无线智能化铁路基础设施数据采集系统的研究与应用*

2018-11-02潘兆马杨学锋姚书琴

传感技术学报 2018年10期

王珣,潘兆马,袁焦,杨学锋,姚书琴

(中铁二院工程集团有限责任公司,成都 610031)

随着现代通信技术的迅速发展,物联网技术已愈加广泛的应用于如电网、交通、环境等各个领域[1]。物联网技术的本质是网络通信技术,核心是无线技术,能够非常便捷的实现人与物、物与物之间的相互感知。

基于无线的传感器网络是由一组传感器以Adhoc方式组成的有线或者无线网络,其目的是协作地感知、收集和处理传感器网络所覆盖的地理区域中感知对象的信息,并传递给观察者。无线传感器网络具有强大的数据获取和处理能力使得其应用范围十分广泛,可以被应用于军事、防爆救灾、环境、医疗、家居、工业等领域,无线传感器网络已得到越来越多的关注[2]。

国际上,美国《技术评论》在预测未来技术发展的报告中,将无线传感器网络列为21世纪改变世界的十大新兴技术之首[2]

国内也有越来越多的企业开始关注无线传感器网络技术的发展,开始推出针对无线传感器网络及ZigBee的解决方案[3]。

随着科学技术的发展以及社会生产力对科学技术需求的不断提高,数据采集系统在工业自动化以及科学研究中得到了广泛的应用[2-5]。

伴随着我国铁路的迅猛发展,铁路基础设施的安全(如地质灾害、结构物病害)直接关系到铁路的运营安全。目前国内的基础设施监测主要以半自动和有线的自动化监测为主,同时基于ZigBee、Wifi等形式的监测也逐渐有了尝试。有线监测通常需要消耗大量的电缆费用,安装过程也较为繁琐,同时易于破坏,后期维护工作量大[4]。基于ZigBee、Wifi等形式的采集仪充分利用了无线传输数据的便利性,然而ZigBee传输不仅数据量较小,障碍物绕射能力也相对较差[5-11]。Wifi传输数据量较大,但同样存在传输距离较短、受障碍物遮挡影响较大情况,其功耗较大[5-11],难以满足铁路沿线复杂的监测环境应用需求。

图2 无线数据采集系统架构

结合当前物联网与数据采集仪发展现状,本文提出了一种基于433 MHz无线传感器局域网络监测系统,采集监测区域内环境数据并将数据融合后由GPRS模块上传至远程服务器,实现对铁路基础设施的实时监测。该系统充分利用433 MHz无线传输的高强度障碍物绕射能力以及LoRa扩频技术的远距离传输功能,解决了设备安装、维护困难等问题。同时针对隧道、桥梁、山体等不同应用场景,系统采用多通道多类型的传感器接入设计,融入自适应卡尔曼滤波算法,满足多种类型环境数据高精度的采集需求。以自定义协议为基础,设计主、被动相结合的报警机制,使得系统不仅能够采集到监测环境数据,也能对灾害发生实时报警,同时融入SD卡掉线重传技术,解决野外GPRS信号不稳定造成的数据无法向远程服务器上传而丢失的问题。该采集系统已在我国铁路抢险和重大项目中得到了广泛应用,取得了良好的应用效果。

1 无线网络数据采集系统设计

为确保无线网络的数据采集仪的多任务、强适用性能力,须首先设计其整体系统结构与明确功能目标。

1.1 系统平台架构

通过对数据采集仪无线组网方案研究,选择星状组网作为无线传输网络拓扑结构(见图1),星状网络中心节点以下简称数据采集仪主站与子节点以下简称数据采集仪从站。采用轮询通信机制,并采用一种新型的基于433 MHz频段数据通信协议(Sensor_Link),在保证了数据传输的稳定性的基础上,减少了采集系统成本、降低了施工难度。同时相较于ZigBee技术,该频段下的通信传输距离更远,障碍物绕射能力更强。

图1 星状网络拓扑示意图

因此根据组网方案设计数据采集仪主站、从站两种设备,共同实现监测数据的采集、处理、传输等功能。通过该模式组成的数据采集系统主要由各个现场采集子系统及远程子系统构成,其中现场采集子系统由无线数据采集仪从站及无线数据采集仪主站组成,远程传输子系统由GPRS模块、服务器、客户端PC组成(见图2)。

