基于WiFi的铁轨水平度信号检测仪的设计

陈辉 李涛 赵志敏

摘 要：基于WiFi的铁轨水平度信号检测仪通过搭载在四轮轨道车上的四组水平度传感器，可检测任意轨道段的水平度，并将检测数据通过WIFI发送到检测人员的手机APP上，检测人员通过对比一段时间内轨道水平度的变化，也可通过手机发送到检测中心，再做进一步的判断，最后分析原因，找到引起铁轨水平度变化根源，提示有关部门采取补救措施，以保证铁路系统的安全运行。

关键词：WiFi 水平度 信号仪

中图分类号：TP39 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）01（a）-0014-02

随着我国经济的快速发展，铁路运输无论是客运或者货运能力，相较于过去都有很大的提高，在铁路建设速度有限的情况下，通过提速是一个行之有效的解决办法。同时随时列车速度的不断提高，铁路的安全性问题也显得尤为重要。

出于对铁路行车安全保证，设计了铁轨水平度信号检测仪，它能及时检测出由于行车、铁路路基沉降等原因对铁轨造成的影响，通过记录和对比每段铁路水平度变化情况，间接反映铁轨路基的沉降状态，及时采取措施消除隐患，以保证铁路系统的安全运行[1-2]。

1 铁轨水平度信号检测仪的系统构成

该系统采用了先进的自动化技术及无线通讯技术，通过系统信息管理平台，将铁轨水平度信息和铁路路基情况有机结合起来，该系统主要由水平度检测系统、手机和检测终端等组成，其构成如图1所示。

系统以四轮小车为检测平台，包含有左右（1、2）和垂直（3、4）各两组水平度传感器。其基本布置图如图2所示。

当四轮小车以某一速度在被检查铁轨段运行时，先通过GPS定位出当前轨道位置，当发生经纬度变化时，各水平度传感器开始工作，连续多次采样数据，再经过软件数字滤波，将数据通过WiFi模块传送至手机终端，检测人员可通过手机APP进行预判，也可通过GPRS将当前段铁轨水平度信息上传至上位机，通过调取历史数据，与当前数据进行比较，找出变化情况，分析结果。

2 硬件电路设计

硬件电路是整个水平度检测系统正常工作的基础，为了保证系统的稳定性和可靠性，系统采用了高性能的PIC24系列单片机作为控制核心，再辅以GPS模块、WiFi模块和水平度传感器等，最终实现铁轨水平度检测和上传功能。

2.1 主控芯片电路设计

系统采用微芯公司PIC24FJ16GA204作为主控芯片，电路设计主要包括：电源电路设计、基本调试接口和人机接口几个部分组成。

2.1.1 MCU

系统使用的是微星公司PIC24FJ128GA204，芯片自身包含13通道12位的AD转换器和4路UART，基本无需外扩其他外设，就可满足设计要求。

2.1.2 电源

由于各模块工作电源的差异，系统使用了MCP16301和ADP150AUJZ两种电源芯片。MCP16301电源输入为4～20V；输出电压为2～15V；输出电流460mA。ADP150AUJZ，其输入电压为2.2～5.5V；输出电压为1.8～3.3V。

2.1.3 人机接口

系统采用金鹏系列液晶显示触摸屏，通过串口与单片机进行连接，可通过对其编程完成基本的人机交互，其界面设计如图3所示。

2.2 水平度采集电路设计

系统采用LCA316T单轴数字输出型倾角传感器作为水平度采集模块，共用了4组可检测轨道之间和单轨的水平度。LCA316T分辨率为0.1°，并具有抗震性能高、长期稳定性强和输出方式简单等特点。由于此传感器串口输出TTL电平标准，因此4组传感器的输出通过串接方式与单片机直接相连。

2.3 通讯电路设计

通讯部分主要由三部分组成分别是：用于定位的GPS、用于检测系统和手机通讯的WiFi和手机与检测终端服务器通讯的GPRS。

2.3.1 GPS定位

卫星定位相对来说是比较稳定的，一般不存在人为测量偏差，为了保证历史数据和即时数据比较对象的稳定性，所以选择铁轨的定位方式为卫星定位，系统选用卫星定位模块为GPS模块，可实现2m范围内的定位。GPS定位数据可通过串口与单片机进行连接，完成数据读取[3]。

2.3.2 WiFi通讯

由于从水平度采集系统的数据可在线检测，为了方便检测人员检测数据，可通过短距离无线通讯方式传输数据，因此系统使用了WiFi模块，可将检测数据实时发送到检测人员手机中，以实现实时在线检测。

2.3.3 GPRS

在较短的时间内轨道水平度变化一般都较小，为了能长期检测铁轨水平度的变化情况，必须将数据放到服务器终端，然而现场和机房距离可能比较远，所以短距离无线传输可能难以实现，因此系统使用GPRS作为远距离无线传输通道，将铁轨的水平度检测数据长期保存下来，以实现较长时间的水平度数据的对比。

3 软件设计

软件设计是水平度采集系统的灵魂，为了设计出安全可靠，稳定性高的系统，将软件设计分为3个部分：水平度采集系统（下位机）、手机终端和检测中心服务器终端。

3.1 水平度采集系统

如图4所示，水平度采集系统（下位机）主要功能包括水平度采集、GPS信號采集、水平度数据上传和人机接口控制。这部分是系统的核心，当系统中的GPS模块检测到有位置变化时，启动两组共4个水平度传感器，连续采集多次，当次数达到10次或者有GPS定位经纬度变化时结束采集，然后将采集到的水平度值作适当处理后通过WiFi模块发送到手机，并在触摸屏上显示出来。

3.2 手机终端

手机应用程序是基于Android系统开发的一款专业应用程序，由于现场数据采集最终需上传至服务器，所以手机终端主要包含两个任务：实时数据检测显示和实时检测数据上传。

3.3 检测中心服务器终端

手机终端通过GPRS将现场采集的数据发送到检测中心服务器终端，终端负责数据记录和历史数据对比，终端检测人员可通过历史数据窗口观察每一段铁轨水平度的变化情况。

检测中心应用程序采用C#开发，可实现某一段铁轨水平度的连续变化情况显示或是某一点长时间的变化情况显示等功能。

4 结语

铁轨中长期水平度检测系统可实现对铁轨水平度长期变化的检测，具有可靠性高、使用方便等特点，特别是对一些路基沉降比较严重的地区，可以非常清晰的反映出铁路路基的变化情况，及时发现存在的问题，尽早消除隐患，保障铁路运行安全。

参考文献

[1] 杨昌休，宋国经，杨扬.铁路路基与铁轨沉降数据采集系统的设计[J].铁路计算机应用，2010，19（7）：23-26.

[2] 林泽鸣.铁路路基剖面沉降检测系统的研究[D].北京：北方交通大学，2010.

[3] 姚文斌.GPS在高速铁路勘测中的应用[J].甘肃科技纵横，2012，41（4）：15-16.