CN103796274B - 快捷货运智能监控系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了快捷货运智能监控系统和方法，用于对列车进行监控，包括主机和路由器节点，在列车的车头处设置主机，至少在一节列车车厢中设置至少一个路由器节点；其中，每个路由器节点包括与至少一个传感器通信连接的控制器和与控制器通信连接的信号收发器；各个路由器节点以及主机之间通过紫蜂协议进行无线通信，各个路由器节点之间通过直接发送或转发的方式进行数据传输；主机用于为路由器节点分配通信地址并且与路由器节点通信。本发明的快捷货运智能监控系统采用无线自动组网的方式，不需要线缆，成本低，功耗低，自带备用电源能够保证继续供电几十个小时；增减车厢后能够迅速恢复通信；通信距离可无限延长，数据传输稳定，丢包率低。

Description

快捷货运智能监控系统和方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术，尤其涉及应用紫蜂技术的快捷货运智能监控系统和方法。

背景技术

随着现代高速网络的发展和普及，无线通信技术越来越成熟，国防、工业、商业等领域都在广泛应用无线网络。目前应用广泛且技术成熟的无线通信技术包括：通用分组无线服务技术(GPRS)、无线保真(WIFI)、蓝牙、紫蜂(Zigbee)、射频识别(RFID)等。无线网络正在把人们身边的一切东西连接起来，通过网络可以获取需要的数据，方便快捷。

紫蜂是一种新兴的短距离、低功耗、低数据速率、低成本、低复杂度的无线通信技术。紫蜂具有如下的IEEE 802.15.4标准无线物理层所规定的全部优点：省电、简单和成本低。紫蜂的主要应用领域包括：工业控制、消费性电子设备、汽车自动化、家庭和楼宇自动化、以及医用设备控制等。

紫蜂最大的优势在于自动组网，自动修复功能。紫蜂网络中的任何路由器节点都可作为路由器转发附近路由器节点的数据，新路由器节点能自动加入现有紫蜂网络，已加入的路由器节点掉电时紫蜂网络能自我修复。在利用紫蜂进行数据传输的过程中，可以进行加密校验和自动应答，保证数据传输的可靠性。

在目前的铁路货运中，由于缺乏对列车运行状态的在线实时监控，没办法实时监控车厢实时状态(如轴温、轴压、振动状态、平衡状态以及运输货物相关参数等)，所以无法对危险的信号进行及时处理，从而造成巨大损失。

针对某些特殊的货运要求，需要在线实时检测分析油气压力、油气温度以及转向架的轴温、压力、平衡状态等参数，以便及时预测货物和转向架的安全稳定性能，对故障进行智能预报，实现动态预测性维修。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：对列车进行在线实时监控。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种快捷货运智能监控系统，用于对列车进行监控，包括主机和路由器节点，在列车的车头处设置主机，至少在一节列车车厢中设置至少一个路由器节点；

其中，每个路由器节点包括与至少一个传感器通信连接的控制器和与控制器通信连接的信号收发器；各个路由器节点以及主机之间通过紫蜂协议进行无线通信，各个路由器节点之间通过直接发送或转发的方式进行数据传输；主机用于为路由器节点分配通信地址并且与路由器节点通信。

