观测桩法、沉降板法、分层沉降仪、水平测斜仪、单点沉降计^[1]等可以在施工过程中对路基沉降进行测量，但它们在投入使用后无法继续监测。冯谦等^[2]设计了基于GPRS的远程铁路路基沉降实时监测系统，其传输速度快，数据可靠性高，可实时在线监测，但需要产生通信费用，且GPRS的休眠电流为10 mA，在待机状态下只能坚持12 d。蔡立艮等^[3]研制了一种基于无线传感器网络的电容式静力水准仪，将Zigbee无线传感器网络应用于静力水准测量系统，但Zigbee的工作频段主要在2.4 GHz，与WiFi处于同频段，存在同频干扰的问题，且Zigbee的传输距离短，更适合于智能家居等室内环境。目前对铁路路基后期的沉降监测主要还是依靠人工定期检测，无法对路基现场环境进行实时监测，研制一套无线铁路路基沉降数据采集系统很有必要。

1 系统总体设计

本文系统主要包括铁路路基沉降数据的采集、无线传输及监控，在每个监测点设置1台静力水准仪和1个无线传输模块。无线传输模块既可以发送该点信息，也可以转发其他节点信息，进而使每个监测点的信息通过多跳通信的方式传送到汇聚节点，系统整体结构示意图如图 1所示。

1.1 现场监测单元

选择静力水准仪作为现场监测单元，量程范围为0~50 mm，分辨率为0.01 mm，精度为0.08 mm。沿路基两侧各设1条测线，每条测线各设1个基准点，基准点必须设置在稳定的地基上，避开采矿区等易塌方区域。每个测点都布设1台静力水准仪和无线终端设备，各测点通过连通管与基准点相连，储液罐内的液体需添加一定比例的防冻液，避免因环境温度过低造成储液罐内液体冻结。当其他测点的储液罐相对基准点的储液罐液位上升或下降时，通过液位的变化来测量其他测点相对基准点的沉降变化。

1.2 数据的无线传输

低功耗广域网(LPWAN)是近年来出现的一种物联网网络层技术，具有通信距离远、稳定性高和功耗低等特点，其代表的两大技术为NB-IoT与LoRa。NB-IoT采用运营商统一部署覆盖全国的网络，属于收费运营模式，应用成本较高；LoRa可以自主在免费频段搭建网络，功耗低、抗干扰性能强、传输距离远、准确度高。LoRa技术应用的代表射频芯片是SX1278，最高接收灵敏度可达－148 dBm，与其他传统的Sub-1 GHz芯片相比，最高接收灵敏度提高20~25 dB^[4]，传输距离提升5~8倍；射频功率输出范围为+20 dBm~100 mW，可达9.9 mA的低接收电流^[5]，适合电池供电。

本系统的无线传输部分采用低功耗广域网的LoRa技术，结构示意图如图 2所示。

系统采用STM8L151C8T6D型号单片机通过SPI接口与SX1278芯片通信，PE4259射频开关作为RF接收和发送的控制芯片，在470 MHz频段进行数据传输。收发电路根据此频率值设计了特征阻抗为50 Ω的LC滤波电路来匹配天线阻抗，使发射和接收的功率达到最大化。为防止天线阻抗偏离50 Ω，在射频开关与天线接头中间设计一个π型匹配电路。本系统选用470 MHz SMA天线，其中各元器件的计算公式见式(1)：

$ C_{k}=\frac{1}{2 {\rm{ \mathsf{ π} }} f_{c}}, L_{k}=\frac{Z}{2 {\rm{ \mathsf{ π} }} f_{c}} $

(1)

式中，Z为特征阻抗，f_c为截止频率。

1.3 可视化监测

系统的可视化监测界面可以实现以下功能：

1) 根据需要设置采样频率；2)查看单点或多点的路基沉降数据及其位移变化曲线；3)设定路基沉降的报警值，当某监测点超出报警值时，给工作人员提供预警；4)各个监测点的路基沉降数据随时调出，供工作人员使用。

