基于磁致伸縮換能器的鐵軌無線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

呂咸耀，左 瑩，程衛(wèi)平，李開宇，吳 寅

(1.南京航空航天大學(xué)自動化學(xué)院，江蘇南京 210016;2.中國航空工業(yè)第602研究所第11室，江西景德鎮(zhèn) 333001)

基于磁致伸縮換能器的鐵軌無線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

呂咸耀1，左 瑩1，程衛(wèi)平2，李開宇1，吳 寅1

(1.南京航空航天大學(xué)自動化學(xué)院，江蘇南京 210016;2.中國航空工業(yè)第602研究所第11室，江西景德鎮(zhèn) 333001)

為保障鐵路系統(tǒng)安全、可靠運行，基于監(jiān)測節(jié)點的布置特點，提出一種基于鐵軌壓力的逆磁致伸縮換能器，其采能效率可達(dá)32.6 mW，能夠滿足節(jié)點需要。同時設(shè)計了一套基于CC2430+GPRS的鐵軌應(yīng)力無線監(jiān)測系統(tǒng)，詳細(xì)闡述了監(jiān)測中心節(jié)點和終端節(jié)點的軟硬件設(shè)計，并根據(jù)節(jié)點的布局特點，采用雙協(xié)調(diào)器進(jìn)行間歇組網(wǎng)。通過車站的現(xiàn)場試驗，測得系統(tǒng)的最大單跳距離約為60 m，數(shù)據(jù)傳輸成功率達(dá)96%以上，同時該系統(tǒng)能夠平衡各節(jié)點的能量消耗，有效的增加了其壽命。

逆磁致伸縮;鐵軌應(yīng)力監(jiān)測;無線傳感器網(wǎng)絡(luò);CC2430;GPRS

為了保障鐵路系統(tǒng)的安全、可靠運行，使用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)鐵軌狀態(tài)的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、分布式遠(yuǎn)程實時動態(tài)監(jiān)測是未來的發(fā)展趨勢［1－2］。

鐵軌狀態(tài)監(jiān)測節(jié)點具有大空間范圍分布的特點，無法用物理連線為無線監(jiān)測節(jié)點提供電源。因此，持續(xù)、安全可靠的電源供給是大范圍分布無線傳感器網(wǎng)絡(luò)面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)?；诹熊囘\行時產(chǎn)生巨大壓力能量的事實，文中提出采用基于磁致伸縮材料的新型壓電換能器，將鐵軌的壓力能量轉(zhuǎn)化為電能。針對鐵軌的特定工作環(huán)境進(jìn)行換能器采能結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化，并通過理論計算及Ansys仿真，比較其與壓電換能器的性能，驗證其可行性。

同時，基于磁致伸縮換能器的自供電情況，設(shè)計了一套基于CC2430+GPRS的鐵軌應(yīng)力無線監(jiān)測系統(tǒng)。通過安裝在鐵軌沿線的無線傳感器節(jié)點，實時采集傳感物理量和當(dāng)前時間等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，以多跳方式將數(shù)據(jù)包及時發(fā)送至監(jiān)控中心節(jié)點。然后，通過GPRS將數(shù)據(jù)發(fā)送到無線公網(wǎng)，再經(jīng)服務(wù)器處理計算后得出監(jiān)測指標(biāo)，對鐵軌及列車狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)測。

1 基于大功率磁致伸縮材料壓電換能器

稀土超磁致伸縮材料(GMM)具有機(jī)械響應(yīng)快、功率密度高、響應(yīng)頻帶寬等優(yōu)點。能量密度遠(yuǎn)高于壓電材料，是目前在物理作用下應(yīng)變值最高、能量最大的材料［4］。通過施加壓縮應(yīng)力，最大可使磁通量密度改變1T以上，使感應(yīng)線圈內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電壓，輸出至后級整流橋及功率調(diào)理電路，將能量存儲于電池等能量存儲管理電路，給無線節(jié)點穩(wěn)定供電。

文中所設(shè)計的磁致伸縮換能器結(jié)構(gòu)如圖1所示，將4片25 mm×7.5 mm的圓柱狀GMM并在一起，且在每片GMM上繞有50匝線圈，并相互串聯(lián)，以提高發(fā)電電壓。在GMM中間采用NdFeB材料的永磁體為GMM提供偏磁場，并為防止磁泄漏，使用磁性能良好的軟磁材料做軛鐵。提供偏磁的大小應(yīng)使GMM恰好進(jìn)入應(yīng)變－磁場曲線的Ⅱ區(qū)域［5］。即當(dāng)負(fù)載作用時，能夠增強(qiáng)GMM的力感知能力。同時，在GMM的上下面粘貼帶有徑向開槽的金屬帽，一方面使應(yīng)力均勻地分布在整個GMM上，使得更大體積的GMM產(chǎn)生電能。另一方面能夠承受更高幅值和頻率的力，有利于提高換能器的發(fā)電能力，并起到保護(hù)GMM的作用。最后，通過Ansys仿真圖可看出開槽能夠有效的減小殘余應(yīng)力，而換能器性能參數(shù)中，殘余應(yīng)力對機(jī)電耦合系數(shù)的影響最大，從而進(jìn)一步增強(qiáng)換能器發(fā)電能力。

