基于ZigBee的轻轨锚固螺杆健康监测系统

文 枰 叶俊勇 汪同庆

(重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室 重庆 400044)



基于ZigBee的轻轨锚固螺杆健康监测系统

文 枰 叶俊勇 汪同庆

(重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室 重庆 400044)

轻轨交通轨道的锚固螺杆是连接轻轨轨道梁和墩台的重要连接件。在役锚固螺杆的健康与否对轻轨的运行有着直接且重要的影响，提出一种低功耗的基于ZigBee的无线锚固螺杆健康监测系统。该系统可自动采集故障的锚固螺杆地址,通过ZigBee多跳无线自主网络将该地址发送到PC机，实现对锚固螺杆健康的实时监测。与其他无线传输网络相比，ZigBee无线传输网络具有维护方便、成本低、使用稳定等明显优势。实验表明，该无线传输网络满足本系统的设计要求，为轻轨锚固螺杆健康的监测提供了一种新的方法。

ZigBee 锚固螺杆 无线传输网络 健康监测

0 引 言

轻轨轨道交通中连接轻轨轨道梁与墩台的锚固螺杆是轻轨轨道系统中的关键受力构件。它的健康与否直接影响到轻轨交通的安全运行。轻轨锚固螺杆长一米左右，大部分都埋在墩台的锚箱内。在轻轨梁系统运行的过程中，由于振动、腐蚀、长期服役等各种因素，锚固螺杆很容易出现松动或是断裂，从而影响到轻轨轨道交通的安全运行。而现有的监测技术大多需要人工逐一采集数据，监测效率低、成本高。所以，设计一套轻轨锚固螺杆健康自动监测系统来保证轻轨交通安全运行是很有必要的。

ZigBee无线传输网络可以同时监控多个终端，且可以通过终端休眠的方式降低终端功耗。轻轨轨道交通的锚固螺杆数量庞大，需要的节点较多。ZigBee无线传输网络内可以容纳最多216个设备，而且可采用全球免费的2.4 GHz频段进行数据传输，其成本低廉、维护简单，刚好符合要求。因此，本文提出的系统采用ZigBee无线传输网络来进行信号的传输。

1 系统总体设计

整个系统由ZigBee无线传输网络及锚固螺杆松动断裂监测装置组成。当ZigBee无线传输网络的协调器启动之后，其他节点会自动加入到该网络中，实现自动组网。如图1(a)所示，每一个墩台安装一个ZigBee节点，由于每一个墩台有8个锚固螺杆，所以一个ZigBee节点管理8个锚固螺杆，每根锚固螺杆都安装一个螺杆松动断裂监测装置。如图1(b)所示，沿着轻轨交通路线每一个墩台安装一个ZigBee无线传输节点，每个节点以多跳的方式进行数据传输。可设定两个站点之间为一个ZigBee网络，在地铁站内用PC对传来的数据进行处理，并显示螺杆的健康状况。站点与站点之间的数据再通过互联网进行汇总。当锚固螺杆出现松动或是断裂等故障时，该装置输出的电平信号就会发生改变，从而使得ZigBee节点感知到信号的变化，并将故障锚固螺杆地址通过无线接力传输的方式发送给协调器，再由协调器通过串口发送到PC机，通过LabVIEW编写的人机互动界面显示出来。PC机与协调器是安装在每个轻轨站内的，当终端节点跟协调器距离较远而无法接收到信号时，将会在终端节点与协调器之间放置一个路由节点，通过路由节点再传给协调器，以这种多跳传输的方式增加ZigBee无线传输网络的传输距离。

图1 系统总体设计

2 系统软件设计

本文系统采用ZigBee自组网多跳无线传输网络，以Z_Stack模板为基础，用C语言编写程序。系统具备实时监测、自动组网、分析数据、自动报警等功能，基于以上功能，软件部分主要包括终端节点、协调器节点、路由节点、上位机软件的设计。ZigBee的网络拓扑结构包括星型、树形和网状型三种，本系统根据轻轨轨道交通的特点，采用树形网络拓扑结构。本系统采用点播的方式进行数据传输，点播地址为协调器的地址0x0000。由于轻轨轨道独特的地形及周围有遮挡物，如居民建筑，所以为保证通信成功，每隔一个墩台放置一个路由器，两个路由器之间的距离大约为40米左右，其网络拓扑结构如图2所示。距离协调器较近的终端直接将数据传输到协调器，距离协调器较远的终端通过路由器以多跳的形式传输给协调器。

