一种基于RFID的轻轨交通锚固螺杆健康检测方法

文 枰

(四川文理学院智能制造学院，四川达州635000)

1 引言

锚固螺杆是轻轨交通轨道梁和墩台的连接件.若是锚固螺杆出现断裂或是松动等故障，会直接影响到轻轨交通的运行.轻轨交通在役锚固螺杆安装在户外，每天都要承受列车经过时的冲击和载荷，所以对锚固螺杆的健康检测是很重要的.[1-2]锚固螺杆长约1m，在役锚固螺杆大部分都埋藏在墩台的锚箱内，只有大约0.1m是露在锚箱外部.因此，对锚固螺杆的检测显得比较困难.现有的锚固螺杆检测技术大多以人工为主，有的甚至需要凭检测工人的经验进行判断.[3]所以，设计一种可以自动判断锚固螺杆健康状态的检测方法是非常有必要的.

由于科技的不断进步，无线传感网络技术越加成熟多样.现在比较主流的无线传感网络技术有RFID、ZigBee、蓝牙技术、WLAN(WiFi)等.RFID技术与其他无线传输技术相比，具有成本低、功耗小、体积小等优点.所以本文选择RFID技术设计了一种轻轨交通锚固螺杆健康状态的自动检测方法.

2 总体设计

该方法是基于RFID无线传输技术和锚固螺杆健康检测装置.来实现对其健康状态进行快速检测.[4]轻轨交通每一个墩台安装一片有源RFID标签.该有源RFID电子标签内预先置入所在墩台的编号.由于每一个墩台有8根锚固螺杆，所以每根锚固螺杆安装一个锚固螺杆监测装置.[5]有源电子标签负责将锚固螺杆的健康状态和所在墩台的地址信息主动传输给阅读器，再由阅读器将采集到的信息传输给PC机.由于轻轨交通独特的轨道形式，在检测过程中，由检测小车承载PC机和阅读器以一定的速度沿轨道梁收集锚固螺杆的健康状态.[6]图1为总体设计图.

图1 总体设计图

3 硬件设计

3.1 核心控制模块的设计

该系统硬件部分包括有源RFID标签、阅读器及PC机.本文重点研究有源RFID标签的设计.有源RFID标签大致由核心控制模块、电源管理模块及射频天线模块等部分组成.其中核心控制模块主要的作用的是控制电源管理模块和射频天线模块，达到降低功耗、完成检测并发送地址信息及采集到的锚固螺杆健康状态信息的目的.该模块采用的芯片是TI公司推出的一款低功耗芯片MSP430f149.该芯片拥有64个引脚，供电电压范围在1.8V到3.6V之间，且具有一种活动模式(AM)和5种省电模式(LMP0-LMP4)，最省电的模式是LMP4，即掉电模式，在该种模式下消耗的电流仅为0.1uA.[7-9]在役锚固螺杆是在户外工作，这就要求锚固螺杆健康检测装置和有源RFID标签必须安装在户外.本文设计的检测方法是采用两节1.5v干电池供电，在户外要求电池更换周期长，降低成本，这就要求有源RFID电子标签的功耗要极低.从MSP430f149的各种特点来看，刚好满足设计要求.所以本文选择该款芯片作为有源RFID标签的控制芯片.图2是核心控制部分的电路图.从图中可以看出P1.0接电源管理模块，J1为核心控制模块与射频天线模块的接口连接方式.与射频天线模块SPI接口相对应的端口为P1.3、P1.4及P6.2-6.5.[10-12]其中P5.1、P3.6、P3.7及P4.3-4.7是作为输入端口，外接锚固螺杆健康检测装置，用于接收锚固螺杆检测装置采集到的信息.