优选地，在各个路由器节点通过直接发送或转发的方式进行数据传输的过程中，将待发送数据发送到目标节点的操作方法如下：

步骤1：待发送数据节点判断自身的可靠传输距离内是否存在目标节点；如果存在，则直接将待发送数据发送到目标节点，此时操作结束；否则执行步骤2；

步骤2：将待发送数据发送到自身的可靠传输距离内的距离目标节点最近的节点，并且将该节点作为数据转发节点；

步骤3：数据转发节点判断自身的可靠传输距离内是否存在目标节点；如果存在，则直接将待发送数据发送到目标节点，此时操作结束；否则执行步骤4；

步骤4：数据转发节点将待发送数据发送到自身的可靠传输距离内的距离目标节点最近的新的数据转发节点，并且由这个新的数据转发节点执行步骤3。

优选地，所述的可靠传输距离为100米至150米。

优选地，在各个路由器节点通过直接发送或转发的方式进行数据传输的过程中，将待发送数据发送到目标节点的操作方法如下：

步骤1：待发送数据节点判断在自身与目标节点之间的、与自身距离最近的节点是否为目标节点；如果是，则直接将待发送数据发送到目标节点，此时操作结束；否则执行步骤2；

步骤2：待发送数据节点将待发送数据发送到在自身与目标节点之间的、与自身距离最近的节点，并且将该节点作为数据转发节点；

步骤3：数据转发节点判断在自身与目标节点之间的、与自身距离最近的节点是否为目标节点；如果是，则直接将待发送数据发送到目标节点，此时操作结束；否则执行步骤4；

步骤4：数据转发节点将待发送数据发送到在自身与目标节点之间的、与自身距离最近的节点，并且由该节点作为新的数据转发节点来执行步骤3。

本发明还提供了一种快捷货运智能监控方法，包括使用权利要求1至4中任一项所述的快捷货运智能监控系统在主机和路由器节点之间传输数据。

本发明的有益效果在于：采用无线自动组网的方式，不需要连接任何线缆，成本低，功耗低，自带备用电源能够保证继续供电几十个小时；增减车厢后能够迅速恢复通信；通信距离可无限延长，数据传输稳定，丢包率低。

附图说明

图1是待发送数据节点将待发送数据发送到目标节点的第一操作方式的流程图；

图2是待发送数据节点将待发送数据发送到目标节点的第二操作方式的流程图；

图3是路由器节点与主机通信的方式的示意图。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。

列车上的无线通信对信号稳定性要求高。由于车头车尾距离远，开动中的列车行驶速度快，所以普通无线通信设备达不到在列车上稳定通信的要求，特别是当列车在山洞隧道等特殊环境中行驶时，普通的在无障碍通信环境下无线通信距离可达上千米的设备则只能在几十米范围内通信。另外，现有列车经常在中途车站更换车厢，并且重新配置无线网络以便与新加入的车厢进行通信。

本发明采用智能监控系统实现列车上的无线通信。该智能监控系统包括组成紫蜂网络的主机和至少一个路由器节点，能够实现自动组网和整车无线通信。所有路由器节点可以发送自身采集的数据或转发数据。

本发明的紫蜂网络通常包括以下三种类型的节点：

协调者节点(Coordinator)，在本文中称为主机：用来创建一个紫蜂网络，每个紫蜂网络需要且仅需要一个主机；

路由器节点(Router)，也称为紫蜂全功能节点：用于收发或转发数据，起到路由器的作用；

终端节点(End Device)：通常用于周期性发送数据，不接收数据。

上述节点可以组成网状(Mesh)网络或网树状(Mesh-Tree)网络。另外，本发明的紫蜂网络可以不包括终端节点。

本发明的快捷货运智能监控系统包括主机和路由器节点，在列车的车头处设置主机，至少在一节列车车厢中设置至少一个路由器节点；其中，每个路由器节点包括与至少一个传感器通信连接的控制器和与控制器通信连接的信号收发器；各个路由器节点以及主机之间通过紫蜂协议进行无线通信，各个路由器节点之间通过直接发送或转发的方式进行数据传输；主机用于为路由器节点分配通信地址并且与路由器节点通信。本发明中的数据传输的特点为：数据始终沿一个方向传输，即沿着从车尾向车头方向或沿着从车头向车尾方向发送信号，靠中途节点转发。

可以将主机设置在列车的车头处，每节车厢处设置一个路由器节点。主机和路由器节点可以位于列车内部或列车外部。

主机和路由器节点均可以分别与互相独立的备用电源和/或传感器连接。可以将与路由器节点连接的传感器认为是终端节点。一个路由器节点不仅可以发送通过连接到该路由器节点的传感器采集到的数据，也可以转发其他路由器节点的数据。每个路由器节点的无线通讯距离是100到200米，各个路由器节点接力式的传输数据，能够通过增加路由器节点来延长数据传输范围。

