基于ARM和GPRS的高铁雨棚振动响应监测系统

杨 昕，安晓静

(石家庄铁道大学 电气与电子工程学院，河北 石家庄 050043)

随着高速铁路的快速发展，与传统“候车室”车站相比，样式新颖、形式轻盈及“站、棚一体化”的大跨度无站台柱钢结构的雨棚客站设计模式备受青睐。与此同时，这种结构模式一体化的高铁无柱雨棚，由于其高(十几米甚至二十米往上)、大(面积几万至十几万平米)、阔(覆盖整个站台和车站)等结构因素的限制，以及易受列车运行的振动和强气流影响，日常难以铺设线路对高铁雨棚振动响应进行监测，存在诸多安全隐患[1-2]。近年来,在高铁车站运营过程中，高铁车站无柱雨棚事故时有发生。2012年3月23日，京沪高铁线天津南站出现雨棚屋面板坠落，部分悬挂在接触网上，造成接触网停电事故，中断行车3小时16分。针对当前高铁雨棚振动监测系统成本昂贵、铺线困难、高空作业危险、日常缺乏对雨棚振动进行有效监测的现状，从实际角度出发，考虑成本、实际测量环境以及实现难易程度等因素，设计了一种基于树莓派的高铁雨棚振动响应监测系统，本系统以价格低廉的树莓派作为中心控制器，再结合低成本的GPRS无线网络通信技术和阿里云服务器，实现对高铁雨棚日常振动以及风致振动下雨棚状态响应信息的监测。与传统的测量方法相比，具有成本和技术的优势。

1 系统设计与体系结构

本监测系统结构如图1，主要由前端数据采集模块和后端控制模块构成。前端采集模块主要包括振动模块和中心处理模块，其中，选取ARM系列的树莓派作为主控制器，用于驱动振动模块MPU6050，实现对高速铁路雨棚振动响应信息的获取；控制模块主要由主控制器树莓派与GPRS模块、服务器模块组成，完成对各振动参数数据的接收和处理[3]，显示雨棚振动参数实时状态以及与服务器之间建立通信。

用户可通过PC端和智能手机登录阿里云服务器公网IP，实时观测高铁雨棚振动响应情况及变化趋势，如自然风状态下、列车高速行驶下雨棚风致振动响应情况。并获取相关数据进行振动响应的研究与分析。

2 系统硬件设计

2.1 振动模块

加速度传感器通过测量质量块所承受的惯性力，然后依据牛顿定律获得加速度值。本系统物体振动模块选取全球首例集成六轴传感器的运动处理组件MPU6050[4]，由三轴陀螺仪和三轴加速度计组成，分别采用三个16位ADC，将测量的模拟量转化输出为数字量。本实验针对采集高铁雨棚振动响应数据，只需使用其三轴加速度传感器。

2.2 树莓派

在本系统中，数据采集的核心是基于linux系统的嵌入式卡片电脑：树莓派3b+，此版本树莓派在前版的基础上添加集成Wi-Fi芯片和蓝牙芯片，为树莓派接入无线网络，搭建物联网提供便利[5-6]。此外，还提供了连接各种传感器扩充的40个GPIO针脚和SPI总线、摄像头、HDMI视频接口以及麦克风接口，并支持C、C++、Python、php、Java等一系列编程语言。

2.3 GPRS通信模块

无线通信模块采用GPRS网络实现数据通信，由于高铁雨棚自身环境因素限制，如高铁车站客流量大、距离地面较高、高铁车站Wi-Fi信号不稳定、高铁车站禁止闲杂人等长期逗留，难以做到长期人工现场实时监测。因此GPRS无线传输就成了本系统设计的重点。在系统中，通信模块选择微雪公司生产的SIM868无线传输模块，此模块结合了GPS、GPRS/GSM、LBS基站定位、蓝牙数据传输等功能。完美实现与树莓派对接，同时具有接口丰富、功能稳定、抗干扰性强、外围电路集成度高、尺寸较小等优点。

3 系统软件设计

本小节搭建树莓派测试平台，实现树莓派驱动加速度模块、GPRS无线通信模块，在阿里云服务器端实现LAMP网站架构，通过GPRS模块与服务器建立远程通信，将数据写入MySQL中，软件的流程如图2 所示。其中树莓派通过Python驱动MPU6050获取并存储记录振动加速度数据；在进行GPRS无线传输时，为确保数据的完整性，树莓派在空闲时间段通过Python脚本驱动GPRS传输记录的数据。

