基于GPRS及Web服务器技术实现接触网补偿装置远程监控系统设计

引言

基金项目： 国家自然科学基金资助项目（61364023）；航空基金资助项目（2013ZD56008）；江西省教育厅科技项目（GJJ13516）随着列车运行速度的提高，铁路运行密度逐步加大，对牵引供电系统安全可靠性的要求也越来越高。接触网是牵引供电系统的重要设备之一，运行中的接触网要承受电力机车以一定的压力高速接触摩擦运行，再加上通过接触网的电流高达1 000 A以上，接触网还受拉力、电弧、风雪、雾雨及大气污染的作用，使接触网昼夜不停地处在振动、摩擦、电弧、污染、伸缩的动态运行状态之中，一旦发生故障将中断行车，扰乱电气化铁路的运输秩序，带来经济损失，。快速、准确地发现故障，及时、迅速地进行抢修，消除供电事故，最大限度地减少事故影响，是铁路电气化区段运行检修业界追求的目标，是努力提高铁路服务质量的保障。对接触网进行在线监测是提高接触网可靠性的重要方法之一，本文对接触网在线监测技术进行研究，提出基于GPRS的接触网补偿装置远程监控系统设计。

1、系统总体设计

随着大气温度的变化，承力索和接触线会线性伸长（或缩短），通过监测接触网所处环境的温湿度以及补偿坠砣到接触网下锚支柱之间的位移，对比不同温度下的位移变化来判断接触网是否有补偿卡滞现象，实现对接触网的监测。接触网补偿装置远程监控系统安装在支架和坠砣之间，测量时设备对接触网的运行状态影响很小。

图1系统总体框图基于GPRS的接触网补偿装置远程监控系统架构如图1所示，图中的虚线表示信号按无线方式传输。系统由无线采集节点、GPRS基站、互联网服务器、用户终端（计算机）构成。该系统的工作过程是对温湿度传感器和位移传感器周期性地进行数据采集，利用SIM900A模块通过基站将采集的数据发送到互联网服务器，计算机用户通过Internet来完成对温度和位移的监测。

该系统具有以下优势：（1）电源及监测模块不仅能够提供稳定的直流电压，还能快速地检测电源的电压和通断情况，确保保存的数据不丢失；（2）采用［6］卡进行GPRS无线数据传输，保证数据传输率和可靠性，所用资费比GSM短信资费要低。

2、系统硬件设计

系统硬件主要包含电源模块、微处理器模块、GPRS通讯模块、传感器等，系统硬件组成如图2所示。

2．1电源模块

电源系统输入电压为AC 220 V，输出12 V为运算放大器供电、5 V为外置传感器供电、4 V为GPRS模块供电、3．3 V为MCU模块供电，如图3所示。稳定的电源供电是系统能够安全并且高效工作的基础，考虑到接触网所处环境恶劣，设计时电源输入端采用金升阳LD1020B12电源转换模块［7］将220 V交流电输入转换为＋12 V／1 A

输出。LD1020B12是小体积开关电源模块，具有输出短路、过流、过压保护等功能。其EMC及安全规格满足国际IEC／EN610004、CISPR11／EN55011、UL60950、EN60601的标准。最重要的是该电源模块输出隔离电压可达 4 000 V AC ，适用于高隔离及严格电磁兼容的应用场合。

2．2微处理模板

无线采集节点是该系统的核心部件，考虑到系统的应用场合及功能特点，其必须满足高性能、低功耗、低成本、小体积的要求，同时便于安装与维护。在硬件设计时选用C8051f 930单片机为微处理器［8］，其与8051内核兼容，扩展的中断系统为CIP－51提供多个中断源。

器数据采集、电源模块控制、电源掉电监测等。其中MCU与GPRS通过串口通讯，与温度传感器通过IO口模拟的I2C接口通讯，通过IO口采集拉线式位移传感器输出的模拟量电压信号。

2．3GPRS通讯模块

无线通讯方式包括红外线、蓝牙、WiFi、ZigBee、GPRS等，但在超过1 km数据传输距离中，最可靠、最便捷、最低成本的方式是GPRS。GPRS无线网络具有覆盖范围广、接入速度快、使用成本低和永远在线等特点［910］，因此上位机监测系统可以及时地获取接触网补偿装置相关参数，实时分析接触网补偿装置是否可靠运行。GPRS模块选用希姆通的SIM900A模块，其内部集成多种网络通信协议，可以实现语音、短信、数据等信息的远程传输，能够通过AT指令来实现与GPRS网络的连接。