图2 ZigBee网络拓扑结构

2.1 协调器的软件设计

协调器是一个ZigBee网络传输系统的中心，它负责整个网络的建立和管理。协调器向周围的ZigBee节点发送信标帧，并为加入网络的节点分配地址；同时将其他节点传来的数据通过串口上传到PC机进行处理，所以只需要在用户层添加数据传输函数即可。

2.2 路由器的软件设计

路由节点作为无线多跳传输网络中的中继站，在入网成功后寻找需要加入网络的其他ZigBee节点设备，将终端设备采集到的数据和自身采集到的数据传输给协调器；同时也会自动修复网络路由，维持网络的正常运转。

Z_Stack的操作系统是轮询式的。初始化各部分之后，就不断地执行操作系统。执行过程中按照优先级不断地询问各层是否有任务，用户任务层的优先级最低。操作系统每轮询一次的时间是t秒，因为路由器节点不可睡眠，所以路由节点每隔t秒就会采集一次数据并发送到父节点，造成数据堵塞。本系统中路由节点既要进行数据的采集，又要对终端的数据进行中转，所以必须对路由节点的操作系统进行改进。改进方案为首先确定发送数据间隔时间为T,标志位为F。

F=T/t

(1)

然后在主函数定义一个长整型的全局变量n作为计数变量。每当系统轮询一次n就加1，然后在用户任务函数进行判断，当n大于F时就采集数据发送到父节点，并将n清零(例如，若已知每次轮询时间t约160 us，间隔时间T=5分钟，F=T/t=1 875 000)。路由节点进行数据的采集可以减少终端节点的个数，从而达到节约成本的目的。

由图2可以看出，每个路由节点需要中转数据并不多，再加上终端节点在每一次采集完数据之后都会休眠5分钟，不会一直发送采集数据，更不会在同一时刻发送采集数据，而且每增加一个路由节点都会有大约10 ms的延时，所以不会造成数据在某一时刻的堵塞。轻轨交通两站之间最大墩台数是100个左右，每个墩台8个螺杆。用数据的前两位给墩台编号，数据的后8位每一位对应一根螺杆的状态，再加上标志位，即每一个终端每次传输数据就是11个字节。假设所有终端同时采集数据发送给协调器，路由需要处理的数据最大峰值为1100个字节，大约1 kb。而ZigBee的传输速率为250 kb/s、40 kb/s、20 kb/s三个等级，即便是使用最小的传输速率也完全满足本系统的需要，所以本系统中的ZigBee无线网络传输系统中采用多跳的形式进行数据传输是可行的。

2.3 终端节点软件设计

本系统中终端设备的主要功能是将采集到的数据信息发送给协调器，它本身不能够实现路由功能。终端在初始化后就向协调器发出入网请求，入网成功之后就开始采集数据，每次采集完数据之后定时睡眠5分钟，然后醒来再次采集数据并送到协调器，再次休眠，不断循环。ZiBee终端睡眠唤醒可通过定时器唤醒或外部中断唤醒。ZigBee终端节点具有三种休眠模式，其中休眠模式1休眠时间短，休眠模式3需要外部中断唤醒，不适合本系统的要求。所以本系统采用休眠模式2，定时器唤醒。无论螺杆是否出现故障，都会将采集到的数据发送到父节点。图3为整个ZigBee无线传输网络工作流程图。

图3 ZigBee无线传输网络工作流程图

3 系统硬件设计

本文系统ZigBee节点采用的芯片是TI公司推出的CC2530。CC2530使用的是8051CPU内核，它是一个单周期的8051兼容内核，具有三个不同的存储器访问总线。CC2530具有4个定时器、3个8位的端口，分别为P0口、P1口和P2口，其中P2口只有5个端口可用。这21个可用端口均可设置为通用I/O口或外部设备I/O，其中P1.0口和P1.1口具有20 mA的输出驱动，其余端口都具备4 mA的输出驱动。