现场采集子系统布置在被监测的现场区域,通过433 MHz无线模块,实现现场监测区域内的无线局域网络。无线数据采集仪从站接入监测区域内需要的不同传感器,采集被接入的传感器数据,对数据进行滤波处理后,通过433 MHz无线模块向无线数据采集主站发送处理后的传感器数据。无线数据采集仪主站负责收集所有无线数据采集仪从站采集到的传感器数据,并对数据进行融合处理后,由GPRS模块向远程服务器进行发送。单个采集子系统架构见图3所示。

图3 单工点监测系统结构图

远程服务器收集各个现场采集子系统数据,对数据进行分析处理,同时将分析数据实时的发布至客户端PC机中。远程服务器也将通过对数据进行分析处理后,实现对现场数据采集子系统中无线数据采集仪主站变频等命令发送,从而实现远程传输子系统与各个现场采集子系统的交互。

综上述,采用数据采集仪主、从站的设计模式,即实现了数据采集的无线传输,同时由于主站的出现,使得每个监测工点只需一个GPRS模块,可最大限度的降低监测系统通讯成本。

1.2 无线网络数据采集系统功能特点

在充分研究数据采集仪总体方案和结构组成的基础上,结合铁路基础设施工程及运营环境的特点,本文提出了该数据采集系统应实现的功能特点。

①数据采集仪主站、从站布设灵活、易于维护。采用无线通信的形式进行数据传输,减少了设备布线,同时具有远程固件升级功能,易于设备维护。

②实时报警。采用自主设计主被动通信协议,不仅能够按照设定时间收集并上传监测系统内所有传感器数据,还能对灾害发生进行实时报警,及时响应并上传灾害发生时监测现场所有传感器数据。

③数据采集精度高。数据采集仪具有多通道多类型传感器接入能力,单台采集仪可接入多个传感器,并对传感器数据进行自适应滤波处理,提高采集精度。

④数据通信稳定可靠。数据采集仪具有掉线数据SD卡自动存储及重传功能,确保上传传感器数据不丢失。

⑤低功耗。由于数据采集仪应用于野外监测环境,供电线缆铺设困难且维护量大,所以采用低功耗的硬件设计思路,实现了数据采集仪电能供应方式灵活,适用于蓄电池、太阳能、传统有线供电等多种场合。

2 系统硬件平台设计

采集仪硬件平台采用基于Cortex-M3平台的Stm32F103芯片为基础,本节将分为采集仪主站硬件设计与采集仪从站硬件设计进行介绍。

2.1 采集仪主站硬件平台

采集仪主站作为星状组网的中心节点,主要将组网区域内所有采集仪从站读取到的传感器数据进行融合,上传至远程服务器,同时作为远程服务器与监测现场所有设备的中心通信枢纽,其功能设计见图4所示。

图4 数据采集仪主站功能结构图

2.1.1 通信模块设计

采集仪主、从站均采用基于433 MHz的无线模块(E32-TTL-1W)实现组网的无线通信。该模块采用LoRa扩频技术,点对点传输距离在无遮挡条件下可达7 km,绕射能力也相对较强,其通信模块及硬件接入电路见图5所示。

图5 数据采集仪无线模块接入电路图

2.1.2 sd卡接口设计

在GPRS通信不畅的情况下,采集仪主站需将无法上传的数据自动的存储至本地,待信号恢复正常后,存储数据自动的上传远程服务器,因此主站采用外接sd卡设计,其硬件电路见图6所示。

图6 数据采集仪主站外扩sd卡

2.2 采集仪从站硬件平台

采集仪从站作为星状网络拓扑结构的子节点,主要对接入监测区域内的不同类型传感器进行数据采集、滤波处理,再通过无线模块将传感器数据传给采集仪主站,其硬件平台功能见图7所示。

图7 采集仪从站硬件平台功能结构图

图7中,采集仪主、从站采用同一无线通信模块,具有相同的电路设计方式。因此本小节重点介绍采集仪传感器信号采集部分。

2.2.1 模拟量信号采集电路设计

数据采集仪从站总共具有16路模拟信号量接入能力,采用24位AD7124处理器,在保证采集精度的同时,具有处理多类型、多数量传感器数据读取功能。其具体硬件设计电路见图8所示。