GPRS模块电路如图4所示，由天线、阻抗匹配电路、SIM卡电路、ESD保护电路组成。其中RF管脚与50 Ω的射频天线相连，TXD、RXD管脚分别连接MCU串口接收端和发送端。系统所用SIM卡为13位物联网卡，用户可以获取丰富的码号资源。且物联网具有高质量的网络性能，通过建设物联网短信中心、物联网GGSN、物联网HLR等物联网专用网元，实现物联网用户与大众用户的网络分离，为行业客户提供可靠和稳定的网络。用户可以通过应用平台提供的接口，对终端的工作状态、通信状态等进行实时自主管理。

2．4防雷击接口设计

电子系统可能会受到瞬时过电压干扰，这些干扰源主要包括：由于通断感性负载或启停大功率负载，线路故障等产生的过电压，由于雷电等自然现象引起的雷电浪涌［11］。为避免浪涌电压损害电子设备，设计时采用箝位保护器，即保护器件在击穿后，其两端电压维持在击穿电压上不再上升，以箝位的方式起到保护作用，主要器件是氧化锌压敏电阻（MOV）、瞬态电压抑制器（TVS）。

3、系统软件设计

3．1下位机程序设计

下位机软件采用C语言编写，在Keil 4 C51编译器下编译。下位机系统软件设计主要包括两部分：一是单片机对电源模块的控制及数据的采集；二是GPRS模块数据传输。下位机软件功能模块组成如图5所示。

3．2单片机对电源模块的控制及数据的采集

为降低功耗，MCU采集一组数据后休眠一段时间再进行数据采集，MCU有两种工作状态，即数据采集状态和休眠状态。数据采集状态下通过GPIO26打开电源开关，对外设模块供电，进行GPRS通讯初始化、数据采集、数据传输。休眠状态时通过GPIO26关闭电源开关，对外设模块断电同时MCU工作在休眠模式。

3．3GPRS模块数据传输

单片机通过串口与GPRS模块交换数据， 包括串口初始化、写串口数据等函数。读串口数据是通过中断来完成的。在串口函数基础上编写GPRS模块的驱动函数，控制方法是采用AT命令［12］。主要涉及的命令如表1所示。

GPRS终端和数据中心根据各自的IP地址相互通讯。常用的系统组网方式有3种［1314］：（1）采用公网固定IP，通讯速度快、运行可靠、组网简单，但该方式必须拥有固定的IP地址，总体成本较高。（2）采用公网动态IP＋DNS域名解析方式，其通讯速度适中、通讯质量较为稳定、网络建设工作量小、通讯费用较低。（3）采用GPRS专线方式，其数据安全性好、通讯速度快，但是系统初期建设成本高。考虑到系统实验的条件，本系统采用公网动态IP＋DNS域名解析的组网方式。

3．4上位机程序设计

数据采集时节点每隔30 min自动进行一次采集任务，并把采集到的数据发送给服务器。服务器接收数据并存储到数据库中。服务器设计采用Web框架：Struts2＋Spring＋Hibernate＋JSP＋JFreeChart，JDK版本为jdk 1．7。数据库服务器平台选用MySQL 5．5，其与服务端监测程序共用同一数据库，以实现数据共享［15］。上位机软件功能模块如图6所示。

4、实验与应用

为验证接触网补偿装置远程监控系统的可行性，分别将拉线式传感器1和拉线式传感器2的拉线端固定在承力索和接触线的坠陀上，传感器的另一端固定在支架上，现场安装图如图7所示。人工测量不同时间点环境温度值、拉线式传感器1和拉线式传感器2的长度值，再与Web服务器监测的数据进行对比，实验数据如表2所示。测试结果显示传感器测量数据较准确，方案可行。

5、结论

本文设计并实现了一套完整的接触网补偿装置远程监控系统，该系统以C8051F930芯片作为系统的主控制器，以SIM900A模块作为无线传感网络的通讯节点，个节点之间以不同的时间间隔向服务器发送数据，结合GPRS无线通讯及Web服务器技术，将节点连接到远程服务器。通过监测环境温度及接触网承力索、接触线的长度变化来判断接触网补偿装置是否有卡滞现象。该系统经试运行，能快速、及时、准确地寻找到故障点。