圖2 環(huán)向應(yīng)力分布圖

當(dāng)列車經(jīng)過時，對換能器施加壓力，磁通量隨之周期性變化，進(jìn)而線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。上外殼與底座之間有一間隙，由于模塊內(nèi)的緩沖彈簧使間隙始終保持在一個相對固定的間隙尺寸，列車正常壓力不會使間隙閉合。只有當(dāng)列車壓力異?；蛲话l(fā)過壓力時此間隙才閉合，以限制更大的壓力損壞殼內(nèi)的GMM，從而保護(hù)了GMM及其內(nèi)部電氣線路。上外殼包含并蓋住下面的底座，以防止雨水滲入殼內(nèi)。

現(xiàn)所使用的國產(chǎn)GMM的磁致伸縮系數(shù)q一般＞1 000×10－6。一節(jié)列車重量達(dá)50～90 t，經(jīng)現(xiàn)場測試，加載在換能器上的力F≈1.25×104N。根據(jù)機(jī)械應(yīng)力與壓力的關(guān)系:σ=F/A，得機(jī)械應(yīng)力σ?？筛鶕?jù)磁致伸縮方程:

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律得感應(yīng)線圈的感應(yīng)電壓

可得感應(yīng)電壓為3.906 V，計算得其采能效率為32.6 mW。

經(jīng)計算，每次傳輸需要的能量大約為300 mA·s。通過能量管理策略的調(diào)度，完全能夠滿足鐵路部門監(jiān)測數(shù)據(jù)的需要。

仿真軟件中無專門的解決磁致伸縮機(jī)電耦合問題的模塊。由于磁致伸縮方程與壓電方程為同一形式，因此通過壓磁—壓電比擬法進(jìn)行求解。這種方法的優(yōu)點是推導(dǎo)過程直接、簡捷，輸入?yún)⒘亢吞崛〉淖兞靠蓞⒖級弘婑詈戏治鲋械奶幚磙k法，且容易導(dǎo)出利用輸出數(shù)據(jù)結(jié)果［6］。文中通過Ansys仿真如圖3所示，在壓力為F=mg=1.25×104N時，其最大磁場強(qiáng)度B=0.648 T，與數(shù)學(xué)模型所得結(jié)論基本相同。同時，文中采用同等條件的壓電材料進(jìn)行仿真，經(jīng)仿真計算可得其采能效率為4.35 mW?？蛇M(jìn)一步證明該方案的可行性。

圖3 壓電、磁致伸縮材料仿真圖

然后將所采集電能通過后級調(diào)理及管理電路將電能儲存在充電電池或超級電容中，對無線傳感節(jié)點進(jìn)行供電，以實時監(jiān)測鐵軌的各種狀態(tài)信息。采用文獻(xiàn)［7］中所描述的后級調(diào)理及儲能電路。

2 系統(tǒng)整體設(shè)計

該系統(tǒng)主要由監(jiān)測中心節(jié)點和終端節(jié)點組成。終端節(jié)點通過鐵軌上的應(yīng)力傳感器采集壓力等數(shù)據(jù)，通過自組織方式組建無線網(wǎng)絡(luò)，其采用串狀組網(wǎng)方式，監(jiān)測中心節(jié)點位于網(wǎng)絡(luò)兩端。數(shù)據(jù)沿節(jié)點逐跳地進(jìn)行傳輸至監(jiān)控中心節(jié)點，并在固定收發(fā)次數(shù)之后斷開網(wǎng)絡(luò)更改傳輸方向，數(shù)據(jù)向另一端監(jiān)測中心節(jié)點匯聚，這能夠有效地平衡各節(jié)點的能量消耗。監(jiān)測中心節(jié)點收到各節(jié)點信息后通過GPRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，監(jiān)測中心計算得出鐵軌及列車運行狀態(tài)對鐵軌進(jìn)行實時監(jiān)測。其系統(tǒng)設(shè)計方案結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)整體示意圖

