基于无线网络的有轨电车杂散电流监测系统

张栋梁 黄 开 刘彦超

基于无线网络的有轨电车杂散电流监测系统

张栋梁 黄 开 刘彦超

(中国矿业大学信息与电气工程学院江苏徐州221008)

针对传统轨道交通杂散电流有线监测系统建设复杂、成本高、影响美观等缺点，提出利用无线通信技术构建有轨电车杂散电流监测系统。分析对比无线网络监测系统的优越性和必要性，对系统整体结构设计、通信方式的选择、主要设备硬件设计和软件设计等方面进行阐述。监测系统由监测终端、区间监测子站和监测管理中心3个层次组成，监测终端与区间监测子站之间采用ZigBee无线网络通信，实现监测数据的上报;区间监测子站与监测管理中心之间通过GPRS网络通信，实现区间数据的发送和控制指令的接收。经现场实验验证，通过无线网络传输的监测数据与有线监测系统得到的数据基本一致，系统通信稳定，可满足监测杂散电流的要求。

杂散电流;有轨电车;ZigBee;无线网络;监测系统

现代有轨电车因其舒适快捷、方便实用、造价较低等优点受到越来越多城市的青睐［1］。有轨电车在运营过程中所产生的杂散电流会影响周围的埋地管道，通信电缆外皮，以及车站、高架桥梁和附近建筑物主体结构中的钢筋，使其发生电化学腐蚀，存在严重安全隐患［2］。目前，有轨电车杂散电流监测系统普遍借鉴地铁的经验，通信方式大多采用基于现场总线技术的光纤以太网有线网络［3］，这种通信方式信号稳定、传输速率高，但往往需要敷设专门的线路，施工成本较高且影响美观［4-6］。与传统杂散电流监测系统相比，基于无线网络的杂散电流监测系统在满足通信稳定、安全性高的同时，还具备网络灵活、简洁美观、成本较低等优点［7］。

由于有轨电车在露天环境运行，走行区周边建筑对无线信号的衰减有限，并且考虑到城市公共设施的美观，利用无线通信技术的有轨电车杂散电流监测系统具备更广阔的发展前景。

1 杂散电流的形成与危害

有轨电车采用电力牵引，多为750 V或1 500 V直流高压供电，接触网为正极，走行钢轨为回流线。由于钢轨本身具有电阻，加之运营环境复杂，钢轨不可能完全对地绝缘。因此，不可避免地会向道床及周边土壤泄漏电流，这部分电流即杂散电流。

杂散电流会对包括钢轨及其附件在内的有轨电车设施造成腐蚀，同时也会对周边的埋地管道、通信电缆外皮以及建筑物钢筋等造成腐蚀。因此，为确保有轨电车主体结构及周边设施的安全，必须对杂散电流进行及时的监测，并进行有效的防护，避免意外的发生。

2 系统结构概述

笔者所提出的基于无线网络的有轨电车杂散电流监测系统主要分为3个层次，分别为由参比电极、轨道、结构钢筋和传感器组成的监测终端，由网络协调器、监控装置和排流装置组成的区间监测子站，由上位机、数据库服务器和web服务器组成的监测管理中心，系统结构如图1所示。

监测终端具备ZigBee无线网络通信功能，与区间监测子站之间通过ZigBee网络进行通信，实现监测数据的上传;区间监测子站与监测管理中心之间通过GPRS网络进行通信，实现区间数据的发送和控制指令的接收;监测管理中心通过上位机实现远程监测和控制。

图1 系统结构

3 系统硬件设计

3.1 监测终端

监测终端由参比电极、轨道、结构钢筋和传感器组成，传感器主要用于完成数据的测量、计算和发送。传感器的测量模块分别采集结构钢筋的极化电压、钢轨相对结构钢筋的电压值和夜间列车停运时参比电极的本体电位。传感器的处理器模块根据测量数据分别计算出30 min内结构钢筋的正向偏移电压平均值、负向偏移电压平均值和轨道电压最大值等信息，并通过ZigBee模块将数据包发送至网络协调器。传感器的外部接线如图2所示。

不同于传统的杂散电流测试传感器，该系统中的杂散电流测试传感器具备ZigBee无线通信功能。ZigBee技术具有功耗低、成本低、网络容量大和工作频段灵活等特点，考虑到传感器每次发送的数据量只有2～3 kB，因此ZigBee的传输速率足以满足要求。笔者选用TI公司生产的CC2530芯片作为传感器的处理器模块和无线通信模块。CC2530用于2.4GHz/ IEEE802.15.4/RF4CE/ZigBee的第二代片上系统解决方案，片内整合了RF收发器、增强型8051MCU、最大256 KB的Flash内存、8 KB的RAM;集成了2个USART、8通道12位ADC模数转换、128位AES加密解密安全协议;只需极少的外围电路即可实现信号的收发功能，并且支持空中无线下载［8］。为保证通信信号的稳定和准确，在传感器上加装了CC2591射频范围扩展器，它具有低功耗、低电压等特点，能有效提高CC2530的输出功率，增加数据收发的灵敏度。传感器的硬件结构如图3所示。

