基于无线传感技术的接触网导线接头及换相点温度监测系统*

孙 鹏，钱承山，李 俊，丁金卉

(南京信息工程大学信息与控制学院，南京210044)

基于无线传感技术的接触网导线接头及换相点温度监测系统*

孙 鹏，钱承山*，李 俊，丁金卉

(南京信息工程大学信息与控制学院，南京210044)

为了确保铁路接触网的稳定运行，设计了一种电气化铁路接触网导线接头及换相点温度监测系统，通过温度传感器检测高压部分的温度，采用两级无线数据传输网络实现温度的实时传输。第1级采用自由频段的短距离无线通讯方式，第2级采用不受地区限制的GPRS网络传输方式，用户通过远端数据监测中心软件可以方便地对监测信息进行远程管理，实现对各处接触网导线接头及换相点温度信息的调阅、查询和监测报警。

接触网;监测;温度传感器;无线传输;WPF

接触网供电是电气化铁路常用的供电网络方式，而接触网导线是接触网中重要的组成部分之一［1］，电力机车运行中受电弓滑板直接与其接触摩擦，并从接触线上获得电能。受电弓滑板在经过接触网导线接头及换相点时，会产生电弧引起温度急剧上升［2］，极易发生氧化和受到腐蚀，影响其机械强度和性能，造成供电线路断路等事故，影响正常供电，造成严重损失。借助接触网导线接头及换相点温度监测系统，可以对运行中的接触网导线接头及换相点温度进行很好的监视［3］，对温度异常的接触网导线接头及换相点尽早发现故障迹象，早作处理，就能避免恶性事故发生。

接触网获得的电能具有很强的干扰量，采用两级无线传输方式实现对接触网导线接头及换相点温度的监测，这样既可以实现高压的隔离，并在一级传输网络中消除干扰量对温度检测的影响，又能够对整个管辖范围内的温度进行采集。

1 温度检测和短距离无线传输

整个系统框架图如图1所示，高压部分通过温度传感器检测接触网导线接头及换相点的温度，并通过短距离无线传输将温度信息传输到杆塔部分。该部分的重点是温度检测和短距离无线传输。

1.1 温度检测

温度传感器采用了PT100铂热电阻，该传感器是利用其电阻和温度成一定函数关系而制成的温度传感器，由于其测量准确度高、测量范围大、复现性和稳定性好，被广泛用于中温(-200℃～850℃)范围的温度测量［4］，满足本监测系统的需求。

图1 监测系统框架图

测温电路采用了应用较为广泛的恒流源测温电路，该电路不仅能够消除电能带来的干扰量，同时能够检测到比较稳定的电压值。如图2所示为恒流源式测温电路，通过运放U1A将基准电压4.096 V转换为恒流源，电流流过Pt100时在其上产生压降，再通过运放U1B将该微弱压降信号放大，即输出期望的电压信号，该信号可直接连C8051F310的AD转换接口。

图2 恒流源测温电路

1.2 短距离无线传输

该传输终端需要将检测到的温度数据传输到二级网络，选取了短距离无线传输模块UTC-903，该模块是一款具备收发一体、超远距离、超低功耗的无线透明传输模块，工作于433 MHz免费ISM频段，支持无线唤醒，提供多个频道选择［5］，完全满足一级传输网络的传输要求。

一级传输终端的单片机使用完全集成的混合信号片上系统型MCU芯片C8051F310，该芯片带模拟多路器、真正10 bit 200 ksample/s的25通道单端/差分ADC，并具有增强型UART［6］，可以精确的采集PT100的电压。一级传输终端的程序流程如图3所示，通过定时器实现每隔1 min采集PT100的电压，并将电压值转化成温度值，同时将结点编号和温度值通过UTC-903发送到二级传输终端。

图3 高压部分程序流程图

2 GPRS远程无线传输

杆塔基座部分负责接收本测量点接触网导线接头及换相点温度无线测量数据，并对各相数据进行分析和处理，然后统一打包通过GPRS网络发送给远端的监测终端。

该部分涉及到短距离无线通信以及远程GPRS无线通信，这两个通信要求控制器配有两个串口，因此选用了拥有双串口的单片机STC12C5A60S2，该单片机通过串口1接收无线模块UTC903的数据，通过串口2将打包的数据发送给GPRS模块。GPRS选用的是Simcom公司经典模块SIM300，具有相当高的性价比，并且SIM300内嵌了TCP/IP协议［7］。