每个路由器节点均包括信号收发器和与信号收发器连接的控制器。控制器可以采用cc2530型控制芯片。信号收发器包括功率放大模块，用于加大发射功率，放大后的发射功率可以达到20dbm(分贝毫瓦)，在无障碍通信的情况下，无线通信距离可以达到一千米，在高速行进的火车上也可以达到100米到200米。

为每个路由器节点配置唯一网络地址，在列车更换车厢时，可以在新加入车厢处设置路由器节点，位于车头处的主机可以自动为每个新加入的路由器节点分配新的网络地址。属于同一列车的主机和路由器节点之间根据被分配的网络地址互相通信，这样可以保证分属于不同列车的路由器节点间互不干扰。

上述系统利用路由器节点的发送和转发功能将各个传感器采集到的数据，通过无线网络发送到位于车头处主机。主机可以通过GPS(全球定位系统)网络将收集到的数据发送到地面接收系统。

如果上述紫蜂网络中某个路由路由器节点移除，可以由其他路由接替被移除节点的工作，不需人工干预。

图1是待发送数据节点将待发送数据发送到目标节点的第一操作方式的流程图，如图1所示，待发送数据节点(例如主机或目标节点以外的任一路由器节点)将待发送数据发送到目标节点(目标节点也可以是主机)的第一种操作方法如下：

步骤1：待发送数据节点判断自身的可靠传输距离内是否存在目标节点；如果存在，则直接将待发送数据发送到目标节点，此时操作结束；否则执行步骤2；

步骤2：将待发送数据发送到自身的可靠传输距离内的距离目标节点最近的节点，并且将该节点作为数据转发节点；

步骤3：数据转发节点判断自身的可靠传输距离内是否存在目标节点；如果存在，则直接将待发送数据发送到目标节点，此时操作结束；否则执行步骤4；

步骤4：数据转发节点将待发送数据发送到自身的可靠传输距离内的距离目标节点最近的新的数据转发节点，并且由这个新的数据转发节点执行步骤3。

这样的操作可以在利用预先设定的可靠传输距离(例如100米至150米)保证数据传输可靠性的基础上，将数据发送到目标节点。

图2是待发送数据节点(例如主机或目标节点以外的任一路由器节点)将待发送数据发送到目标节点的第二操作方式的流程图，如图2所示，待发送数据节点将待发送数据发送到目标节点(目标节点也可以是主机)的第二种操作方法如下：

步骤1：待发送数据节点判断在自身与目标节点之间的、与自身距离最近的节点是否为目标节点；如果是，则直接将待发送数据发送到目标节点，此时操作结束；否则执行步骤2；

步骤2：待发送数据节点将待发送数据发送到在自身与目标节点之间的、与自身距离最近的节点，并且将该节点作为数据转发节点；

步骤3：数据转发节点判断在自身与目标节点之间的、与自身距离最近的节点是否为目标节点；如果是，则直接将待发送数据发送到目标节点，此时操作结束；否则执行步骤4；

步骤4：数据转发节点将待发送数据发送到在自身与目标节点之间的、与自身距离最近的节点，并且由该节点作为新的数据转发节点来执行步骤3。

这种操作方法可以更好的保证数据传输的可靠性，避免网络节点在可靠传输距离内由于意外干扰而丢包的现象。

为主机和路由器节点配置的备用电源可以保证在紫蜂网络的持续工作。在通常情况下，列车上设置8V-80V的超宽电压输入，该超宽电压输入在过流过压等多级防护处理和滤波处理后产生稳定的5V电源，并提供给主机和路由器节点。在停电情况下，备用电池提供的电力在经过TPS70033芯片处理后产生3.3V电源，并提供给主机和路由器节点。

系统设计关键技术有两个，一个是由紫蜂协议保证的系统的自动组网，新的节点可以自动加入到已经组建的紫蜂网络中，所有路由器节点都可以转发数据包，通过增加新的路由器节点来延长通信距离；另一个就是网络的健壮性，通过节点上的控制器实现：上述待发送数据节点将待发送数据发送到目标节点的两种操作方式混合使用，即一部分数据采用一种操作方式传输而另一部分数据采用另一种操作方式传输，对于大量数据同一时间爆发式传输等特殊情况，可以将要求快速发送到目标节点的数据以第一种操作方法发送，其余数据采用第二种操作方法发送，从而保证系统能稳定的运行。