3.1 协调器节点硬件的设计

协调器模块主要的功能是组建网络、接收数据并通过串口将数据传输到PC机。协调器模块主要包括CC2530核心模块、按键模块、射频天线模块、电源模块和串口通信模块五个部分。CC2530核心板由3 V电压驱动，外接两个晶振，一个为32 MHz，另一个为23 KHz。按键模块主要是复位按键及电源按键。射频天线模块采用RFX2410C进行发送功率的放大。如图4(a)所示，CC2530的25(RFN)脚和26(RFP)脚与RFX2410C的射频单相传输端相连，端口1的引脚5与发送使能端(TXEN)相连，端口1的引脚4与接收使能端(RXEN)相连。协调器节点通过USB口用5 V电压供电，所以需要用AMS1117-3.3线性稳压器转5 V电压为3 V电压。串口通信模块采用PL2320进行RS232-USB转换，使得在没有串口的笔记本上也可进行数据传输。

图4 协调器节点硬件设计

3.2 终端节点和路由节点硬件设计

终端节点负责数据的采集，并将数据传输到父节点。终端节点同样拥有CC2530核心模块、电源模块、按键模块、射频天线模块、数据采集模块。除了数据采集模块和电源模块以外，其他模块均与协调器节点对应模块相同。路由节点和终端节点安装在户外，为减小节点模块体积及电路底板功耗，直接采用3.3 V电池供电,无需进行5 V到3 V电压转换。由于每个墩台锚固螺杆有8根，每一根锚固螺杆都安装了一个故障监测装置，当出现故障时，外部监测装置的外部电平会发生变化。每个墩台上的螺杆的位置都是相同的，CC2530总共有21个外设端口可用。如图5(a)所示，S1-S8为8个锚固螺杆健康专用监测装置，用8个输入端口来对应监测每个监测装置的信号输出变化，并给每一个墩台及墩台上的每一根螺杆进行编号。一个ZigBee节点对应一个墩台，每个墩台从01开始编号，螺杆的编号从1到8。每次数据的传输都包括墩台地址和墩台上螺杆的地址。在地址位的前面加上一位标志位字符“A”，表明是正常数据。所以每次收到数据共11位，如A2300000600表示数据正常，第23个墩台的6号位置螺杆出现故障；而A1900000000则表示数据正常，19号墩台没有螺杆出现故障。路由节点与终端节点的硬件设计完全相同。

图5 终端节点和路由节点硬件设计

4 实验及结果分析

按照上述设计进行组网，模拟轻轨轨道的特点，采用10个节点，每隔20米放置一个ZigBee节点，每两个终端节点之间放置一个路由器节点，ZigBee终端节点及路由节点的9个监测端口可用外接开关电路模拟出现故障时的电平变化。

本系统的实验结果显示界面是采用LabVIEW进行编写的。编写好的界面可以发布到网上，也可以打包成安装程序，在没有安装LabVIEW的电脑上也可以运行。本界面是一个串口通信界面，将会显示健康锚固螺杆与故障锚固螺杆的地址及地址传来的时间，并且将故障螺杆与健康螺杆的地址分别存在两个Excel表格中，每天进行一次保存。按照两个轻轨站之间最大墩台数100个计算，100个墩台一天的数据大小为:

一年的数据大小大约才882.2 MB,所以数据的存储并不会带来困难。有数据传来时，数据连接灯就会变亮；当接收到故障锚固螺杆的地址时，故障警报灯变红，提示管理人员。数据存储过后，就可以用清除按钮清除掉显示框内的数据，以保证可以显示新的数据。图6为本系统的实验结果显示界面，图6显示的结果表示01号、02号和04到08号墩台螺杆均无故障，03号墩台的3号螺杆和09号墩台的6号螺杆出现故障。

