钢轨应变实时监测节点研究(2)

　　2.2节点与网关间通信协议设计
　　2.2.1总体协议
　　节点与网关通信协议如图4所示，本文对原有的ZigBee协议进行了优化改进，增加了节点数据的起始符，使网关能快速区分其检测到的ZigBee设备是否属于本系统，而对系统外设备的数据，则进行剔除，防止数据混乱。
　　节点的ID号与其安装位置一一对应，采集的数据较多需分包传输，并且对数据的查询、分析等操作依赖于时间信息。基于以上原因，节点传输的数据中除应变、温度数据外，还有节点ID号、本次数据采样起始时间、总共发送的包数、当前包号等附加信息，方便对数据进行后续解析、分析等处理。
　　该协议中利用帧长度而非特定结束符判断帧是否结束，防止采集数据中恰好出现结束符导致后续解析错误。为保证数据传输的高可靠性，采用双重校验，对于整帧数据采用简单和校验，对于节点数据采用高效差错控制的CRC法校验。本文按半字节进行CRC校验，既不会占用太多内存，又不至于影响处理速度。
　　2.2.2数据静态组包动态发送策略及自动补包机制
　　发送的一帧数据中，必须包含ZigBee协议中规定的字节。数据包过短会造成资源浪费，而数据包过长又会导致数据不易发送成功。经测试，每个数据包发送成功所需的时间和该数据包长度有关，数据包长度为80～120B时，发送成功所需的时间最短，而通信质量差时，即便数据包长度很短，也不易发送成功，故本文中采用静态组包动态发送策略。即数据包长度固定，节点自动检测当前通信质量，并根据链路质量及网关的回应信息，自动调整每包发送次数及发送相邻的数据包时的间隔时间。
　　若传输过程中，有数据包丢失，则要对本次数据传输进行补包处理。每包数据达到最多发送次数，仍未发送成功，则记录该包的包号，待全部数据包发送完成后，进行补包。丢包较少时，只重发网关未接收成功的数据包；若丢包超过总数据包的[13，]则为减少网关补包后重新组包的工作，节点自动检测通信质量，适合发送数据时，将全部数据包重新上传。
　　2.3FLASH分块管理策略
　　节点采用外部FLASH保存采集的传感器数据和用户配置的参数等重要信息，防止意外掉电时数据丢失。因FLASH的擦除次数有限，故应合理规划数据的存储机制，以尽量保证磨损均匀，提高FLASH的使用寿命，保证数据安全可靠。本文中采用分块管理的方法，将各块按其存储状态进行管理。空白块用于保存下次节点采集的数据，数据块存储了节点要向网关发送的数据，可擦除块为向网关发送成功的数据块。根据存储状态同时兼顾擦除次数，将页编码排列在链表中，用于指示采集的数据和待发送的数据的存储位置，同时依据存储状态的改变及时调整链表。其过程如图5所示。
　　3节点测试与结果
　　3.1节点的高低温实验
　　为了测试温漂特性，将节点连接温度传感器并用外接电阻替代图1中的应变片，进行高低温测试。温度循环设置为：从40℃降到-20℃，然后再升高至40℃。节点在-20℃、0℃、20℃及40℃分别保持30min，由一个温度保持点经过30min到达下一个设定温度，每个循环周期为6h。图6为节点在高低温实验箱内，3个温度循环周期中测得的应变和温度数据。可见应变值随温度变化而变化，由图6中应变和温度的最大、最小值可得平均每摄氏度的应变变化量为2.7με，节点温漂较小。
　　3.2节点标定
　　理想状况下，输入到节点内的应变值与节点测得的应变值应相同。实际上，由于实验前电桥不能完全平衡，电路中存在导线电阻，应变片灵敏系数有误差，元器件存在温漂等因素的影响，节点应变测量值[εout]与输入值[εin]不完全相同，而是为式（2）中的线性关系：
　　[εout=kεin+b]（2）
　　式中：[k]为二者的线性系数；[b]为节点的应变初始值。
　　为了校正节点的非线性误差，提高应变数据采集的准确性，本文将标准应变模拟仪作为输入源，对节点进行标定。图7为节点和标定仪器的工作图，按照标准应变模拟仪的要求，根据图1中的桥路连接方法，将其输出线A、B、C分别连接至节点的输入端，替代应变片[R3，R4，]组成全桥回路。节点采集的数据发送至网关，网关经外部接口与电脑相连，然后通过上位机软件查看节点采集的数据并计算[k，b]值。
　　先将应变仪对节点的输入应变调整为0，待软件中显示的节点应变值稳定后，多次记录节点测得的数据，并计算其平均值，作为节点的[b]值，然后将应变仪调到10000，按照测得[b]值的方法，依据式（2）计算并记录[k值。]其后，分别将计算得的[k，b]平均值作为修正系数记录在节点中。
　　标定前、后节点的测量值和应变仪的标准输入值的对照见表1，可见标定的效果明显，标定后的应变测量值和标准值较为接近。
　　3.3现场测试
　　无缝钢轨温度力实时监测系统工作过程为：节点安装在钢轨上，实时采集钢轨温度和应变，并通过ZigBee网络发送到网关，实现无线局域数据的传输。网关将接收到的数据通过3G网络传送到服务器并存储在数据库内，使监控中心可通过以太网实时远程监测钢轨的温度力状态，对故障进行预警和及时处理。整个系统如图8所示。
　　将节点安装在某铁路路段进行现场实际测试，图9为监控端获得的4天内节点采集的钢轨处的应变和温度曲线。可见现场实验期间，节点采集的数据连续，节点运行稳定，实现了数据的实时采集和远程传输。从图9中可见，钢轨应变与温度密切相关，温度升高时，钢轨受压应力，应变为负值；温度降低时，钢轨受拉应力，应变为正值。实际测得的应变曲线趋势钢轨温度升高时，压应变增大；钢轨温度降低时，拉应变增大，与钢轨实际情况相符。测得的数据中，温度最高时（20.4℃）压应变最大，为-225.6με；温度最低时（-9.9℃）拉应变最大，为127.3με。
　　4结论
　　本文研究的节点结构简单、体积小、安装方便、性能良好，能实现对钢轨温度、应变的实时、远程监测。节点温漂较小，元器件的温漂不影响节点数据的正确采集。本文采用数据静态组包动态发送策略、多重校验方法和模块化程序设计，节点数据传输过程中，数据丢失及误传的现象较少，能在铁路线路上正常运行，且采集的数据连续。该节点具有很大实际意义和推广价值。