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 終端節(jié)點硬件設(shè)計

監(jiān)測終端節(jié)點主要由傳感器模塊、無線通信模塊和電源模塊組成，如圖5所示。

圖5 節(jié)點硬件原理框圖

傳感器模塊采用型號為LC－FBG－GJ的光纖光柵應(yīng)力傳感器，該傳感器具有穩(wěn)定性好，適合長期監(jiān)測等優(yōu)點。使用時將傳感器焊接在路軌旁，當(dāng)列車行經(jīng)有關(guān)路段時，光纖感應(yīng)器會因受壓而改變反射特性而形成數(shù)據(jù)，從而記錄車輪與路軌之間的應(yīng)力情況。

無線通信模塊采用TI公司的CC2430－F128單片機(jī):其包括了2.4 GHz DSSS射頻收發(fā)器和高性能、低功耗的8051微處理器核，芯片在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于27 mA或25 mA［9］。同時，由于該系統(tǒng)節(jié)點安裝于鐵軌沿線，電磁干擾較為嚴(yán)重，故使用了TI公司的功率放大芯片CC2591，其可以與CC2430實現(xiàn)無縫連接。

而電源模塊采用前面所說的磁致伸縮換能器采集振動能量，并通過電源管理模塊對節(jié)點進(jìn)行供電。

3.2 監(jiān)測中心節(jié)點硬件設(shè)計

監(jiān)測中心節(jié)點由無線通信模塊、控制中心和GPRS通信模塊組成。無線通信模塊與控制中心通過串口RS232通行。

圖6 監(jiān)測中心節(jié)點原理框圖

無線通信模塊與終端節(jié)點相同，在此就不再介紹?？刂浦行牟捎肁RM公司推出的STM32系列增強(qiáng)型MCU。該MCU使用ARM的Cortex－M3內(nèi)核，該內(nèi)核具有3段流水線，可在單周期內(nèi)完成32位乘法等優(yōu)點。同時具有優(yōu)秀的功耗控制，在以72 MHz的全速運行時，處理器消耗27 mA的電流。待機(jī)狀態(tài)時，典型耗電值為 2 μA。

GPRS通信模塊采用SIMCOM公司的SIM300CZ模塊。具有低功耗設(shè)計，睡眠模式下的電流消耗僅為2.5 mA。且內(nèi)部集成了TCP/IP協(xié)議棧，使用戶利用該模塊開發(fā)變得簡單、方便。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

由于鐵軌這一特定環(huán)境，致使監(jiān)測系統(tǒng)各節(jié)點的能量消耗嚴(yán)重不均勻。越接近監(jiān)測中心的節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸量越大，導(dǎo)致其壽命短，使整個網(wǎng)絡(luò)不能正常工作。針對該現(xiàn)象，系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)兩端布置兩個監(jiān)測中心節(jié)點，如圖4所示，在通信固定次數(shù)后，上位機(jī)通過GPRS控制兩個中心節(jié)點輪流工作，更改傳輸方向。同時，節(jié)點在非工作階段進(jìn)入睡眠模式。

4.1 檢測中心節(jié)點軟件設(shè)計

監(jiān)測中心節(jié)點由無線通信模塊和GPRS通信模塊組成。無線通信模塊實現(xiàn)兩方面功能:一方面組建無線網(wǎng)絡(luò)，接收各個節(jié)點數(shù)據(jù)。另一方面將數(shù)據(jù)存儲后等待中斷，通過串口將其傳輸?shù)絊TM32中，通過GPRS將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)端。工作流程如圖7所示。

圖7 監(jiān)測中心節(jié)點程序流程圖

首先協(xié)調(diào)器對各信道能量執(zhí)行掃描，尋找空閑信道建立新網(wǎng)絡(luò)，同時為新網(wǎng)絡(luò)選擇一個唯一的PAN標(biāo)識符，并為自身選擇一個16 bit的網(wǎng)絡(luò)地址(MAC短地址)，當(dāng)有終端節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)時，協(xié)調(diào)器分配一個唯一的網(wǎng)絡(luò)地址。完成后啟動任務(wù)循環(huán)，以中斷的形式接收來自串口的控制命令和無線節(jié)點的信息幀。開啟recedate()任務(wù)，接收各節(jié)點傳來的消息，并將數(shù)據(jù)包拆包后存儲在Flash中對應(yīng)位置，并記錄接收數(shù)據(jù)次數(shù)，達(dá)到30次后，通知 STM32并斷開網(wǎng)絡(luò)。開啟DateSTM32()，接收串口命令，根據(jù)各種命令進(jìn)行各種操作，當(dāng)command=senddate時，通過串口傳輸數(shù)據(jù)包;command=disconet時，監(jiān)測中心節(jié)點斷開網(wǎng)絡(luò);command=netform時，重新初始化，進(jìn)行組網(wǎng)。