图2 核心控制模块的电路图

3.2 射频天线模块的设计

射频天线模块采用的是nRF24L01芯片来完成信号的收发.该芯片是Nordic公司研发的一款2.4G通信芯片.它外设20个引脚，通过SPI接口与单片机连接.[13-14]而且该芯片是一款低功耗芯片，拥有5种工作模式，分别是掉电模式、待机模式1、待机模式2、发送模式、接收模式.为节省功耗，核心控制模块进入休眠模式时，射频天线模块也进入掉电模式.当核心控制模块醒来，打开锚固螺杆健康检测装置的电源时，射频天线模块也将醒来，并将采集到的数据发送给阅读器.图3为射频天线模块的电路图.图中的J1为nRF24L01芯片SPI接口与MSP430f149的接口连接方式.

图3 射频天线模块的电路图

3.3 电源管理模块的设计

电源管理模块的主要作用是管理锚固螺杆健康检测装置的电源.在核心控制模块和射频天线模块进入休眠模式时断开该检测装置的电源，使其完全不消耗能量，达到节省功耗的目的.该功能主要原理是利用MSP430f149的P1.0口来控制模拟开关MAX4625，来实现对锚固螺杆检测装置的电源断开/接通的控制.然后利用LM1117对输出电压进行转换，满足该检测装置的供电电压.[15-16]图4为电源管理模块的硬件电路设计图.

图4 电源管理模块的电路图

4 软件设计

有源电子标签通电之后，对时钟、定时器及SPI接口进行初始化.标签的核心控制模块进入工作状态.锚固螺杆健康检测装置开始采集数据，并将采集到的锚固螺杆螺杆健康状态信息发送给核心控制模块.在核心控制模块中预先存好所在墩台的地址信息，然后射频天线模块进入工作状态将锚固螺杆健康状态信息及所在墩台的地址信息一起发送给阅读器，再由阅读器传送给PC机，给检修人员提供检修参考数据.然后核心控制模块给出关闭锚固螺杆检测装置电源的信号，使其处于断电状态，并给出信号使射频天线模块进入掉电模式，自身再进入休眠状态.接着整个标签等待休眠结束，进入下一个工作周期，不断循环.综合考虑，核心控制模块的休眠时间设定为2s.图5为其工作流程图.

图5 软件设计流程图

5 功耗测试

从流程图可以看出，整个工作周期大致包括休眠部分和数据采集传输部分.在休眠状态下，MSP430f149进入的是工作模式是LPM3，通过定时器中断唤醒.在该模式下，该芯片的电流消耗仅为0.8uA.nRF24L01在掉电模式下电流消耗仅为900nA，而锚固螺杆检测装置进入了断电模式，几乎不消耗能量.当有源电子标签从休眠状态醒来采集发送完数据又立刻进入休眠模式，以此方式来节省功耗.本设计供电电源使用的是两节1.5v的干电池供电.两节干电池的总的容量C大约为2700mAh，在理想状态下，一个工作周期内的能量C1消耗为一个工作周期的时间T0乘以该工作时间内的平均电流I.所以两节干电池供电的时间为：

T=T0×C/C2

(1)

有源电子标签在进行数据采集发送的状态下测得其平均工作电流大约为15mA.经公式1计算得出其工作时间大于3年.该有源电子标签的设计满足设计要求.在安装时，还可以采用容量更大的干电池或者是采用太阳能供电延长有源电子标签的使用寿命.有源电子标签的使用寿命越长，更换周期就越长，能够降低使用成本.

结 语

本文提出的基于有源RFID的轻轨交通锚固螺杆健康状态检测方法能够快速的掌握锚固螺杆的健康状态，相比人工检测而言提高了检测效率，降低了检测的成本.本文重点设计了有源RFID电子标签，利用MSP430f149作为主控芯片对射频天线模块和锚固螺杆检测装置的电源及工作状态进行控制，以达到节省功耗、延长电池供电时间，延长标签更换周期，降低成本的目的.与其他轻轨交通锚固螺杆健康状态检测方法相比，本文提出的方法具有检测迅速、功耗低、成本低等特点，为锚固螺杆的健康状态检测提出一种新的方法，以供检修人员参考.