2 系统软件设计

系统利用集成开发环境IAR作为软件开发平台，将Contiki操作系统移植到相应的硬件平台上。Contiki操作系统是一个开源的、高度可移植的多任务操作系统，适用于联网式、嵌入式系统和无线传感器网络。Contiki是采用C语言开发的非常小型的嵌入式操作系统，针对小内存微控制器设计，典型的Contiki配置只需要2 KB的RAM和40 KB的ROM^[6]。Contiki提供完整的IP网络和低功率无线电通信机制，对于无线传感器网络内部通信，Contiki使用低功率无线电网络Rime协议^[7-8]。

2.1 Contiki操作系统的移植

建立IAR工程首先需要建立工作区与项目，对工程项目属性进行配置，选择正确的微处理器型号及调试器类型，将Contiki源码按层次和需求添加到工作区，并将代码文件路径添加到预编译路径^[9]。对于不同的CPU，操作系统的框架是一样的，只要将系统与硬件平台的接口连接，就可在不同的硬件平台上运行。运行原理如图 3所示。

2.2 Rime协议栈的移植

无线传感网络的协议栈是节点进行交流沟通的语言，因此协议栈的选取对网络的运行至关重要。本文使用Contiki系统自有的Rime协议栈，支持路由协议并提供大量原语，可以运行在休眠路由上以降低功耗，功能主要分为单跳单播、单跳广播、多跳以及在其之上使用Mesh网络(Mesh网络里面的AODV路由算法^[10]可以帮助节点寻找最小路由代价的多跳路径，进而减少节点的能量消耗)。由于路基沿线较长，单跳距离传输短，需要多跳来实现将终端节点的信息传递到汇集节点，因此在Rime协议栈之上利用Mesh网络来实现信息的传输。Rime通信的原语架构^[11]如图 4所示。

2个节点要实现通信，必须配置相同的逻辑通道。系统使用的是Aplication1，一共需要使用3个逻辑通道：Channel x用来实现数据包的多跳单播转发，Channel x+1和Channel x+2实现路由发现。由图 4可知，Rime协议栈里面最底层的匿名广播原语abc用来接收和发送数据包，并传递到上层ibc；ibc原语在其基础上给数据包增加发送者地址属性，实现标识广播；uc原语给数据包增加接收者地址包属性，此时广播转变为单播，并最大努力多跳转发mh原语，实现多跳单播；ipolite原语为了实现在一定时间间隔内不重复发送数据包，最后用网络泛洪nf原语向整个网络发送路由请求^[12]。

3 系统测试 3.1 射频测试

利用频谱分析仪测得470 MHz频段达到最大发射功率19.96 dBm，除此之外还测得其带外杂散的功率、接收机的灵敏度以及功耗，结果如表 1所示。

3.2 通讯距离及其丢包率测试

本次测试在城市空旷环境中进行，系统设置最大发射功率为19.96 dBm，测试通信速率为204 bps，通信帧总长为100 byte，500个包为1个测试周期。点对点测试结果如表 2所示(接数据包Ⅰ、丢包率Ⅰ)。在测试点C设1个转发节点，测试结果如表 2所示(接收数据包Ⅱ、丢包率Ⅱ)。

3.3 路基沉降数据采集测试

在无砟铁道模拟实验场地进行路基沉降数据的采集实验，设置1个基准点、2个观测点，每个点位有1台静力水准仪、1个无线模块。在监控站，用1个无线模块作为汇聚节点，通过上位机界面监测路基沉降数据，采样时间可以根据需求设定。采样间隔为0.5 h，30 d共采集1 440组数据，2018-06所设测点的路基沉降变化曲线如图 5所示。通过与实验场地工作人员的交流得知，造成测试数据有所浮动的主要原因是与实验场地只有一墙之隔的北二环东路上大型客车及货车经过时会产生振动。该数据与实际情况吻合，实验场地的铁路路基没有发生较大形变。

4 结语

本文设计利用静力水准仪作为采集单元、无线LoRa技术作为传输方式的路基沉降数据采集系统，无线传输模块的灵敏度可达－140.3 dBm，最大发射功率为19.96 dBm。在最大发射功率下，连续发射电流为112 mA，连续接收电流为11 mA，休眠状态电流为1.45 μA，城市空旷环境中最远传输距离可达5.1 km，丢包率小于7%。该系统可实现路基沉降数据低功耗、远距离、高稳定性、低成本传输，为实时数据监测提供了可能。