图3是路由器节点与主机通信的方式的示意图，包括如下的通信方式：

方式一：在信号很好的时候比如车厢比较少的时候采用；位于车头处的主机直接与位于最后一节车厢的“路由器节点6”通信。

方式二：在信号较差比如列车较长或者列车穿过隧道时采用；此时，“路由器节点6”信号不能直接与位于车头的主机通信，而是与“路由器节点4”通信，“路由器节点4”将“路由器节点6”的数据转发给位于车头的主机。

方式三：当通信干扰更加严重时候采用，“路由器节点6”自身的数据在经过“路由器节点3”和“路由器节点2”的转发后被发送到主机。

方式四：在通信干扰最严重的时候，“路由器节点6”将自身的数据以接力的方式依次通过“路由器节点5”、“路由器节点4”、“路由器节点3”、“路由器节点2”和“路由器节点1”的转发后被发送到主机此过程全部由硬件自动计算，不需要人工参与，可在短时间内完成。

其中，路由器节点的控制器可以在列车运行的不同地段或时段采用不同的数据传输方式。在利用紫蜂网络进行列车整车无线通信领域内没有根据列车运行时段或地段采用不同数据传输方式的先例。为了保证数据发送的成功率，采用重发机制，发送数据的路由器节点向与自身距离最近的一个路由器节点发送数据，接收到数据的路由器节点会向发送数据的路由器节点反馈响应数据，如果发送数据的路由器节点接收到了响应数据则表示发送成功，如果在规定时间内未接收到响应数据则向另一路由器节点发送数据直到收到响应数据为止。

实例测验

1、测试环境

为了取得最接近实际情况的测试数据，我们选择了郑州到洛阳的特快列车，特快列车速度比货车快一倍速度，最高时速为162公里/小时，并且在途中穿越数条穿山隧道，可以达到测试环境需求。

2、测试系统说明

参与测试的系统包括：1台主机，9个路由器节点，主机和路由器节点组成紫蜂网络；路由器节点上安装有2dBi内置天线；待测试特快列车的车头为1号车厢，车尾为N号车厢(N为自然数)，例如N为9，则按照从车头到车尾的顺序依次为1号车厢、2号车厢、3号车厢、……9号车厢。每个路由器节点均与至少一个传感器连接，传感器采集列车的轴温、轴压、振动状态、平衡状态等参数，路由器节点收集传感器采集到的数据后会发送数据，每个路由器节点每秒发送一次数据。

3、测试方式

包括两种测试方式，一种是测试单个路由器节点的最远传输距离，另一种是组网传输测试。路由器节点均放置在车厢窗户边的桌子上。

(1)对单个路由器节点的测试：主机放在1号车厢，一个人同时带9个路由器节点从车头向车尾移动，测试每个路由器节点单独与主机通信的结果。

(2)组网传输测试：主机放在1号车厢，其余每节车厢仅放置一个无线路由器节点或不放置路由器节点。采用待发送数据节点将待发送数据发送到目标节点的第二种操作方法来进行数据传输。连续通讯一段时间，记录所有路由器节点发送的数据包数量，计算丢包率(因为测试通讯质量，所以取消掉丢包重发，只记录实际接收到的数据包数量)。

4、待测试的数据

在列车运行中：计算单个路由器节点的可靠传输距离和最远传输距离，计算组网传输测试中各个路由器节点的丢包率，列车进入隧道时的通讯状态，重启单个路由器节点后网络恢复通信时间，重启主机后网络恢复通信时间，长时间通讯稳定性。可靠传输距离是路由器节点与主机进行数据传输过程中或两个路由器节点间进行数据传输过程中，在无丢包现象出现的条件下，路由器节点与主机的最远距离为路由器节点与主机之间的可靠传输距离，两个路由器节点之间的最远距离为两个路由器节点之间的可靠传输距离；最远传输距离是路由器节点与主机进行数据传输过程中或两个路由器节点间进行数据传输过程中，在不计丢包率的情况下能够进行通信的最远距离。

