CN103112477A - 基于无线传感器网络的铁轨安全监测自动报警系统 - Google Patents

Abstract

一种基于无线传感器网络的铁轨安全监测自动报警系统，由传感节点、网关和远程监测中心组成，传感节点通过相应的夹具安装在铁轨上，通过温度传感器、加速度传感器和应变片传感器分别采集铁轨的温度、振动及应变信息，然后传感节点将采集到的数据通过ZigBee无线方式发送给网关，最后网关通过GPRS无线方式或以太网有线方式与远程监测中心进行交互。本发明采用无线传感器网络技术，实现了对铁轨温度、振动和应变信息的实时监测以及自动报警。当监测到在相应的温度下铁轨的振动、应变超过预先设定的安全阈值时，远程监测中心会发出预警命令，并及时通知相关管理人员处理。

Description

基于无线传感器网络的铁轨安全监测自动报警系统

技术领域

本发明属于铁路铁轨安全监测自动报警技术，具体涉及一种基于无线传感器网络的铁轨安全监测自动报警系统。

背景技术

目前，我国铁路工务系统主要采用人工和轨检车结合的方法对铁轨磨损程度进行检测。前者是机械接触式（道尺）手工检测，检测原理简单，但测量数据误差大，原始数据不利于计算机管理而且存在工作量大、工作环境恶劣、效率低等问题。后者是探伤车检测铁轨损耗，其主要原理是采用超声波法，选用轮式传感器采集数据，检测的信号利用计算机处理。其检测速度是40km/h。但是这种车造价太高，不仅需要工作人员有较强的能力，而且还要处理大量的数据。从时间上和经济上都是一种负担。

当前，利用无线传感器网络对列车或铁轨进行安全监测的研究已见报道，如专利文献201110000257.3，公开了一种基于无线传感器网络的列车实时检测和到站预知系统，此系统利用光电传感器检测列车的位置和列车速度，适用于近距离的监测，监测量和硬件实现功能比较单一；有人提出利用CAN总线技术和压力传感器测试铁轨压力的系统，但此系统监测量单一和现场布线困难；也有人利用短距离的无线通信技术对列车车体进行安全监测，但只是列车车体自测，且不能进行远程监测。

随着传感器技术、无线通信技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术的飞速发展和日益成熟，具有感知能力、计算能力和通信能力的微型传感器和网络开始大范围出现。无线传感器网络能够协作地实时检测、跟踪和采集网络布设区域内的各种监测信息，并对这些信息进行协同、融合处理，获得较为准确的结论，然后传送给用户。搭配多功能传感器、能够实现远距离实时监测的无线传感器网络系统也逐渐成为一种新的技术方向，这种系统以其多功能性和灵活性必将广泛应用于生产、生活的方方面面。

发明内容

本发明提供了一种易于安装维护、可靠性高的铁轨安全监测自动报警系统，在该系统中，传感节点能够实时监测安装点处铁轨的温度、振动和应变参数，然后传感节点通过ZigBee无线方式将采集的参数发送给网关，最后网关通过GPRS无线方式或以太网有线方式与远程监测中心进行交互。

本发明的技术方案如下：

一种基于无线传感器网络的铁轨安全监测自动报警系统，该系统包括传感节点、网关和远程监测中心，传感节点通过夹具固定在铁轨上，同时在轨腰处安装温度传感器、加速度传感器以及贴应变片，传感节点通过这些传感器分别采集铁轨的温度、加速度和应变信息，然后通过ZigBee无线方式将数据发送给网关，最后网关通过GPRS无线方式或以太网有线方式与远程监测中心进行交互，同时管理人员也可以通过短信方式与网关进行交互，当监测中心发现相关参数值超过预先设定的安全阈值时，远程监测中心会发出预警命令，并及时通知相关管理人员处理；

所述的传感节点包括电源模块、电源转换模块、微处理器、ZigBee模块、Flash存储器、传感器、A/D芯片、信号放大及滤波电路，传感器包括温度传感器、加速度传感器和应变片传感器，其中电源模块与电源转换模块相连接，电源转换模块分别与电源模块、微处理器、ZigBee模块、Flash存储器、传感器和A/D芯片相连接；微处理器分别与ZigBee模块、Flash存储器、A/D芯片和电源模块相连接；

所述的网关包括电源模块、电源转换模块、微处理器、ZigBee模块、Flash存储器、GPRS模块和以太网有线模块，其中电源模块与电源转换模块相连接，电源转换模块分别与电源模块、ZigBee模块、Flash存储器、GPRS模块和以太网有线模块相连接，微处理器分别与ZigBee模块、Flash存储器、GPRS模块、以太网有线模块和电源转换模块相连接；

所述的传感节点以及网关的电源模块是由12V蓄电池提供系统电压，通过太阳能电池板给蓄电池充电；

所述的远程监测中心主要由工业控制计算机、RS232接口组成，工业控制计算机与网关通过RS232接口相连接；

所述的管理人员可以通过短信方式与网关进行交互，包括：实时控制网关与远程监测中心的通信在GPRS无线方式和以太网有线方式之间的切换，查询网关供电电压，查询GPRS网络链路质量以及修改网关的相关参数。

