CN107071003A - 一种基于Lora通信的智能防溜系统及其通信方法 - Google Patents

一种基于Lora通信的智能防溜系统及其通信方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于Lora通信的智能防溜系统，包括若干组智能铁鞋、一个无线数据终端和一个智能防溜监控主机，所述的智能铁鞋均包括多种传感器、第一CPU和第一Lora通信模块，传感器的信号输出端均与第一CPU的信号输入端相连，第一CPU与第一Lora通信模块相连接。无线数据终端包括彼此相连的第二CPU和第二Lora通信模块。第一Lora通信模块与第二Lora通信模块进行基于Lora协议的通信。智能防溜监控主机通过以太网接口与无线数据终端相连接。本发明是一套基于高效、易操作、可靠性高的监控系统，网络通信功耗低、距离远，可实现对防溜装置状态的实时监控，对保障铁路安全运行具有非常重要的意义和实用价值。

Description

一种基于Lora通信的智能防溜系统及其通信方法
技术领域
本发明涉及铁路车辆停车防溜领域，尤其是适用于实现对铁路现场停车智能防溜装置的实时监测及管理，具体地说是一种基于Lora通信的智能防溜系统及其通信方法。
背景技术
目前，传统防溜装置存在以下问题：防溜装置是否放置到位难以监控；发车时防溜装置是否已经取出同样难以监控；防溜装置发生被盗无法及时报警；防溜装置的领取、放置、取出和还回，均由人工操作完成，值班员无法及时判明防溜装置是否处于规范的安全状态。
发明内容
本发明的目的是针对上述问题，提出一种基于Lora通信的智能防溜系统及其通信方法。本发明是一套基于高效、易操作、可靠性高的一种基于Lora通信的智能防溜系统，可实现对防溜装置状态的实时监控，对保障铁路安全运行具有非常重要的意义和实用价值。
本发明的技术方案是：
本发明的一种基于Lora通信的智能防溜系统，它包括若干组智能铁鞋、一个无线数据终端和一个智能防溜监控主机，所述的智能铁鞋均包括加速度传感器、超声距离传感器、温度传感器、磁场传感器、第一CPU和第一Lora通信模块，所述的加速度传感器、超声距离传感器、温度传感器和磁场传感器分别用于采集车辆停车的对应参数信息，加速度传感器、超声距离传感器、温度传感器、磁场传感器的信号输出端均与第一CPU的对应信号输入端相连，第一CPU的串口引脚TXD、RXD分别与智能铁鞋中第一Lora通信模块串口引脚RXD、TXD相连接；所述无线数据终端包括第二CPU和第二Lora通信模块，第二CPU的串口引脚TXD、RXD分别与第二Lora通信模块串口引脚RXD、TXD相连接；各智能铁鞋中第一Lora通信模块与无线数据终端中第二Lora通信模块进行基于Lora协议的通信；所述智能防溜监控主机通过以太网接口与无线数据终端相连接，采集车辆停车、智能铁鞋数据及状态并进行监控。
本发明还公开了一种基于Lora通信的智能防溜系统通信方法，基于本发明的智能防溜系统，该方法实现了智能铁鞋中第一CPU通过第一Lora通信模块与无线数据终端中第二CPU通过第二Lora通信模块之间长距离、低功耗通信，具体步骤包括：
(1)、第一CPU通信前的数据检查，包括模拟数据有效性检查、状态量逻辑检查及关键状态确认；
(2)、第一CPU将无法通过步骤(1)检查的数据认定为有问题数据，不进行组帧发送，等待下批数据生成，再次对下批数据进行通信前检查；循环检查判断，直到某批量数据通过检查则转向步骤(3)；
(3)、第一CPU生成智能防溜数据通信数据帧，并且通过第一Lora通信模块发送出去；
(4)、第二CPU通过第二Lora通信模块接收智能防溜数据通信数据帧，并进行解析、校验，接受智能防溜数据帧；