2.1 SIM300编程

该传输终端的核心在于单片机与GPRS模块SIM300之间的有效通信，需要完成SIM300的初始化以及通过SIM300发送数据。单片机与SIM300的通信是通过串口2发送相应的AT(Attention)指令［8］，需要注意大部分AT指令都是以回车结束的，在程序中通过宏定义模块的AT指令。

首先需要启动SIM300，SIM300的启动有手动启动和自动启动两种方式，手动启动就是使SIM300的PWRKEY引脚置低维持3 s，然后高电平，而自动启动就是通过对硬件启动的软件模拟来实现。在实际应用时，不能通过手动启动模块，将PWRKEY连接到单片机的引脚P4^4，并将P4^4配置为输出，通过程序实现自动启动。

SIM300启动成功后，就可以通过串口2给SIM300发送AT指令进行初始化，初始化成功后发送数据，实现GPRS发送数据功能的流程如图4所示。

图4 SIM300编程流程

SIM300是内嵌TCP/IP协议的GPRS模块，可以很方便的连接服务器，和服务器的连接方式通常有两种:TCP(传输控制协议)连接和UDP(用户数据报协议)连接。TCP是一种面向连接的协议，而UDP协议是面向数据报的无连接的传输层协议，即通信双方不需要事先建立“握手”连接，而是直接发送［9］。考虑到系统的实际应用，对于单包数据量不大的应用，UDP比TCP传输效率要高，同时UDP具有很少的头字节，能够有效利用带宽，与TCP协议相比，UDP能够减少数据流量，这在GPRS业务中意味着运营费用的节省。本系统传输层协议采用的是UDP协议。

2.2 程序设计

实现杆塔基座部分二级传输网络的程序流程如图5所示，程序执行步骤如下:

(1)首先进行系统初始化，包括单片机时钟初始化、I/O端口初始化、串口初始化、SIM300初始化，其中SIM300初始化是系统初始化的重点，需要打开SIM300的TCP/IP网络，并建立和远端服务器的UDP连接，用于远程无线传输。

图5 程序流程图

(2)系统初始化完毕，通过UTC903接收本测量点接触网导线接头及换相点温度无线测量数据，判断是否接收到本测量点的所有数据，如果没有，则执行步骤(2)，否则执行步骤(3)。

(3)单片机接收到本测量点的所有数据，将数据分析处理并统一打包，通过GPRS远程发送到远端的监测中心，发送完毕，跳转到步骤(2)。

3 数据监测中心软件

远端的数据监测中心负责接收监测区域内所有监测点发来的GPRS数据包，对数据进行解包、分析和存储，然后在PC机软件的支持下对各个监测点的数据进行查看、分析等，对超过警戒值的接触网导线接头及换相点位置及时报警。

该数据监测中心软件的软件系统体系结构采用了客户/服务器结构，通过将任务合理分配到客户端和服务器端，前端是客户机，即用户界面结合了表示与业务逻辑，接受用户的请求，并向数据库服务器提出请求，通常是一个PC机;后端是数据库服务器，即数据库服务器将数据提交给客户端，客户端将数据进行分析并将结果呈现给用户［10］。该部分的重点是数据库设计和软件功能设计。

3.1 数据库设计

数据库设计是指利用现有的数据库管理系统针对具体的应用对象构造适合的数据库模式、建立数据库及其应用系统，使之能有效地收集、存储、操作和管理数据库、满足企业中各类用户的应用需求(信息需求和处理需求)［11］。数据库服务器采用了微软的关系型数据库管理系统SQL Server 2005，在数据库服务器上通过SQL语句建立数据库和表结构［12］。

通过准确了解与分析用户的需求，数据中心监测软件需要建立用户表、结点表、结点数值表，用户表存储用户的用户名、密码、用户的权限、登录时间、登录的ip地址、是否在线，节点表存储结点的编号、结点的位置、结点温度的最大值、结点温度的最小值、结点温度的平均值、结点的故障次数。因为每个结点存储的记录条数会很多，为了快速实现结点温度数值的统计和分析，每个结点都对应一个结点数值表，结点数值表存储结点的温度数值、接收到温度的时间、温度是否超过最大值、结点的ip地址。