图8 采集仪从站模拟量采集电路图

图9 采集仪从站脉冲量采集电路图

2.2.2 脉冲量信号采集电路设计

数据采集仪从站具有2路脉冲信号量接入能力,能够处理像翻抖式雨量计等脉冲量输出类型传感器。其具体硬件设计电路如图9所示。

3 系统软件设计

为充分发挥硬件平台功能,同时满足无线智能监测系统功能需求,采集仪主、从站设备均采用μC/OS-Ⅲ操作系统作为软件基础平台。

根据前述业务需求,数据采集仪主站、从站嵌入式软件主要实现的功能见图10所示。

图10 嵌入式软件功能模块设计

3.1 主、从站无线通信协议

为了确保对监测异常情况实时捕获,在通信协议中加入主被动相结合通信机制。下面将从采集仪主站与从站间分为主动通信与被动通信两方面介绍。

①被动通信

由于星状组网中,只有一个中心节点(即采集仪主站),它与多个子节点(采集仪从站)通信采用轮询机制(轮询是从第1个采集仪从站开始,主站完成对单个从站发送指令与接收数据确认后,再发送请求索取下一个采集仪从站数据的指令,如此循环完成多个采集仪从站的数据汇集),数据流向见图11所示。采集仪从站实时将采集到的传感器数据与阈值进行比较,若在阈值上下限范围内,根据采集仪主站中设定好轮询频次,由主站发送索取指令,从站确认后被动地向主站传输数据。主站轮询完成对每一个从站的数据收集工作。

图11 单次轮询通信数据流向

图12 主动通信时数据流向

②主动通信

每个采集仪从站均会实时采集传感器数据,并与阈值进行比较,若出现传感器数值大于设定阈值,则立即通过无线模块发送报警信息。见图12所示,在任何时刻,如从站3所采集的传感器数据超出了阈值上下限,则第1步主动向采集仪主站发送超限报警信息,无论主站处于何种状态,主站收到报警信息后,立即响应第2步对当前所有从站的数据进行收集,从而实现对异常数据的第一时间捕获,提高了系统的时效性。

3.2 传感器数据采集

本节主要介绍采集仪从站如何实现多种类型传感器数据采集与采集后的滤波降噪处理。

①多类型数据接入

采集仪运用在不同的工点需要连接不同类型的传感器采集环境数据,其中监测系统常用传感器的输出类型及名称如表1所示。

表1 监测系统常用传感器

采集仪根据监测环境需求连接相应传感器,并通过PC上位机对其进行参数配置。采集仪上电工作,通过读取配置参数信息识别接入的传感器并分类对其进行数据读取、转换,其中模拟量采集硬件电路见图8所示,脉冲量电路见9所示,具体的软件实现流程见图13所示。

图13 采集仪从站传感器数据采集流程图

②Adatpive Kalman滤波

现场监测过程中传感器易受到各种因素的干扰(如列车通过或大型机械作业引起的振动干扰等),为确保采集数据的精确性,确保评估数据的真实性与可靠性,数据采集仪从站须对采集到的传感器数据进行滤波处理,剔除外部环境噪声,提高传感器测量精。传统的Kalman滤波方法需要对运动激励噪声与测量噪声进行统计,难以适用于铁路基础设施监测所处的复杂环境与传感器的多样性。因此本节采用Sage-Husa adatpive Kalman filter[12]滤波方法与采集仪进行融合,实现了对未知的运动激励噪声与测量噪声在线统计及滤波功能(见图14)。

图14 采集仪从站采集数据卡尔曼滤波流程图

整个计算流程包括了状态估计、测量更新与参数估计3步,现以沉降变形监测为例,详细介绍其计算步骤。

第1步:状态估计

(1)

(2)

第2步:测量更新

(3)

(4)

(5)

第3部:参数估计

(6)

dk=(1-b)/(1-bk+1)

(7)

(8)

(9)