在该系统中，传感节点、网关以及远程监测中心都会对数据进行一定的处理。传感节点中，微处理器对采集的数据进行判定，无效数据直接丢弃不予存储，有效数据进行存储，同时将有效数据发送给对应的网关。系统网关中，微处理器会将传感节点发送过来的数据进行存储，然后按照基于变长编码的压缩方法，对接收的数据进行压缩后通过有线或无线方式发送给远程监测中心。远程监测中心服务器会对网关传输来的每帧数据进行解压，接着将解压后的数据进行存储，同时会对这些解压后的数据进行判断，如果超过预先设定的安全阈值，服务器会发出预警命令，告知相关工作人员及时处理。

本发明的有益效果有：

1、引入无线传感器网络技术，避免了在轨道现场进行布线，使得系统易于维护安装；

2、传感器采集铁轨的温度、振动和应变值时，采用了多个传感器，在传输数据时采用求和校验，降低了系统的通信误码率，提高了系统工作的可靠性；

3、传感节点加入或离开网关组建的网络时，网关具有动态识别和自动检测的功能，当传感节点发生故障时，网关能够快速检测定位到出故障的节点编号；

4、传感节点通过夹具安装在轨腰上，能够实时采集铁轨的温度、振动、应变值，监测各参数值的变化情况，能够进行远距离监测；

5、通过远程监测中心实时监测铁轨的温度、振动、应变变化，对采得数据进行分析，预测其变形形式，找出危险断面及危险位置；当相应的温度下，铁轨的振动、应变值超过网关设定的阈值时，监测中心会通知列车调度人员，避免因温度过高、振动或应变过大，导致铁轨损伤造成安全隐患；

6、所设计的网关具备GPRS有线及以太网有线两种方式与远程监测中心通信，当以太网有线网络出现故障或GPRS网络链路质量不好时，网关自动切换成另一种工作方式，保证网关能够将接收到的数据快速发送给远程监测中心。

本发明设计了一种基于无线传感器网络的铁轨安全监测自动报警系统，有其内在的优势，将无线传感器网络引入铁轨监测，提高了系统的可靠性，系统易于安装，布线简单。传感节点可以采用单跳或多跳技术，保证了系统通信的稳定性。由于可以根据传感节点的编号来确定铁轨监测点的位置信息，通过减小每个节点之间的距离，铁路工作人员能够快速确定出现危险的铁轨位置，这样有助于加快险情处理，并保证铁路的安全运营。

附图说明

图1是本发明的系统网络拓扑图。

图2是本发明的系统工作原理示意图。

图3是传感节点的电路原理框图。

图4是传感节点在铁轨上的装配图。

图5 是网关的电路原理框图。

图6是传感节点发射程序流程图。

图7是传感节点接收程序流程图。

图8是网关发射程序流程图。

图9是网关接收程序流程图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明中的实施例，本领域技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护范围。

本实施例是由一组多个传感器搭配组成的传感节点、网关和远程监测中心组成的监测系统，传感节点是由不同的传感器与ZigBee模块组成，传感节点外加防水盒子通过夹具固定在铁路轨腰上，网关通过GPRS无线方式或以太网有线方式与远程监测中心进行交互，或者通过RS232串口连接现场工业控制计算机。

图1所示为本发明的系统网络拓扑图。在整个铁路线上，每隔一定的距离会布置一个传感节点，一个网关负责3个传感节点，传感节点与对应的网关之间是通过ZigBee无线方式进行短距离通信，而网关与远程监测中心是通过GPRS无线方式（或以太网有线方式）进行远距离通信。整个网络结构属于星型结构，传感节点与网关之间的通信是单跳的。

图2所示为本发明的系统工作原理框图。图中1表示铁轨，2表示传感节点，3表示网关， 4表示上位机（即远程监测中心）。传感节点将采集的数据首先发送给对应网关，然后由网关将数据转发给上位机。反过来，上位机也可以给网关发送命令帧，网关能够将此命令帧转发给传感节点。

图3所示为传感节点的电路原理框图。整个传感节点主要由微处理器、温度传感器、加速度传感器、应变片传感器、A/D芯片、Flash存储器、ZigBee模块、电源转换模块、电源模块、信号放大及滤波电路组成。微处理器与ZigBee模块采用SPI方式进行连接。ZigBee模块和Flash存储器采用并口方式连接。电源模块采用12V 蓄电池进行供电，电源转换模块对电源模块提供电压进行降压处理，降压后分别产生5V、3.3V和2.5V电压供各模块使用。

图4所示为传感节点的装配图。图中1表示传感节点装置的盒子，2表示盒子侧面的固定夹具，3表示一个弹簧，4表示一个盒子支撑架，同时也起到底面固定的作用，5表示铁轨。左右两边的底面固定夹具是通过螺栓相连的，2和4之间有也是通过螺栓相连。