3.2 软件功能设计

该数据监测中心软件是基于WPF(Windows Presentation Foundation)使用C#开发的桌面应用程序，WPF是微软新一代的桌面平台技术［13］。原有的Windows开发都是使用GDI或GDI+子系统绘制图形，WPF几乎改变了原有的Windows技术，其中最主要的是绘制图形交给了新的图形平台DirectX，更好的设计用户界面，提升用户界面的美观性、友好性，改变了传统工业软件界面的状况［14］。

应用程序通过ADO.net向数据库服务器提交请求，ADO.net是一组向.net程序开发者公开数据访问的类，为创建分布式数据共享应用程序提供了一组丰富的组件［15］。

数据中心监测软件主要包括以下功能模块:

①登录模块;

②用户权限管理，因为不同的用户对数据的使用要求不同，有的用户需要录入、修改、删除数据，而有的用户只拥有需要查看数据的权限;

③数据库操作模块，包括数据的添加、查询、删除;

④数据终端管理模块，包括数据终端的添加、修改、删除;

⑤数据曲线显示模块，包括温度曲线的动态显示以及历史数据查询的曲线显示;

⑥智能报警模块，综合分析结点的温度值以及温度的变化率实现智能报警;

⑦报表打印模块。

图6 数据监测中心软件界面

用户使用数据中心监测软件，首先需要登录软件，如图6(a)所示为软件的登录界面，管理员可以对数据库进行增、删、改、查的功能管理用户信息、节点信息，而普通用户只可以查看节点的信息，如图6(b)所示为用户查看结点的动态曲线。

4 总结

本系统采用两级无线数据采集网络实现接触网导线接头及换相点温度的实时监测:

第1级采用自由频段的短距离无线通讯方式，可以实现各相接触网导线接头及换相点温度信号的采集和短距离传送。通过这种短距离的无线采集，既能够实现高压的隔离和绝缘，又从系统整体配置和运行上节省了成本(由于采用自由频段，无通讯费用的支出);

第2级无线数据采集方式采用不受地区限制的GPRS网络，同一监测点的接触网导线接头及换相点温度信号可以通过GPRS模块传送到监测终端，实现了管制区域的所有接头及换相点温度的统一监测，同时节省了通讯成本，便于推广使用。

通过数据监测中心软件的设计，可以实现区域内所有接触网导线接头及换相点温度信息的调阅、查询和监测报警以及故障预报等功能。

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孙 鹏(1988- )，女，汉族，江苏泰州人，南京信息工程大学信息与控制学院硕士研究生，主要研究方向为物联网应用、软件工程，sunpeng31@sina.cn;

钱承山(1971- )，男，汉，山东泰安人，南京信息工程大学信息与控制学院教授，硕士生导师，主要研究方向为非线性系统控制、自动检测技术、智能终端与物联网应用等，qianchengshan@163.com。

Temperature Monitoring System of Overhead Contact Line Based on Wireless Sensor Networks*

SUN Peng，QIAN Chengshan*，LI Jun，DING Jinhui
(School of Information and Control，Nanjing University of Information Science and Technology，Nanjing 210044，China)

In order to guarantee the steady operation of overhead contact line，design a monitor system which can monitor temperature of wire junction and phase change point.Monitor system detects temperature of high-voltage compartment via temperature sensor，and transfers data from overhead contact line to data monitoring center software timely via two-stage wireless transmission network.The first stage uses a short-range wireless transmission type of free band，and the other uses the GPRS network not restricted by region.Customers can remotely manage monitoring information easily，and retrieve，query，and monitor alarm of wire junction and phase change point of overhead contact line.

over header contact line;monitor;temperature sensor;wireless transmission;WPF

10.3969/j.issn.1005－9490.2014.02.027

TP274

A

1005－9490(2014)02－0292－05

项目来源:企事业委托项目(2013h066);南京信息工程大学科研启动基金项目(20100307);南京信息工程大学第八期教改项目(11JY014)

2013-06-08修改日期:2013-08-27

EEACC:6150P;7320R