5、测试结果

(1)单个路由器节点可靠传输距离和最远传输距离：

这里以主机与路由器节点之间的数据传输结果作为衡量单个路由器节点可靠传输距离和最远传输距离的标准。在列车行进过程中，当路由器节点与主机相距4个车厢以上时开始出现丢包现象，到相距8个车厢时只能偶尔接收到数据，相距8个车厢时主机接收不到路由器节点发送到的数据包，也就是说在列车行进过程中单个路由器节点的可靠通讯距离为4节车厢，约100米，最远传输距离小于200米。静止列车的测试结果：在列车静止状态下实测的可靠通讯距离是200米至1000米。

(2)组网传输：

在列车行进过程中，主机放置在1号车厢，9个路由器节点分别放置在2到11号车厢，沿途分时间段记录主机接收到的数据包数量，每一段均为20分钟内接收到的数据包数量，测试结果见表1。

其中5号路由器节点放置在11号车厢，7号车厢没有放置路由器节点，从2号车厢至11号车依次为1号路由器节点、8号路由器节点、9号路由器节点、2号路由器节点、7号路由器节点、6号路由器节点、3号路由器节点、4号路由器节点、5号路由器节点。

表1：

(3)列车进入隧道时的通讯状态：

因为穿越隧道时间很短，无法精确测量丢包率，所以采用观察数据包数量变化速度的方法，所有路由器节点所发送数据包数量均同时随时间而增加，数据包数量每秒加1；测试结果显示并没有因为穿越隧道而造成数据包丢失，也就是说在隧道中也可以正常通讯。

(4)重启单个路由器节点后该路由器节点恢复通讯时间：

测试时随机选择4个路由器节点，每个路由器节点隔1分钟重启一次，共重启10次，该路由器节点重启后其他路由器节点可正常通信，该路由器节点重启后5秒即可恢复正常通信。

(5)重启主机自动恢复时间：

重启主机10次，每次重启后整个网络恢复正常通信时间均为15-30秒。

(6)长时间通信的稳定性：

保持所有路由器节点均连接，无人为干预连续长时间运行。

表2为系统连续运行28个小时后，所有路由器节点每秒发送一次数据的最后记录。

路由器节点的位置同样为：5号路由器节点放置在11号车厢，7号车厢没有放置路由器节点，从2号车厢至11号车依次为1号路由器节点、8号路由器节点、9号路由器节点、2号路由器节点、7号路由器节点、6号路由器节点、3号路由器节点、4号路由器节点、5号路由器节点。

表2：

6、结果分析

(1)单个路由器节点可靠传输距离和最远传输距离：

在列车以160公里/小时的速度行进过程中，路由器节点采用2dBi天线，单个路由器节点的可靠的通信距离最近为100米；每节车厢长度为12米，因此设置路由器节点的车厢可以与前后各8节共16节车厢内的节点通信。优选可以采用5-7dBi的天线，会增加通信性能。随着列车速度增加，路由器节点所覆盖的可靠传输距离缩短，如果列车行驶速度为100-200公里/小时，则路由器节点的可靠传输距离为50-100米，如果列车行驶速度50公里/小时以下，则路由器节点的可靠传输距离为100-150米。

(2)组网传输：

随着路由器节点越多，形成的网状链接就越多，整个网络的通信就越可靠，网络就越健壮。个别节点的损坏时，由于数据可以通过其他传输，所以不会影响到整个网的通信。如果每节车厢中设置一个路由器节点，而每个路由器节点的可靠通信距离能够覆盖前后共16节车厢，这前后16节车厢内个别节点的损坏不会影响在这16节车厢内的无线通信。

