(需借用望远镜观察)，尤其是当线夹因接触不良引起的温度变化梯度较大且达不到“标签”变色温度时，就会埋下接触网电气烧伤隐患，以致这类事故得不到有效的控制。为了进一步减少接触网电气烧伤故障，本文提出了一种应用ZigBee无线网络技术“接触网电连接线夹温度检测装置”的技术方案，这种安装在线夹上的接触网电连接线夹温度检测装置可对线夹温度进行实时监控，可记录温度和温度变化超过设定值时的数值及时间，并以无线方式向用户传输有关数据，以便维修人员及时对有隐患的线夹进行处理。

1 系统设计

1.1 系统结构、原理与设计目标

根据《接触网运行检修规程》，时速200 km以下或以上电气化区段一般定期按步行或轨道作业车方式进行巡视，结合巡视的有关内容，本监测装置中的系统数据无线采集既可以使用人工手持设备又可以使用轨道车车载设备。

监测装置由无线温度传感器、手持和车载式数据接收机、PC机数据分析软件共4个部分组成(如图1所示)。其中，无线温度传感器由锂电池、温度传感器和Zigbee无线模块等组成;数据接收机电路硬件由LCD屏、嵌入式系统、时钟电路、存储电路、接口电路和无线接收系统及电源电路等组成。无线温度传感器将线夹有用的温度数据保存在本地，当接收到数据接收机无线信号时，立即自动组网并将保存在本地的诸如传感器编号(安装地点)、时间、传感器状态、温度、温度变化值等信息传送给数据接收机;数据接收机即可查询以上数据，也可通过USB线或U盘将接收到的信息下载到地面PC机利用软件进行分析处理，以便向用户提供维修决策支持。

图1 监测装置系统结构示意图Fig.1 Monitoring device system structure diagram

综合考虑监测装置的安装、使用和维护等方面的实际需求，该装置的特征有:

⑴无线温度传感器具有超低功耗、低成本、电池续航时间长、质量小、体积小等特点，在不改变线夹结构和安装方式的情况下通过螺栓可以与各种线夹进行联接，适应于露天环境下的各种温湿度和气候条件，可在休眠状态下记录超过规定值的温度和相应时间、单位时间内温度变化值次数和相应时间等“温度时间数据”，在收到数据接收机的激活信号后，除传送“温度时间数据”外，还可包括线夹当前温度、电池当前电压值、传感器当前状态、无线温度传感器编号等信息。

⑵手持式数据接收机除接收、显示已链接的无线温度测量传感器数据外，可以对该传感器编号进行修改，可以向用户提供历史数据浏览，通过UBS线与PC机联机下载数据等。

⑶车载式数据接收机具有较强的抗干扰性，采用轨道车DC24V供电和外置天线，通过增大发射信号功率，提高接收信号灵敏度以增加系统传输距离，确保轨道车以时速40 km通过各线夹温度测试点时能可靠接收数据。该接收机可以通过U盘下载数据，并通过PC机软件进行数据分析。

1.2 系统硬件

监测装置硬件系统核心部分主要有无线温度传感器和车载数据接收机无线收发功放电路。

1.2.1 无线温度传感器

相对于Wi－Fi和BlueTooth而言，Zigbee无线数据传输速率较低，100 m范围内只有250 kb/s，但由于其低电流损耗和低成本，越来越得到更多领域的开发应用。TI公司射频芯片CC2430含有1个高性能、低功耗的8051微控制器内核，具有外部中断唤醒、电池电压监视、看门狗等功能，电源电压范围为2.0～3.6 V，电流消耗小(当微控制器内核运行在32 MHz时，Rx为27 mA，Tx为25 mA)、小尺寸QLP48封装(7 mm×7 mm)。该芯片作为RF收发器时，它可以工作于全球通用的2.4 GHz频段，符合 IEEE802.15.4标准，同时还结合了Z Stack协议标准，使无线网络的实现更加灵活。

因此，选用CC2430作为系统的RF收发器，不仅可以大大简化系统设计，提高系统的稳定性，而且容易满足本系统超低功耗、低成本、工作时间长、重量轻、体积小等设计需求。

同样，选用温度传感器也应符合上述的设计原则。美国ADI公司AD7416芯片内含1个温度传感器和1个10位AD转换器，可以0.25℃的分辨率将所测温度数字化;其片内寄存器和温度比较器可以将温度与设定的高低门限进行比较，电压范围为2.7～5.5 V，温度测量范围为 －55 ～125 ℃，尤为重要的是该芯片可以被编程在低功耗掉电方式下工作，电流仅为0.2 μΑ。因此，选用 AD7416芯片作为温度传感器不仅简化了设计，而且进一步降低了系统功耗。温度传感器对线夹温度实时测量后，以10位二进制形式保存在芯片寄存器内，芯片内温度比较器把实测的温度值与预先设定的门限值进行比较，若超过门限值则在OTI段输出高低电平。另外，可以通过I2C总线接口对其内部寄存器进行读/写操作。

