CN101304352B - 无线传感器网络的铁路编组场信息监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种铁路编组场信息监测系统。它主要由监控中心、汇聚节点、无线传感器节点和路由节点组成，监控中心为工业控制计算机，和汇聚节点设置在一起，汇聚节点与监控中心采用USB接口或者RS232串口与计算机相连接，用于检测车轮信息的无线传感器节点安装在铁轨的内侧，路由节点安装在编组场、中间站和专用线处。本发明优点是采用无线传感器网络的多跳通信方式，能够适应网络的动态变化，具有自组织、自适应等智能系统的特点；每个节点既具有传感器功能，又有路由功能。节点的冗余布设使得系统具有高可靠性的特点，与传统检测方法相比，该方法的检测过程自动进行、持续监测、无需人工到现场。系统成本低、易于多点测量，便于在铁路部门的普及。

Description

无线传感器网络的铁路编组场信息监测系统

(一)技术领域

本发明涉及一种铁路编组场信息监测技术，具体涉及一种基于无线传感器网络的铁路编组场信息监测系统。

(二)背景技术

由于大部分铁路编组站、中间站的站线和专用线在进行作业时，是由控制中心向机组人员下达作业命令，机组人员在接到命令后，在相应的轨道进行作业。监控中心并不不能够实时的了解编组场内机车的运行状态，不能够对下达命令的执行情况进行实时的监控和检查。只有通过到现场的实地检查才能够了解任务的执行状况。这种传统的作业方式不仅过程繁琐，而且由于人为因素会产生疏漏，影响铁路运输作业的正常进行。随着现有的铁路条件的复杂化，若要实现对所有轨道上的车辆信息监测，就需要更多的人力和物力，如何将编组场、中间站和专用线的车辆信息实时的采集到监控中心，这对提高铁路运输的安全和实现铁路运输的自动化程度具有重要的意义。

采用有线的方式建立铁路现场信息检测系统，这种系统在安装时，需要在铁路现场进行布线，不仅提高了系统的成本，而且在系统损坏时，由于众多的走线不便于维修检查。

(三)发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种易于安装维护、通信数据量小、运行成本低、系统可靠性高的无线传感器网络的铁路编组场信息监测系统。

本发明的目的是这样实现的：它主要由监控中心、汇聚节点、无线传感器节点和路由节点组成，监控中心为工业控制计算机，和汇聚节点设置在一起，汇聚节点与监控中心采用USB接口或者RS232串口与计算机相连接，用于检测车轮信息的无线传感器节点安装在铁轨的内侧，路由节点安装在编组场、中间站和专用线处，无线传感器节点、路由节点和汇聚节点采用无线多跳组网进行无线通信。

本发明还有这样一些技术特征：

1、所述的无线传感器节点是由车轮传感器和无线收发模块组成，无线收发模块包括微处理器、无线收发模块、电源管理模块和电池，车轮传感器输出的是模拟信号时，经过A/D转换后再与微处理器相连接；输出数字脉冲信号时直接与微处理器的I/O口相连接，无线收发模块和电源模块分别与微处理器对应的端口进行连接；