在三段的测试中，因为测试时间不同，所以收到的数据包总数不同，以1号路由器节点为基准，(因为1号路由器节点就在2号车厢与主机接近，经过多次测试均没有任何丢包情况，按每秒发送一次数据来计算)，在操作过程中没有进行丢包重发，5号路由器节点位于11号车厢，距离最远丢包情况最严重，三段的测试发送成功率为1098/1337×100％＝82％，1584/1844×100％＝86％，826/974×100％＝85％。由测试可以看到，越远通讯质量越差，因为测试中有的路由器节点和其他路由器节点距离较大，造成单个路由器节点路由功能负荷较大，路由表增大，后面很多路由器节点数据和组网分配都需要通过该路由器节点转发，就像大路上突然出现独木桥，该路由器节点就是独木桥。增加中继路由器节点数量会很好改善通讯状态。但总体通讯状态很好，如果采用上述重发机制，则不会出现丢包，完全能满足可靠通讯的需求。

因为客车每节车厢长26米，货车每节车厢长12米，路由器节点越多健壮性和可靠性越好，所以如果每节车厢都装有无线路由器节点，则通讯质量会得到更好的保证。

(3)列车进入隧道时的通讯状态：

实际测试中整个网络在隧道中也完全可以正常通讯。如果换成货车则由于相邻两个路由器节点之间距离缩短而使通信更加可靠。

(4)重启单个路由器节点自动恢复通讯时间：

经过多次测试，单个路由器节点的增加、减少对网络均无任何影响，经过多个不同位置的不同路由器节点多次测试，节点启动后均可以5秒内可以重新组网。

(5)重启主机自动恢复时间：

在所有路由器节点链接的情况下和没有路由器节点链接的情况下多次重启系统恢复正常通讯的时间均在30秒以内。

(6)长时间通信稳定性：

在28个小时的连续运行中，没有出现任何通讯中断等问题，各个路由器节点的数据包均正常，总数据包数有不到1％的误差，属于正常现象，因为各个节点内部时钟本身也存在一定误差。进行连续7天运行试验，各路由器节点和主机均正常工作，没有出现中断通信等状况。

显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (3)

1.一种快捷货运智能监控系统，用于对列车进行监控，其特征在于：包括主机和路由器节点，在列车的车头处设置主机，至少在一节列车车厢中设置至少一个路由器节点；

其中，每个路由器节点包括与至少一个传感器通信连接的控制器和与控制器通信连接的信号收发器；各个路由器节点以及主机之间通过紫蜂协议进行无线通信，各个路由器节点通过所述控制器控制数据通过第二操作方式或同时通过第一操作和第二操作方式进行数据传输；主机用于为路由器节点分配通信地址并且与路由器节点通信；

所述第一操作方式如下：

步骤1：待发送数据节点判断自身的可靠传输距离内是否存在目标节点；如果存在，则直接将待发送数据发送到目标节点，此时操作结束；否则执行步骤2；

步骤2：将待发送数据发送到自身的可靠传输距离内的距离目标节点最近的节点，并且将该节点作为数据转发节点；

步骤3：数据转发节点判断自身的可靠传输距离内是否存在目标节点；如果存在，则直接将待发送数据发送到目标节点，此时操作结束；否则执行步骤4；

步骤4：数据转发节点将待发送数据发送到自身的可靠传输距离内的距离目标节点最近的新的数据转发节点，并且由这个新的数据转发节点执行步骤3；

所述第二操作方式如下：

步骤1：待发送数据节点判断在自身与目标节点之间的、与自身距离最近的节点是否为目标节点；如果是，则直接将待发送数据发送到目标节点，此时操作结束；否则执行步骤2；

步骤2：待发送数据节点将待发送数据发送到在自身与目标节点之间的、与自身距离最近的节点，并且将该节点作为数据转发节点；

步骤3：数据转发节点判断在自身与目标节点之间的、与自身距离最近的节点是否为目标节点；如果是，则直接将待发送数据发送到目标节点，此时操作结束；否则执行步骤4；

步骤4：数据转发节点将待发送数据发送到在自身与目标节点之间的、与自身距离最近的节点，并且由该节点作为新的数据转发节点来执行步骤3。

2.根据权利要求1所述的快捷货运智能监控系统，其特征在于：所述的可靠传输距离为100米至150米。

3.一种快捷货运智能监控方法，其特征在于：包括使用权利要求1或2所述的快捷货运智能监控系统在主机和路由器节点之间传输数据。