3.1 控制器主程序设计

树莓派支持多种操作系统，在使用前首先通过外扩的SD卡烧写所选用的系统，以确保树莓派正常启动。在本实验中，选取基于Debian的Raspbian操作系统，此系统具有完整的TCP、HTTP等协议。当系统烧录完毕后，查找树莓派动态IP，通过SSH远程连接进入树莓派VNC界面，进行树莓派核心模块安装配置：主要包括核心库函数bcm2835、python语言、i2c-tooli2c内核驱动、vim编辑器、minicom调试串口[7]。

3.2 振动参数软件设计

树莓派通过I2C总线连接加速度传感器MPU6050，在3.1节中，树莓派已完成I2C的安装和内核驱动，将树莓派与MPU6050连接后，在命令窗口下输入sudo i2cdetect-y 1，用于验证I2C驱动安装成功以及MPU6050传感器是否异常，若检测到0x68地址处有设备，表明I2C驱动已正常开启，设备工作正常，树莓派与MPU6050通信建立完成。通过Python代码驱动MPU6050，获取5个重要的参数：id(测试序列号)、x_accel(x轴加速度)、y_accel(y轴加速度)、z_accel(z轴加速度)及time(测试时间)，图3为树莓派与MPU6050测试结果图。

3.3 数据远程通信设计

基于高铁车站没有宽带网络或网络信号不稳定，因此GPRS通信系统是整个软件设计的关键。为实现高铁雨棚环境下和远程服务器端的通信，本系统选取微雪公司生产的树莓派扩展板SIM868通信模块。在实验中，GPRS模块采用HTTP协议[8]进行数据通信。在第一次使用GPRS模块时，需要对它进行相关AT指令配置，主要包括：模块网络注册、设置网络参数、初始化HTTP、波特率等[9]。若设置全部正确，此时GPRS模块将与阿里云服务器建立起HTTP通信协议，实现数据无线传输。

3.4 服务器程序设计

本系统采用阿里云服务器作为数据存储平台，公网IP地址为47.95.193.51，选用阿里云基于Linux发行版CentOS 7.2 64位的操作系统。当购买此版本服务器后，设置各参数安全组规则，然后通过putty远程连接进入CentOS版阿里云服务器，进行服务器环境搭建以及phpmyadmin配置，完成服务器的初步配置。

当GPRS模块试调成功后，通过远程连接进入阿里云服务器，配置LAMP(Linux、Apach、MySQL、PHP)网站环境[10]，并进行MySQL主机名、数据库名、数据库密码、数据表参数与类型的设置，实现阿里云服务器MySQL配置[11]。最后服务器端编写程序，接收SIM868通讯模块发送来的HTTP请求，使用GET方式获取HTTP请求URL中传入的变量值，并插入到数据库中。

4 实验测试与分析

通过上述硬件与软件配置，本系统已配置完毕。目前，本监测系统在山东省某高铁站雨棚二跨吊顶板中心处位置作为测试方位，设置采样频率为200 Hz，通过树莓派Linux系统下的Crontab命令定时获取列车高峰期内雨棚的振动响应，并上传至阿里云服务器数据库中，如图4所示。

对日常车辆行驶密集时间段进行长期重复监测，确保数据的真实可靠。通过分析监测得到的大量振动加速度响应数据，选取2组不同时间段内具有代表性的数据：

1)通过数据提取进行研究分析，图5表示自然风状态和高速列车过站时风致振动下雨棚振动加速度响应变化图，图5中横坐标表示采样点个数，纵坐标表示加速度幅值，曲线表示雨棚加速度数据变化图，图中右侧虚线框范围内的加速度数据为列车从到达到离开时间段内测试数据，时长约6 s。从图5中可明显看出，列车经过时间段内以及行驶过后雨棚受到惯性力持续振动作用下的加速度曲线图以及自然风状态下雨棚微弱的振动加速度曲线图。

2)在高铁车站手持测速仪在站台边缘对通行列车进行速度测试，并与实际监测到数据进行时间匹配，研究分析出不同车速经过站台时雨棚加速度响应的变化规律如图6所示。

研究表明，列车的驶入和驶出产生了两次明显振动，均沿列车开行方向依次振动。振动随着距正线距离的增大，加速度逐渐减弱，相位延迟逐渐增大。并且振动的效果与列车行驶的车速成正比。

6 结语

本系统从高铁雨棚监测管理的实际需求出发，克服传统模式下数据采集困难，尤其在人流密集的高铁车站环境，人工进行数据采集时存在安全隐患。设计并实现了一种基于ARM和GPRS的远程高铁雨棚振动加速度响应监测系统。本系统无需人工操作，可实现雨棚加速度响应信息的自动获取和上传，节省大量人力物力。目前本系统只实现了基本功能,在此基础上可通过添加其他类型传感器、雨棚多方位测量等对系统进行升级和完善，最终实现多方位多种数据监测，提高系统的完整性和应用性。