式中,εk为k时刻测量值与系统估计测量误差值,dk为k时刻的影响因素,b为遗忘因子,其取值范围为0.950～0.995,文本设置为0.96。

然后在对Rk与Qk的统计计算中采用了矩阵的减法,从而可能出现Qk丧失正定性与Rk出现负正定的情况,针对上述问题本文采用一种高效、鲁棒的统计计算方法[13]避免上述问题的出现。

(10)

(11)

通过采集仪从站连接静力水准仪传感器,在实验室高精度标准沉降位移测试平台下对其滤波前后数据进行观察测试,测试平台见图15所示。

图15 沉降标准测试平台

静力水准仪通过感受与基准点水位高差压力值,推算出与基准点垂直高差大小。在标准测试台发生缓慢垂直位移变化时,静力水准仪传感器实时感知液位压力变化并转换成相对位移值,以数字信号的形式对外输出。采集仪从站通过串口端子采集静力水准仪数据,并对采集到的原始数据、卡尔曼滤波后数据及其测试台真实形变量数据进行对比,其效果图见图16所示。

3.3 远程升级

①主站远程升级

为了能够更好的对设备进行远程管理、修复,同时配合产品科研需要,软件能够对新算法提供更好的支持,采集仪提供远程在线的固件升级功能。首先由远程服务器通过GPRS模块发送指令,使采集仪主站进入更新状态;然后发送待更新Bin文件程序。由于所使用的GPRS模块,带宽只有1 KB,而程序软件通常在几十到几百KB大小范围内。因此对更新的Bin文件需要进行分包处理。其具体工作流程见图17所示。

图18 采集仪从站远程更新流程图

图16 观测数据SHAKF滤波前后对比

图17 采集仪主站远程更新流程图

②从站远程升级

采集仪从站进入远程更新状态,主要是由采集仪主站通过433 MHz无线模块发送指令,然后发送需要更新的Bin文件程序。由于所使用的基于433 MHz无线模块的带宽只有58 byte,而待更新的程序软件大小通常在几十到几百KB大小范围内,因此同样需要对更新的Bin文件进行分包处理。其具体工作流程见图18所示。

4 系统应用

无线数据采集系统由于其多类型传感器融合技术以及无线组网的便利性等多个优点,目前已在铁路基础设施多个监测工点和地质灾害监测中得到广泛应用。本文就无线数据采集系统在北盘江特大桥桥面变形监测的实际应用进行具体阐述。

北盘江特大桥全长721.25 m,桥址位于地形复杂的V字形峡谷,为了测量拱圈收缩徐变、温度作用引起的梁部下挠以及不均匀日照温差引起的局部横向扭转变形,系统在桥墩对应的箱梁内部上下游共选取了17个测点,布设静力水准仪、温度计、数据采集仪和太阳能供电设备,设备布置见图19所示。

图19 系统监测设备布置示意图

本系统中静力水准仪和温度计通过RS232信号输出,由于RS232传输距离限制,将17台静力水准仪和温度计分为4组,每组端部位置布设无线数据采集仪从站作为子节点,采集该组所有设备的数据,在桥头位置无线数据采集仪主站作为主节点,与其他4个子节点组成星型网络。主站通过轮询的方式主动获取各个从站的监测数据,实现对所有传感器的数据进行实时采集和存储,最终主站通过GPRS传输单元将数据传回数据中心。

由于主节点与子节点通过无线传输,为了避免因箱梁外侧排水管遮挡引起掉包现象,数据采集仪主站、从站均采用5 m高增益天线,利用支架天线接收端固定于箱梁外侧(见图20(c)所示),满足主节点与子节点透视要求,此外在采集仪应用程序中增加掉包重传功能,从而确保数据传输的可靠性。

无线数据采集系统中主站可远程或自动修改采样频率,数据中心根据前端传回数据自动计算出轨道平顺性的评价结果,建立了4级安全等级,自动下发不同等级下变频指令,主站接收到数据中心下发的变频指令后,立即按照新设定采样频率采样。此外,为了获取桥梁不均匀日照温差引起的变形数据,亦可人工设定采样频率(1 min～24 h),实现全天候不间断采样。

本系统的无线数据采集仪主站、从站、电源箱和天线等实物见图20所示,其中图20(a)为无线数据采集仪主站,图20(b)为无线采集仪从站,图20(c)为电源箱及天线。