图2 传感器外部接线

图3 传感器硬件结构

监测终端将测量数据的计算结果封装成数据包，按照ZigBee通信协议规范发送给区间监测子站。当监测点的数据超出正常范围时，传感器率先做出报警，报警指示灯亮，方便巡线人员及时发现。

3.2 区间监测子站

区间监测子站由网络协调器、监控装置和排流装置组成，负责某一供电区间内的杂散电流监测和数据传输，可自主控制牵引站内排流柜的启动，也可接受远程调度控制。监控装置通过网络协调器接收来自监测终端传感器的数据，对各个监测点的数据进行整理、存储和显示。牵引站内值班人员可以通过监控装置的显示屏了解实时的监测信息，以便及时上报，同时，监控装置通过网络协调器实现与监测管理中心间的远程数据传输和控制指令接收。

区间监测子站不仅接收各个监测点的数据，同时可以计算监测区间内的轨地过渡电阻和轨道纵向电阻，并通过GPRS网络每隔1 h向监测管理中心进行数据传输。每个监测子站每次需要上传的数据在50 kB左右，GPRS实际应用带宽大约在40～100 KB/s，满足传输速率的要求。同时，GPRS采用分组交换技术，每个用户可同时占用多个无线信道，同一无线信道又可由多个用户共享，资源被有效的利用。

作为区间监测子站的通信转换核心，网络协调器的设计至关重要。本文所设计的网络协调器由处理器模块、GPRS通信模块、天线模块和电源模块等部分组成，其结构如图4所示。选用TI公司生产的CC2538作为网络协调器的处理器模块，这款产品包含基于ARM Cortex M3的强大的MCU系统，具有高达32 KB的片上RAM、高达512 KB的片上闪存以及可靠的IEEE 802.15.4射频功能，能够处理涉及安全性、要求严格的应用以及无线下载的复杂网络堆栈，32个通用输入和输出(GPIO)以及串行外设接口可实现到电路板其他部分的简单连接。GPRS模块采用Siemens公司的MC35i模块，其尺寸很小，方便集成到其他设备中，能得到永久在线连接、快速数据存储和更快的数据下载速度。

图4 区间监测子站硬件结构

网络协调器负责区间内ZigBee无线网络的组建和调整，并接收来自区间内各个传感器发送的数据。CC2538处理器模块通过UART接口实现与监控设备之间的数据传输与指令发送，同时GPRS模块和CC2538之间也采用UART接口通信，CC2538将监控设备发来的数据封装成TCP/IP帧格式，通过GPRS模块发送至监测管理中心。

3.3 监测管理中心

监测管理中心是整个监测系统的主控平台，由上位机、数据库服务器和web服务器组成，负责整条线路的杂散电流监测和排流装置控制。web服务器软件接收来自GPRS网络发送的数据，并将其保存至数据库中，确保上位机可以随时调用各监测子站的实时监测数据。管理人员可以根据杂散电流监测数据向区间监测子站中的监控装置发送控制指令，从而实现排流装置的远程主动控制。

4 系统软件设计

4.1 监测传感器程序设计

监测终端中的传感器负责数据的测量、计算并将数据发送至监测子站中的网络协调器。在正常情况下，传感器每隔10 s采集一次数据，并将采集到的数据暂存、计算，等待区间监测子站发送数据上报指令。当接收到数据上报指令后，传感器通过ZigBee无线通信模块进行数据发送，发送结束后，将清除所保存的数据。其程序流程如图5所示。

图5 监测终端程序流程

4.2 网络协调器程序设计

网络协调器负责供电区间内ZigBee无线网络的组建和调整。由于各监测点与网络协调器直接通信，本系统中ZigBee无线网络设计为星型拓扑结构，其结构简单，管理方便。

网络协调器上电后，首先完成通信协议的初始化工作，然后开始扫描并选择合适的信道，建立ZigBee无线网络。监测区间内的各传感器与区间监测子站之间实际上是点对点的通信，区间监测子站每隔30 min向各传感器发送数据上报指令，各传感器根据网络协调器分配的无线网络地址将数据发送至区间监测子站。区间监测子站的控制器完成对数据的整理计算，并将数据通过网络协调器转换上报至监测管理中心。其程序流程如图6所示。

区间监测子站和监测管理中心之间通过GPRS网络进行通信。管理中心设置VPN服务器，通过公网使用VPN接入到移动GPRS网络，这种方式成本比较低，安全性比较高，而且速度和网络服务质量都有保障。区间监测子站将收到的数据进行整理计算，并将整理好的数据通过网络协调器转换成TCP/IP帧格式，通过GPRS模块发送至监测管理中心。同时，网络协调器负责接收从监测管理中心传来的控制指令，完成对排流装置的远程控制。

