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分布式钢轨应力无线监测系统硬件研究
| 论文题名： | 分布式钢轨应力无线监测系统硬件研究 |
| 关键词： | 高速铁路;无缝钢轨应力;无线监测系统;传感节点;网关;协调器设计 |
| 摘要： | 近年来，我国高速铁路客运专线建设迅猛发展，为我国的经济建设作出了重大贡献。但与此同时，高速列车的安全运行备受关注。无缝钢轨起着列车导向和承载的作用，监测无缝钢轨的健康状况已成为当务之急。本文针对无缝钢轨安全监测的迫切需求和现实意义，开展了分布式钢轨应力无线监测系统的研究。文章主要从无线监测系统的硬件设计进行了阐述，分别从传感节点、网关以及供电方案设计三方面进行了详细说明。 传感节点作为钢轨应变和温度数据的采集装置，其性能直接影响到采集数据的准确性和稳定性。设计时采用了单元模块化思路，由供电单元、采集单元和通信单元组成，并通过两侧插针连接实现彼此间通讯。供电单元为其他两个单元提供高效、稳定、低纹波电压输出的电源。采集单元负责将应变电阻的微弱变化经惠斯通电桥转变成电压信号，经过放大、滤波处理后进入16位A/D转换成数字信号，通过SPI模式传送至MSP430F149微控制器。同时，多路温度传感器DS18B20将采集到的轨温、盒温和节点温度以单总线方式传输到微控制器。处理后的数据经串口发送到通信单元，最后通过Zigbee无线传输方式发送至附近网关。 网关包括嵌入式处理器选型、协调器设计、3G模块和GSM短信开关功能设计。处理器负责数据计算、协议转换与各通信模块的数据交互。协调器采用Zigbee模块的Coordinator模式作为数据接收核心部分，并对其外围电路进行了可靠性设计，为获取准确时间和地理位置信息，电路中采用了u-blox公司生产的GPS模块设计。为能远程操控网关的供电，设计中采用了GSM短信开关，并且3G模块的引入，使得网关与监控端服务器建立远程联系。 供电采用太阳能电池板和蓄电池方案，根据节点和网关各自耗电量，同时考虑连续使用5～7天选择蓄电池容量，太阳能电池板功耗大小兼顾连续阴雨天气和电池容量。为保护蓄电池，设计中引入充放电控制器来防止电池过充和过放。此外，防雷器的设计保护了设备免遭雷击的损害。 最后通过实验室测试和高速铁路现场长期考核，验证了分布式钢轨应力监测系统运行可靠，可以实现对无缝钢轨健康状况的长期实时监测。 |
| 作者： | 李以辉 |
| 专业： | 精密仪器及机械 |
| 导师： | 张志新 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 大连理工大学 |
| 学位年度： | 2013 |
| 正文语种： | 中文 |
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