STM32處理器通過串口，發(fā)送指令接收數(shù)據(jù)建包，通過向GPRS模塊寫入AT指令，將數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送。在遠(yuǎn)程監(jiān)控端的上位機(jī)中運行應(yīng)用軟件，調(diào)控GPRS遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收和存儲。

4.2 終端節(jié)點軟件設(shè)計

終端節(jié)點主要負(fù)責(zé)采集并向監(jiān)測中心節(jié)點傳輸鐵軌壓力等數(shù)據(jù)。當(dāng)無數(shù)據(jù)收發(fā)時，轉(zhuǎn)入休眠模式，盡量減少節(jié)點功耗。其工作流程圖如圖8所示。

圖8 終端節(jié)點程序流程圖

5 實驗測試及分析

由于鐵軌現(xiàn)場環(huán)境中存在金屬支架和移動車輛造成的各種電磁干擾，無線信號傳輸距離受到一定限制。針對該情況，在上海局南翔車站做了小規(guī)模測試。

實驗在車站教練車間中進(jìn)行，使用了5個終端節(jié)點與兩個監(jiān)測中心節(jié)點共7個節(jié)點做測試。數(shù)據(jù)采集周期為每分鐘采1次。喚醒通信周期為1 min中的前15 s，其余時間節(jié)點休眠。

同時，利用VC++平臺開發(fā)了上位機(jī)測試軟件，用于上位機(jī)的實時監(jiān)測。監(jiān)測中心節(jié)點通過GPRS將數(shù)據(jù)發(fā)送到無線公網(wǎng)，移動基站獲取到GPRS信號后再將其轉(zhuǎn)到Internet，然后通過該測試軟件，能夠?qū)崟r顯示各監(jiān)測中心節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)。實現(xiàn)對鐵軌及列車狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)測。其測試軟件界面如圖9所示。

圖9 遠(yuǎn)程GPRS數(shù)據(jù)監(jiān)測平臺

整體而言，雖然節(jié)點均采用了功率放大芯片來增強(qiáng)無線射頻通信距離，但由于各種干擾，節(jié)點的現(xiàn)場最大單跳穩(wěn)定通信距離約為60 m，數(shù)據(jù)傳輸成功率則可達(dá)96%以上，滿足監(jiān)測指標(biāo)。同時，如表1所示，經(jīng)過連續(xù)3天實驗后，檢測5個終端節(jié)點的電池電量剩余量顯示，該方案能夠有效地平衡該網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點的能量消耗，進(jìn)而有效地增加網(wǎng)絡(luò)的可持續(xù)運行時間。

表1 試驗后節(jié)點空載電量值比較

6 結(jié)束語

文中介紹的基于磁致伸縮換能器自供電的鐵軌壓力狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，是通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集節(jié)點獲取所需的壓力參數(shù)，利用監(jiān)測中心節(jié)點收集的參數(shù)，并以GPRS無線通信的方式，將數(shù)據(jù)經(jīng)由移動基站和Internet網(wǎng)絡(luò)送至遠(yuǎn)程監(jiān)控服務(wù)器。經(jīng)實踐測試，該系統(tǒng)實現(xiàn)了以無線網(wǎng)絡(luò)的方式對鐵軌壓力的監(jiān)測，具有一定的應(yīng)用前景。

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Design of a Railway Track Wireless Monitoring System Based on the Magnetostrictive Transducer

Lü Xianyao1，ZUO Ying1，CHENG Weiping2，LI Kaiyu1，WU Yin1
(1.College of Automation，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China;2.Eleventh Unit，China Helicopter Research and Development Institute，Jingdezhen 333001，China)

In order to ensure the safe and reliable operation of the railway system，this paper designs a new type of inverse magnetostrictive transducer which converts energy from the pressure of railway steel based on the layout conditions of monitoring nodes，and this transducer can meet the needs of nodes with its conversion efficiency reaching 32.6 mW.This paper also presents a railway steel pressure monitoring system based on CC2430+GPRS.The hardware and software design of the coordinator and RFD nodes are given.An intermittent network is established using double coordinators.Through the field experiments in a railway station，the largest single jump distance approximates 60 m，and the data transmission success rate is higher than 96%.This system can also balance the energy consumption of each node，effectively increasing its life.

inverse magnetostrictive;WSNs;railway monitoring system;CC2430;GPRS

TP873.2

A

1007－7820(2012)08－110－05

2012-02-11

南京航空航天大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新性實驗計劃基金資助項目(20110107108805)

李開宇(1969—)，男，博士，副教授.研究方向:傳感器，無線傳感網(wǎng)。