无线温度传感器采用铜合金安装基板，环氧树脂全密封封装。铜基板通过线夹安装螺栓与线夹连接，其间接触面涂上硅脂进行导热。为了满足机车取流和接触网线对重量的要求，无线温度传感器质量仅为53 g，长 ×宽 ×厚为82 mm×47 mm×10 mm。图2所示为无线温度传感器的结构示意图。

图2 无线温度传感器结构示意图Fig.2 Wireless temperature sensor schematic diagram

1.2.2 无线收发功放电路

如车载数据接收机仅仅靠CC2430芯片内部集成的无线收发器与无线温度传感器进行通信，那么其通信距离会受到限制。经测量发现:2个网络节点在可视的情况下，其通信距离为10～100 m。为了确保轨道车以时速40 km的速度通过线夹测温点时可靠接收数据，在CC2430元件与天线间增加无线收发功放电路，以增大发送、接收信号的功率。

图3所示为无线收发功放电路与CC2430连接示意图:包括由电容和电感组成的巴伦(Balun)电路，单刀双掷开关，低噪声放大(LNA)和功放(PA)电路，带通滤波和收发转换电路等。CC2430的射频接口是双向差分式端口，由巴伦电路完成两端口到单端口之间的切换。收发转换电路由Fairchild公司的NC7886和NC7804以级联方式构成，用于检测CC2430的TX/RX_SWITCH脚的高低电平，来控制2个单刀双掷开关。功放电路以Bubec公司的UP2202V为放大器，将射频信号放大到期望值，以增大车载数据接收机的无线传输距离。由于UP2202V与CC2430供电电压相同(3.3 V)，且内部输入已匹配50Ω，因此，电源设计简单，无需阻抗匹配。

图3 无线收发功放电路与CC2430连接示意图Fig.3 Diagram of wireless transceiver amplifier circuit connecting with CC2430

低噪声放大电路也采用Bubec公司UA2723芯片进行设计，UA2723的供电电压为3.3 V，无需阻抗匹配。为了保证低噪声功放灵敏度，UA2723的电源需经低静态电流电源调整器进行稳压。由于低噪声放大器位于接收机的最前端，需要有较小的噪声系数和适当的增益，以提高接收机的灵敏度，因此，在低噪声功放的输入端增加带通滤波电路，即采用耦合微带线进行设计，以保证带通内衰减小于2.5 dB，2.35 GHz以下和2.45 GHz以上衰减大于30 dB。

CC2430发送数据时，信号从差分射频端口RF_P/RF_N至巴伦电路，经收发转换电路选通的功放电路放大后由天线发射;CC2430接收信号时，在TX/RX_SWITCH的控制下，天线接收到的信号经带通滤波、低噪声放大，巴伦电路转换，由RF_P/RF_N端口接收。

1.3 系统软件

系统软件包括无线温度传感器CC2430软件和PC机数据分析软件。CC2430软件包括无线温度传感器对温度的采集与保存，数据接收机与无线温度传感器节点组网，数据发送控制等。网络节点组网控制流程如图4所示，图5所示为数据发送控制的流程。

PC机数据分析软件采用了VB6.0.net开发编制，系统软件分为数据下载、数据库管理、数据分析、系统维护等模块，可以基于时序的曲线窗口和基于数据的图形窗口方式向用户提供某供电所、供电区间、公里标处线夹出现超过门限值的温度或温升情况。数据下载和数据库管理模块用于数据接收机数据下载，并以所要求的格式存储到数据库中;数据分析模块用于下载数据的分析，以便用户准确找到出现高温线夹的位置;系统维护模块可以实现不同权限的用户分级管理，可以对线夹位置、线夹编号、供电所和供电区间名称、公里标等信息进行维护。

图4 网络节点组网控制流程Fig.4 network node networking control process

图5 数据发送控制流程Fig.5 Data transmission control process

2 结论

该监测装置于2010年12月研制完成并投入试用，2013年1月，通过技术鉴定。由于其无线温度传感器采用低功耗设计，运行于低功耗模式，在密封情况下由纽扣电池(电压为3.6 V，容量为1.7 Ah)供电，使用寿命可达3.5 a，且具有体积小、重量轻、便于安装、测量准确(误差＜1%)和无线数据传输灵活等特点。是一种较为实用的线夹温度在线检测装置，可作为既有“示温记录标签”的替代品。它的推广应用不仅可以发现接触网电连接线夹早期烧损故障，而且可以大幅降低牵引供电维修人员巡视的劳动强度，为保障牵引供电网的供电安全发挥重要作用。

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