(5)、第二CPU将接受的智能防溜数据帧中各模拟量或状态量发布，供智能防溜监控主机读取应用。
具体的，步骤(1)中具体包括以下内容：
(1-1)、数据有效性检查：检查模拟量数据是否在传感器检测量程范围内，具体判断公式如下：
其中D1：车轮距离，单位是mm，占四个字节；Dk(k∈{5,6,7})：分别表示X,Y,Z轴加速度，单位是重力加速度g，各占四个字节；D8：温度，单位是℃，占四个字节；
(1-2)、状态量逻辑检查：检查各状态量数值是否符合逻辑，具体判断公式如下：
且i≠j
其中D0.7：放置到位状态，放置到位用1表示，放置不到位用0表示；D0.6：压鞋报警状态，压鞋报警用1表示，无压鞋报警用0表示；D0.5：被盗报警状态，被盗报警用1表示，无被盗报警用0表示；D0.4：溜逸报警状态，溜逸报警用1表示，无溜逸报警用0表示；
(1-3)、关键状态确认：根据模拟量数据大小，确认状态量是否正确，具体判断公式如下：
其中D2为铁鞋位移，单位是mm，占四个字节；f(X)为逻辑函数，表示若“X”为真，则函数值为1，若“X”为假，则函数值为0。
具体的，步骤(3)中第一CPU生成智能防溜数据通信数据帧具体格式如下：
2个始端握手字符+1个控制字符+智能防溜数据帧+CRC校验字符+2个末端结束字符；其中，2个始端握手字符用于和第二CPU进行发送防溜数据帧前的同步；控制字符指明了数据发送方式是广播、组播或点对点发送，这里控制字选取“FFH”指定数据发送方式为广播方式；智能防溜数据帧为：智能铁鞋MAC地址+1个状态字符+8模拟量字符；CRC校验字符为选取生产多项式g(x)＝x8+x4+x3+1(即进行“模2除法”中除数选100011001)后对智能防溜数据帧进行循环冗余检查所产生的1个校验字节，2个末端结束字符表示一个数据帧传输完成。
智能防溜数据通信数据帧：
1个状态字符格式：
D0.7 D0.6 D0.5 D0.4 D0.3 D0.2 D0.1 D0.0
放置到位 压鞋报警 被盗报警 溜逸报警 唤醒状态 铁鞋开关 预留位 预留位
8个模拟量字符格式：
D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8
车轮距离 铁鞋位移 方向FX 方向FY X轴加速度 Y轴加速度 Z轴加速度 温度
优选的，步骤(4)具体过程如下：
第二CPU通过第二Lora通信模块检测到2个始端握手字符后，开始接收智能防溜数据帧，并对智能防溜数据帧与CRC校验字符形成的新帧再用“模2除法”的方法除以选定的除数100011001，验证余数是否为0：如果非0，则证明该智能防溜数据在传输过程中发生改变，第二CPU舍弃该智能防溜数据帧；如果余数为0，说明该智能防溜数据传输过程中没有发生异常，第二CPU结束对智能防溜数据通信数据帧的解析与校验，并接受智能防溜数据帧。
优选的，步骤(5)中，第二CPU将接受的智能防溜数据帧中各模拟量或状态量以OPCServer方式发布。
本发明的有益效果：
本发明的一种基于Lora通信的智能防溜系统，是一套基于高效、易操作、可靠性高的监控系统，网络通信功耗低、距离远，可实现对防溜装置状态的实时监控，对保障铁路安全运行具有非常重要的意义和实用价值。
附图说明
图1是本发明的原理框图。