图6 系统界面显示图

传统的检测方法有人工巡检、超声波检测等。表1从检测速度、工作时间、工作环境等几个方面比较了这几种方法各自的特点和优势。人工巡检需要有丰富经验的工人一根一根地敲击锚固螺杆，人为进行判断。而轻轨交通一个墩台有8根螺杆，整个轻轨交通的锚固螺杆数量相当庞大，人工巡检工作量太大，且工作效率低、成本高。超声波检测也需要人工一根一根地采集数据，采集效率低,且采集车会影响到轻轨列车的运行，所以只能在晚上轻轨不运行的时候进行。采集到的数据要带回实验室进行分析处理过后才能得出结论，不能实时监控。本文提出监测系统可实时监测锚固螺杆的健康状况，在轻轨轨道交通运行时也可以工作,一个墩台的8个螺杆的数据采集可同时进行，数据采集时间能够在1 s内完成。

表1 几种锚固螺杆检测方法的特点

5 结 语

本文提出的基于ZigBee的轻轨锚固螺杆健康监测系统解决了逐根监测效率低下、监测与轻轨轨道交通不能同时运行、成本较高等问题。本系统利用多跳的方式解决了ZigBee传输距离短的问题，并对路由器的程序设计进行了改进，使得路由器每5分钟传输一次数据，达到系统工作要求，最大限度利用每个节点的功能，节约成本。与其他对轻轨锚固螺杆健康进行检测的方法相比，本系统具有实时监测、监测数量多、维护简单等明显优势，能够满足对轻轨锚固螺杆健康监测的要求。

[1] Changhai Peng,Kun Qian,Chenyang Wang.Design and Application of a VOC-Monitoring System Based on a ZigBee Wireless Sensor Network[J].IEEE Sensors Journal,2015,15(4):2255-2268.

[2] 谢炜春,叶俊勇.一种基于超声波的锚固螺杆健康监测系统[J].微计算机信息,2010，26(12):106-108.

[3] 杨武,郑宇锋.用于无线监控的ZigBee多跳网络时延分析[J].船海工程,2011,40(3):165-168.

[4] 张文梅.基于ZigBee 的家居监控系统设计[J].计算机应用与软件,2015,32(3):313-316.

[5] 马阳阳.跨座式单轨交通系统锚固螺杆故障的快速检测方法研究[D].重庆：重庆大学,2013.

[6] 谢炜春.轻轨锚固螺杆健康检测系统研究[D].重庆：重庆大学,2010.

[7] 王茜.基于ZigBee的户外作业监控及安全管理系统[J].实验技术与管理,2014,31(11):133-136.

[8] 钟永锋,刘永俊.ZigBee无线传感器网络[M].北京：北京邮电大学出版社,2011.

[9] 李文杰，廖晓纬，沈晓波.基于ZigBee的多传感器报警设计[J].计算机工程与科学,2013,35(7):175-180.

A HEALTH MONITORING SYSTEM OF LIGHT-RAIL’S ANCHORING SCREWS BASED ON ZIGBEE

Wen Ping Ye Junyong Wang Tongqing

(KeyLaboratoryofOptoelectronicTechnologyandSystems，MinistryofEducation，ChongqingUniversity，Chongqing400044，China)

The anchoring screw of light-rail traffic is an important part to connect piers and girders of light-rail. Health of the anchoring screws in service has a direct and important influence on the operation of the light-rail. Therefore, a wireless and low power health monitoring system of light-rail’s anchoring screws is proposed. The system is able to collect address of fault anchoring screw automatically and send information to PC by ZigBee multi-hop wireless Ad-hoc network to achieve real-time monitoring of the health of anchoring screws. Compared with other wireless transmission network, ZigBee wireless transmission network has the obvious advantages of easy maintaining, low cost, stability and so on. Experiments show that the ZigBee wireless network meets the design requirements of this system, providing a new approach for health monitoring of light-rail anchoring screws.

ZigBee Anchoring screws Wireless transmission network Health monitoring

2015-07-27。国家科技支撑计划项目(2007BAG06B 06)。文枰，硕士生，主研领域：无线传输,物联网。叶俊勇，副教授。汪同庆，教授。

TP3

A

10.3969/j.issn.1000-386x.2016.11.013