2、所述的当传感器节点数量较少时，汇聚节点与工业控制计算机采用RS232串口进行连接，当传感器节点较多时，汇聚节点采用USB接口与工业控制计算机相连接。

3、所述的传感器节点采用通过检测车轮的个数和相邻车轮的时间间隔来实现对机车和车辆的识别的车轮传感器，车轮传感器两个一组分别与微处理器的相应端口相连接。

4、所述的传感器节点和路由节点采用蓄电池进行供电，汇聚节点和监控中心安装在有交流电供应的场所。

本发明系统主要由监控中心(主要是工业控制计算机)、汇聚节点、无线传感器节点、路由节点组成。工业控制计算机和汇聚节点位于监控中心。传感器节点安装在铁轨的内侧，用于检测车轮信息，即火车车轮的轮缘，通过对车轮轮缘的计数来完成对机车和车辆的统计。传感器节点采用的车轮传感器，通过检测车轮的个数和相邻车轮的时间间隔来实现对机车和车辆的识别，从而实现对轨道上运行车辆和机车数量的统计。路由节点安装在编组场、中间站和专用线的便于通信的位置；传感器节点用来检测微处理器将检测到的机车和车辆的数据由无线收发系统发送到监控中心，监控中心将接收到的数据在上位机进行整合，实现对编组场的机车和车辆的数量、速度值以及位置信息的检测，传感器节点是由车轮传感器和无线收发模块组成，车轮传感器输出的是模拟信号时，经过A/D转换后在与微处理器相连接；输出数字脉冲信号时直接与微处理器的I/O口相连接。无线收发模块和电源模块分别与微处理器对应的端口进行连接，当传感器节点数量较少时，汇聚节点与工业控制计算机采用RS232串口进行连接，当传感器节点较多时，汇聚节点采用USB接口与工业控制计算机相连接。传感器节点负责采集车轮信息，当火车车轮将过传感器上方时，传感器输出车轮脉冲信号，微处理器根据采集车轮的时间间隔来判断该次采集的车轮信息是机车车轮还是车辆的车轮。通过机车和车辆的车轮间距的特征差异来完成对机车数量和车辆数量的检测。传感器脉冲信号由微处理器经过基本信号处理后，由射频收发模块将检测到的车轮数量发送给汇聚节点，由汇聚节点将检测到的信息发送给工业控制计算机。由工业控制计算机根据汇聚节点传送的数据包中的有效数据来完成对整个编组场信息的实时监测。

本发明系统是利用近年来发展起来的无线传感器网络技术，利用大量的具有通信和计算能力的微小传感器节点布设在铁轨上，构成自治的无线传感器网络系统，是一种通过远程实现对铁路编组场、中间站和专用线内车辆信息监测和管理系统。

本发明的有益效果有：

1、采用了无线传感器网络，避免了在编组场内进行走线，使得系统易于安装维护。

2、采用无线传感器网络的无线多跳方式，能够适应多条轨道的数据的同时监测，每个节点既有传感器功能，又有路由功能。具有自组织、自适应智能系统的特点。

3、无线传感器子节点在向汇聚节点传输数据时，只传输检测到车轮信息的特征量，如传感器的目的地址、源地址、车轮数量、车厢车头标志和火车的速度值，减小了通信的数据量。

4、整个系统建设的成本低、安装和维护方便，可以大范围的实施推广，有实际应用价值。

本发明的优点是采用无线传感器网络的多跳通信方式，能够适应网络的动态变化，具有自组织、自适应等智能系统的特点；每个节点既具有传感器功能，又有路由功能。节点的冗余布设使得系统具有高可靠性的特点，与传统检测方法相比，该方法的检测过程自动进行、持续监测、无需人工到现场。系统成本低、易于多点测量，便于在铁路部门的普及。

