基于4G的火车站穹顶质量健康监测系统设计

2018-07-23王磊，姜曼，王军，朱可

苏州科技大学学报(工程技术版) 2018年2期

王磊，姜曼，王军，朱可

（1．苏州科技大学信息建设与管理中心，江苏苏州 215009；2．苏州科技大学电子与信息工程学院，江苏苏州 215009）

2015年南通西站内东侧建筑发生垮塌事故造成5人轻伤，引起社会重视。传统火车站穹顶质量监控检测利用单个传感器检测振动，并采用有线485通讯协议将数据传输至数据服务器中心。传统方式的不足：单个传感器检测物理信号有限，且采用485传输数据经常受到地形布线的限制，传输速率慢，采集速率低。针对这种不足，提出一种基于4G的多传感器融合的火车站穹顶钢结构质量健康监测系统。

1 4G健康监测系统硬件总体设计

4G健康监测系统包含六部分：多融合传感检测、AD模数转换、ARM中央处理器、4G无线传输、SD卡存储、其他外设。振动、压力和温度传感器多融合将火车站穹顶钢结构自然量转换为微小电流或电压信号[1-2]，经过预处理电路对信号滤波放大，经过A/D转换，将模拟信号转换为数字信号传输至ARM中央处理器，ARM中央处理器在数据前加上帧头帧尾通过简化媒体独立接口（RMII）将数据传输至4G无线传输模块，再传输至目标服务器[3-4]；同时ARM中央处理器也通过安全数字输入输出接口（SDIO）将数据存储在SD存储设备中留以备份[5-6]。其他外设包括电池管理模块给整个设备提供电能；按键模块设置系统工作模块；LED灯提示系统当前工作状态。

ARM中央处理器采用ST公司32位Cortex-M4 STM32F407控制芯片，主频高达168 MHz，并具有DSP指令集，1 MB Flash和4 kb RAM。高达136个快速 I/O口，最高频率84 MHz。STM32F4包含3个ADC，19个采集通道，可工作在独立、双重、三重模式[6-9]。采集数据精度可达12位，A/D转换模式可运行在单次、连续等其他多种模式，A/D转换速度可达2．4 MHz。采集数据可按左、右对齐缓存在A/D寄存器中。处理器自带DMA的MAC控制器，通过简化介质独立接口（RMII）与外部LAN8720A物理层连接，LAN8720A通过网络变压器将网络数据发送至4G无线模块。压力传感器采用压力变送器MIK-P300，输出4～20 mA电流信号，振动传感器采用ZM-YB40，同样输出4～20 mA电流信号，温度变送器采用WZP-PT1000，当温度变化时，温度变送器的内阻值随着温度的变化而变化。4G无线模块采用HIWY-G40模块，其CPU采用联发科MTK公司MT7628处理器，支持802．11b/g/n协议，与中央处理器采用差分网络连接。系统数据存储采用SD设备，STM32F4安全数字输入输出接口（SDIO）支持SD卡读写数据，可工作在三种不同的数据总线：1位（默认）、4位和8位，读写速率快。此外按键和指示灯连接到STM32F4的I/O口上，由软件控制。4G健康监测系统硬件设计框图如图1。

图1 4G健康监测系统硬件设计框图

1.1 传感器信号采集硬件设计

压力变送器MIK-P300和振动传感器ZM-YB40输出4～20 mA电流，经过R7精密电阻转化为电压信号，输入到第一级运放电路，其输入阻抗为0，可以大幅降低检测电路的噪声干扰。而温度变送器WZPPT1000可看成可变电阻，一端连接VCC，一端与R7精密电阻相连构成分压电路，将温度转换为电压信号输入到第一级运放电路。第二级为二阶有源低通滤波器，用于去除转换后电压信号中的高频噪声，由运放输出的处理后的电压信号可以直接传输至STM32F4中央处理器A/D采集端口，硬件设计图如图2。

图2 传感器信号采集硬件设计

1.2 4G无线数据传输硬件设计

STM32F4外接 LAN8720物理层（PHY）芯片完成以太网通信，LAN8720芯片可以通过RMII接口与STM32F4内部MAC连接，TXD、RXD数据传输信号，TX_EN发送使能信号，CRS_DV接收数据有效信号，REF_CLK连续时钟信号，为LAN8720芯片其它信号提供时序参考，LAN8720芯片经过一个变压器通过TXD、RXD差分线与4G无线模块连接，硬件设计图如图3。

图3 4G无线数据传输硬件设计

1.3 SD卡数据存储硬件设计

STM32F4自带SDIO控制器支持SD存储卡，SDIO_CLK给SD卡信号提供时序参考，SDIO_CMD信号用于SD判断写入的是数据还是命令、SDIO_D[3：0]数据线与SD进行数据通信，连接示意图如图4。

图4 SD卡数据存储硬件设计

2 4G健康监测系统软件设计

系统上电工作，中央处理器STM32F4采集火车站穹顶各节点的传感器的数据，一方面通过4G无线模块传输至目标服务器，服务器将数据处理，如果超过预先设定的阈值就会向管理员示警，另一方面通过SDIO接口将传感器数据存储在SD设备中留以备用，软件设置总流程图如图5。

图5 软件设计总流程图

2.1 AD数据采集软件设计

初始化I/O引脚时钟，并将ADC复用引脚设置工作在模拟输入模式，然后设置ADC CCR寄存器，配置ADC采集频率，工作在独立模式。初始化ADC参数，设置ADC的数据转换12位，数据存储右对齐，然后开启ADC转换通道，经过几个周期后读取ADC的数值，系统采用10次取均值，增加数据的可靠、稳定性，AD数据采集流程图如图6。

2.2 4G无线数据传输软件设计

系统上电后，首先设置RMII接口的I/O引脚的时钟，并且开启复用模式，同时设置LAN8720工作参数，启动轻型IP协议栈（LWIP），判断有无开启DHCP功能，如果开启则获取动态IP地址，否则设置静态IP地址，然后建立TCP连接，同时与目标服务器尝试连接，连接服务器成功后检测发送标志位是否有效，当标志位有效将发送数据缓存器中的数据发送至目标服务器IP，流程图如图7。

图6 AD数据采集流程图

图7 4G无线数据传输流程图

2.3 SD卡数据存储软件设计

系统采用STM32F4系列内部SDIO硬核接口，首先初始化SDIO的I/O引脚时钟，然后设置其工作在SDIO复用模式下，上电后先等待75个时钟频率周期，完成后向SD设置CMD0命令对SD卡进行复位，之后设置CMD8命令激活卡设备，获取设备类型，设置ACMD41确认设备的操作电压，SD设备初始化结束后，通过 CMD7命令，选中SD设备，并对 SD设备进行数据读写操作，SD设备数据存储流程图如图8。

图8 SD卡数据存储流程图

3 实验结果及分析

前端采集装置如图9节点采集装置前面板图、图10节点采集装置后面板图所示，前面板包含电源接口、通讯接口以及10路传感器输入端口；后面板包括4G卡槽、天线接口、SD卡卡槽以及6个状态指示灯。打开检测系统软件，出现如图11登录界面，输入用户名和密码，进入图12数据实时显示界面，从图中用户可以实时观察检测节点各参数，为后续绘制3D数据结构图提供实时数据，当某个节点数据出现异常时，快速示警通知管理员。