图5所示为网关的电路原理框图。所述的网关主要由微处理器作为核心控制元件，微处理器与ZigBee模块采用串口的方式进行连接，微处理器与GPRS模块也采用串口的方式进行连接，微处理器与以太网有线模块采用SPI接口的方式进行连接。电源模块采用12V 蓄电池进行供电，电源转换模块对电源模块提供电压进行两级降压，一级压降通过开关电源芯片将12V输入供电转换成5.0V输出，二级压降采用线性电源芯片将5V电源转换成3.3V和1.8V分别给网关各个模块进行供电。

图6所示为传感节点发射程序流程图。传感节点每隔T秒采集一次数据，每次采集的时长为t秒，其中T>t。当到达定时时间时，传感节点开始采集数据，微处理器首先会按照特定的判定原则对采集的数据进行判定，无效数据丢掉，将有效数据存储到外部Flash存储器中，然后将有效数据发送给ZigBee模块，最后将这些数据以ZigBee无线方式发送给网关。完成这些数据操作后，返回到定时判断处，如此不断的循环这个过程。

图7所示为传感节点接收程序流程图。传感节点能够接收相应网关的命令帧。这些命令帧主要有两类：网络管理信息接入点和设置采集参数接入点。网络管理接入点的命令帧主要包含：节点电压查询、节点电量查询、节点通信质量查询、PANID查询等。设置参数接入点命令帧主要包含：基本参数查询（采集时长、采集间隔等）、节点号查询、协议版本号查询等。如果命令是网络管理接入点信息查询，只需要ZigBee模块进行操作；如果命令是设置采集参数接入点信息查询， ZigBee模块将此命令帧传输给微处理器，由微处理器解析此命令帧中的功能码，查询对应的信息。最后将此信息发送给相应的网关。

图8所示为网关发射程序流程图，图9所示为网关接收程序流程图。两者合起来就是网关的整个工作流程。对于无线和有线两种方式，首先采用的是GPRS无线方式，当发现GPRS网络链路质量不好时，可以自动切换到以太网有线方式上，确保数据能够准确地发送给上位机。

本实施例采用无线传感器网络为技术平台，主要完成对铁轨的安全监测和自动报警，在应用中，沿着铁轨轨腰布置一系列传感器，这些传感器监测铁轨的温度、振动和应变信号，传感节点再对信号进行放大、滤波以及A/D转换的处理，然后传感节点上的微处理器会对数据进行判定，丢弃无效数据，存储有效数据，接着传感节点通过ZigBee无线方式将有效数据发送给网关，网关对信息进行存储并按照变长编码方式进行压缩，将压缩后的数据通过GPRS无线方式（或以太网有线方式）发送给远程监测中心，最后远程监测中心根据相应的安全阈值做出响应。

Claims (6)

1.一种基于无线传感器网络的铁轨安全监测自动报警系统，该系统包括传感节点、网关和远程监测中心，传感节点通过夹具固定在铁轨上，同时在轨腰处安装温度传感器、加速度传感器以及贴应变片，传感节点通过这些传感器分别采集铁轨的温度、加速度和应变信息，然后通过ZigBee无线方式将数据发送给网关，最后网关通过GPRS无线方式或以太网有线方式与远程监测中心进行交互，同时管理人员也可以通过短信方式与网关进行交互，当监测中心发现相关参数值超过预先设定的安全阈值时，远程监测中心会发出预警命令，并及时通知相关管理人员处理。

2.根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的铁轨安全监测自动报警系统，其特征在于：所述的传感节点包括电源模块、电源转换模块、微处理器、ZigBee模块、Flash存储器、传感器、A/D芯片、信号放大及滤波电路，传感器包括温度传感器、加速度传感器和应变片传感器，其中电源模块与电源转换模块相连接，电源转换模块分别与电源模块、微处理器、ZigBee模块、Flash存储器、传感器和A/D芯片相连接；微处理器分别与ZigBee模块、Flash存储器、A/D芯片和电源模块相连接。

3.根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的铁轨安全监测自动报警系统，其特征在于：所述的网关包括电源模块、电源转换模块、微处理器、ZigBee模块、Flash存储器、GPRS模块和以太网有线模块，其中电源模块与电源转换模块相连接，电源转换模块分别与电源模块、ZigBee模块、Flash存储器、GPRS模块和以太网有线模块相连接，微处理器分别与ZigBee模块、Flash存储器、GPRS模块、以太网有线模块和电源转换模块相连接。 

4.根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的铁轨安全监测自动报警系统，其特征在于：所述的传感节点以及网关的电源模块是由12V蓄电池提供系统电 压，通过太阳能电池板给蓄电池充电。

5.根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的铁轨安全监测自动报警系统，其特征在于：远程监测中心主要由工业控制计算机、RS232接口组成，工业控制计算机与网关通过RS232接口相连接。 

6.根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的铁轨安全监测自动报警系统，其特征在于：管理人员可以通过短信方式与网关进行交互，实时控制网关与远程监测中心的通信在GPRS无线方式和以太网有线方式之间切换，查询网关供电电压，查询GPRS网络链路质量以及修改网关的相关参数。 

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