(四)附图说明

图1是本发明的系统结构原理图；

图2是无线传感器节点的原理框图；

图3是传感器节点收发程序流程图。

(五)具体实施方式

下面结合附图和具体实施实例对本发明作进一步说明。

本实施例是设置在某个铁路编组场的现场信息实时监测系统。

结合图1，图中，1是监控中心，2是汇聚节点，3是传感器节点，4是路由节点，5是铁轨，6是枕木。本实施例系统由监控中心1，设置于监控中心的汇聚节点2，传感器节点3和纯路由节点4组成，传感器节点和路由节点采用电池进行供电，汇聚节点采用直流电源进行供电。传感器采用2个一组与射频收发模块的微处理器对应的端口相连接作为1个传感器节点。图2是传感器节点的原理框图，传感器7输出若为模拟信号经过A/D转换后与微处理器8连接，若为数字输出直接与微处理器相应接口连接，射频收发芯片9与微处理器8的SPI口相连接，电源管理模块10分别与射频收发模块、微处理器、传感器相应的管脚连接。用于判断车辆行驶方向和检测车轮的两个传感器相距10cm，微处理器根据左右两个传感器进入中断的时间先后来判断火车是正向行驶还是方向行驶。微处理器将处理后的传感器信号经过无线收发模块发送出去，汇聚节点负责将接收到的信号传输给工业控制计算机。传感器节点的数据经过跳传传输距离监控中心较近的传感器端节点，当汇聚节点无法直接接收到传感器端节点的发射信号后，由路由节点将传感器节点的数据传输给汇聚节点。系统由处理器控制传感器采集数据，数据经过处理后，通过射频模块向监控中心的汇聚进行传输。系统复位时设置相关的时钟、中断、引脚、外围功能模块等，使微处理器进入正常的工作状态。当传感器节点较少时，通信协议采用UART格式，当传感器节点较多时，采用USB格式，另外，数据包前有同步码，同步码的作用是使接收端芯片正确的识别UART或者USB格式的数据。数据包中还包括识别码，识别码用来标志数据的开始，如果正确收到识别码，说明可以正确接收数据，如果数据长度不是一定的，可在数据包开始部分加上一个长度码，或在数据包结尾部分加特定结束标志。该系统为了降低系统的通信误码率，在数据包的最后一位加了校验码，这样可以根据应用需要选择丢掉该包或选择重新发送。在数据包的后面，有1个字节的冗余码，提高了系统的抗干扰能力。系统的程序流程图如图3所示：由于每隔一定时间需要发送一个数据包，所以在程序中设置定时器为合适时间间隔，这样每隔一定时间后便产生一个定时器中断。在这个中断服务程序里，通过整理传感器传来的数据，将其写入数据发送缓冲区。数据正确写入缓冲区后，使缓冲区内数据计数值增1，这个计数值将在主程序里作为一种标志被查询。为保证数据能正确传输，每隔一定时间检测由监控中心的无线模块反馈的应答信号，若无应答，则调整发送的时间，与其它节点发送的时间相错开，防止信号的冲突碰撞。汇聚节点将接收到的数据发送给工业控制计算机，数据包中包括火车经过该传感器的目的地址、源地址、车轮数，车辆的数量、机车数量和火车的当前速度值，工业控制计算机根据汇聚节点发送的数据包，可以计算出当前火车的速度值、机车和车辆的数量等信息，根据传感器的地址可以判断出当前火车的行驶位置，从而实现对轨道上列车运行状态进行监测，同时也能够对车辆的停放位置进行标识。该系统采用多传感器进行信息采集，采用信息融合技术，保证了系统检测的可靠性。

Claims (1)

1.一种无线传感器网络的铁路编组场信息监测系统，其特征在于由监控中心、汇聚节点、无线传感器节点和路由节点组成，监控中心为工业控制计算机，和汇聚节点设置在一起，汇聚节点与监控中心采用USB接口或者RS232串口与计算机相连接，用于检测车轮信息的无线传感器节点安装在铁轨的内侧，路由节点安装在编组场、中间站和专用线处，无线传感器节点、路由节点和汇聚节点采用无线多跳组网进行无线通信；所述的无线传感器节点是由车轮传感器和无线收发模块组成，无线收发模块包括微处理器、射频收发模块、电源管理模块和电池，车轮传感器输出的是模拟信号时，经过A/D转换后再与微处理器相连接；输出数字脉冲信号时直接与微处理器的I/O口相连接，射频收发模块和电源管理模块分别与微处理器对应的端口进行连接；所述的无线传感器节点采用通过检测车轮的个数和相邻车轮的时间间隔来实现对机车和车辆的识别的车轮传感器，车轮传感器两个一组分别与微处理器的相应端口相连接；所述的传感器节点和路由节点采用蓄电池进行供电，汇聚节点和监控中心安装在有交流电供应的场所。

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