图2是本发明的基于Lora通信的智能防溜系统通信方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图1所示，本发明的一种基于Lora通信的智能防溜系统，包括若干组智能铁鞋、一个无线数据终端和一个智能防溜监控主机(优先选用工控机)，所述的智能铁鞋均包括加速度传感器(型号为ADXL345)、超声距离传感器(型号为NU40A16TR-1)、温度传感器(型号为18B20)、磁场传感器(型号为MAG3110)、中央处理器(第一CPU，优先选用型号STM32L15X)和第一Lora通信模块(型号为F8L10D)，所述的加速度传感器、超声距离传感器、温度传感器和磁场传感器分别用于采集车辆停车的对应参数信息，加速度传感器、超声距离传感器、温度传感器、磁场传感器的信号输出端均与中央处理器(第一CPU)的对应信号输入端相连，中央处理器(第一CPU)的串口引脚TXD、RXD分别与智能铁鞋中第一Lora通信模块串口引脚RXD、TXD相连接。所述无线数据终端包括中央处理器(第二CPU，优先选用型号STM32L15X)和第二Lora通信模块(型号为F8L10D)，中央处理器(第二CPU)的串口引脚TXD、RXD分别与第二Lora通信模块串口引脚RXD、TXD相连接。第一Lora通信模块与第二Lora通信模块进行基于Lora协议的通信。所述智能防溜监控主机通过以太网接口与无线数据终端相连接，采集车辆停车、智能铁鞋数据及状态并进行监控。
本发明的一种基于Lora通信的智能防溜系统通信方法，实现了智能铁鞋中第一CPU通过第一Lora通信模块与无线数据终端中第二CPU通过第二Lora通信模块之间长距离、低功耗通信，如图2所示，具体步骤包括：
(1)、第一CPU通信前的数据检查，包括模拟数据有效性检查、状态量逻辑检查及关键状态确认；
(2)、第一CPU将无法通过步骤(1)检查的数据认定为有问题数据，不进行组帧发送，等待下批数据生成，再次对下批数据进行通信前检查；循环检查判断，直到某批量数据通过检查则转向步骤(3)；
(3)、第一CPU生成智能防溜数据通信数据帧，并且通过第一Lora通信模块发送出去；
(4)、第二CPU通过第二Lora通信模块接收智能防溜数据通信数据帧，并进行解析、校验，接受智能防溜数据帧。
(5)、第二CPU将接受的智能防溜数据帧中各模拟量或状态量以OPC Server方式发布，供智能防溜监控主机读取应用。
本发明的一种基于Lora通信的智能防溜系统通信方法中在步骤(1)中具体包括以下内容：
(1-1)、数据有效性检查：检查模拟量数据是否在传感器检测量程范围内，具体判断公式如下：
其中D1：车轮距离，单位是mm，占四个字节；Dk(k∈{5,6,7})：分别表示X,Y,Z轴加速度，单位是重力加速度g(m/s2)，各占四个字节；D8：温度，单位是℃，占四个字节。
(1-2)、状态量逻辑检查：检查各状态量数值是否符合逻辑，具体判断公式如下：
且i≠j
其中D0.7：放置到位状态(放置到位用1表示，放置不到位用0表示)；D0.6：压鞋报警状态(压鞋报警用1表示，无压鞋报警用0表示)；D0.5：被盗报警状态(被盗报警用1表示，无被盗报警用0表示)；D0.4：溜逸报警状态(溜逸报警用1表示，无溜逸报警用0表示)。
(1-3)、关键状态确认：根据模拟量数据大小，确认状态量是否正确，具体判断公式如下：
其中D2为铁鞋位移，单位是mm，占四个字节；f(X)为逻辑函数，表示若“X”为真，则函数值为1，若“X”为假，则函数值为0。
本发明的一种基于Lora通信的智能防溜系统通信方法，在步骤(3)中第一CPU生成智能防溜数据通信数据帧具体格式如下：
2个始端握手字符+1个控制字符+智能防溜数据帧+CRC校验字符+2个末端结束字符；其中，2个始端握手字符用于和第二CPU进行发送防溜数据帧前的同步；控制字符指明了数据发送方式是广播、组播或点对点发送，这里控制字选取“FFH”指定数据发送方式为广播方式；智能防溜数据帧为：智能铁鞋MAC地址+1个状态字符+8模拟量字符；CRC校验字符为选取生产多项式g(x)＝x8+x4+x3+1(即进行“模2除法”中除数选100011001)后对智能防溜数据帧进行循环冗余检查所产生的1个校验字节；2个末端结束字符表示一个数据帧传输完成。