5 实验分析

利用某城市现有的有轨电车杂散电流监测系统进行试验，以验证本文所提出的基于无线网络的有轨电车杂散电流监测系统是否能达到预期效果。

分别在该线路第四供电区间内的1、5、8号传感器位置处加装本文所设计的具备ZigBee无线通信功能的传感器模块，并在牵引站内放置具备数据存储功能的无线网络协调器，可连接VPN服务器，形成简易的无线网络监测系统。将无线网络协调器72 h内接受到的数据包数量与站内监控装置通过通信电缆收到的数据包数量进行对比分析，结果如表1所示。

图6 网络协调器程序流程

表1 实测72 h内数据接收量

当启动网络协调器后，它能迅速与区间内3个测量点的传感器建立网络连接，并为其分配网络地址。在数据传输的过程中，数据包存在丢失，但丢失数量很少，不影响杂散电流的准确监测。

利用管理中心上位机对该供电区间5号传感器72 h内的监测数据进行读取，结果如图7所示。在试验时间段内，管理中心通过GPRS网络接收到的由网络协调器发送的数据未发生丢失，监测结果准确有效，证明了区间监测子站与监测管理中心之间的通信设计合理。由于无线通信方式受现场环境的影响较大，为进一步验证该监测系统的可行性，对沿线多个供电区间进行通信性能测试，对ZigBee网络通信距离、丢包率、传输速率等指标进行测试，结果如表2所示。

图7 5号传感器监测结果

结果表明，该监测系统中ZigBee网络各项指标满足监测要求。本文所设计的基于无线网络的杂散电流监测系统结构合理，网络通信稳定，结果准确有效，达到了系统的设计目的。

表2 ZigBee网络测试结果

6 结论

现代有轨电车杂散电流对轨道主体结构及周边设施危害巨大，杂散电流的有效监测意义重大。本文所提出的基于无线网络的有轨电车杂散电流监测系统通信稳定、结构简单、成本较低且适应城市建设发展的需要，具有很大的实用价值，为杂散电流监测系统的建设和改造提供了重要参考。

［1］朱卫国.从系统特征看有轨电车网络规划［J］.都市快轨交通，2015，28(3):42-45.

［2］黄玉苹.城市轨道交通杂散电流防护系统［J］.城市轨道交通研究，2012，15(12):117-119.

［3］汪园园.杂散电流监测方案的探讨［J］.城市轨道交通研究，2001，4(1):48-50.

［4］李威.地铁杂散电流的监测与防治［J］.城市轨道交通研究，2003，6(4):48-52.

［5］刘喜峰，许春香.CAN总线技术在轨道交通杂散电流监测中的应用［J］.城市轨道交通研究，2010，13(8): 32-34.

［6］纪飞峰，都劲松，张军国，等.基于FF现场总线的地铁杂散电流监测系统［J］.传感器与微系统，2002(9): 18-20.

［7］杜京义，周栋，唐小华，等.煤矿杂散电流监测系统子网设计［J］.自动化仪表，2014(8):31-34.

［8］龚文超，吴猛猛，刘双双.基于CC2530的无线监控系统设计与实现［J］.电子测量技术，2012，35(6):33-36.

(编辑:王艳菊)

Stray Current Monitoring System of Tram Based on W ireless Network

Zhang Dongliang Huang Kai Liu Yanchao
(School of Information and Electronic Engineering，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221008)

The stray currentwiredmonitoring system of traditional rail traffic is very complicated，unsightly and expensive.Therefore，we proposed usingwireless communication technology to build tram stray currentmonitoring system.We analyzed the advantage and necessity ofwireless network monitoring system，and expounded the whole structure design of the system，the choice of communication mode，hardware and software design ofmain equipment，etc.Themonitoring system consists ofmonitoring terminal，intervalmonitoring substation and monitoringmanagement center.Monitoring terminal and intervalmonitoring substation use ZigBee wireless network to reportmonitoring data;Intervalmonitoring substation and monitoringmanagement center send data and receive control command through the GPRS network communication.Testified by the field experiment，the data obtained by the wireless network are basically identicalwith those by wired monitoring system.The system communication is stable，meeting the requirements of stray currentmonitoring.

stray current;tram;ZigBee;GPRS;monitoring system

1672-6073(2016)02-0084-04

10.3969/j.issn.1672-6073.2016.02.019

2015-03-14

2015-04-14

张栋梁，男，副教授，博士，主要从事轨道交通杂散电流监测与防护研究，13337930909@189.cn

中央高校基本科研业务费专项资金(2010QNB34);国家自然科学基金(51147011)

U231.8

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