智能防溜数据通信数据帧：
1个状态字符格式：
D0.7 D0.6 D0.5 D0.4 D0.3 D0.2 D0.1 D0.0
放置到位 压鞋报警 被盗报警 溜逸报警 唤醒状态 铁鞋开关 预留位 预留位
8个模拟量字符格式：
D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8
车轮距离 铁鞋位移 方向FX 方向FY X轴加速度 Y轴加速度 Z轴加速度 温度
本发明的一种基于Lora通信的智能防溜系统通信方法，步骤(4)具体过程如下：
第二CPU通过第二Lora通信模块检测到2个始端握手字符后，开始接收智能防溜数据帧，并对智能防溜数据帧与CRC校验字符形成的新帧再用“模2除法”的方法除以上面选定的除数100011001，验证余数是否为0，如果非0，则证明该智能防溜数据在传输过程中发生改变，第二CPU舍弃该智能防溜数据帧，如果余数为0，说明该智能防溜数据传输过程中没有发生异常，第二CPU结束对智能防溜数据通信数据帧的解析与校验，并接受智能防溜数据帧。

Claims (6)

1.一种基于Lora通信的智能防溜系统，其特征是它包括若干组智能铁鞋、一个无线数据终端和一个智能防溜监控主机，所述的智能铁鞋均包括加速度传感器、超声距离传感器、温度传感器、磁场传感器、第一CPU和第一Lora通信模块，加速度传感器、超声距离传感器、温度传感器、磁场传感器的信号输出端均与第一CPU的对应信号输入端相连，第一CPU的串口引脚TXD、RXD分别与智能铁鞋中第一Lora通信模块串口引脚RXD、TXD相连接；所述无线数据终端包括第二CPU和第二Lora通信模块，第二CPU的串口引脚TXD、RXD分别与第二Lora通信模块串口引脚RXD、TXD相连接；各智能铁鞋中第一Lora通信模块与无线数据终端中第二Lora通信模块进行基于Lora协议的通信；所述智能防溜监控主机通过以太网接口与无线数据终端相连接。
2.一种基于Lora通信的智能防溜系统通信方法，其特征是该方法实现了智能铁鞋中第一CPU通过第一Lora通信模块与无线数据终端中第二CPU通过第二Lora通信模块之间长距离、低功耗通信，具体步骤包括：
(1)、第一CPU通信前的数据检查，包括模拟数据有效性检查、状态量逻辑检查及关键状态确认；
(2)、第一CPU将无法通过步骤(1)检查的数据认定为有问题数据，不进行组帧发送，等待下批数据生成，再次对下批数据进行通信前检查；循环检查判断，直到某批量数据通过检查则转向步骤(3)；
(3)、第一CPU生成智能防溜数据通信数据帧，并且通过第一Lora通信模块发送出去；
(4)、第二CPU通过第二Lora通信模块接收智能防溜数据通信数据帧，并进行解析、校验，接受智能防溜数据帧；
(5)、第二CPU将接受的智能防溜数据帧中各模拟量或状态量发布，供智能防溜监控主机读取应用。
3.根据权利要求2所述的一种基于Lora通信的智能防溜系统通信方法，其特征是步骤(1)中具体包括以下内容：
(1-1)、数据有效性检查：检查模拟量数据是否在传感器检测量程范围内，具体判断公式如下：
其中D1：车轮距离，单位是mm，占四个字节；Dk(k∈{5,6,7})：分别表示X,Y,Z轴加速度，单位是重力加速度g，各占四个字节；D8：温度，单位是℃，占四个字节；
(1-2)、状态量逻辑检查：检查各状态量数值是否符合逻辑，具体判断公式如下：
且i≠j
其中D0.7：放置到位状态，放置到位用1表示，放置不到位用0表示；D0.6：压鞋报警状态，压鞋报警用1表示，无压鞋报警用0表示；D0.5：被盗报警状态，被盗报警用1表示，无被盗报警用0表示；D0.4：溜逸报警状态，溜逸报警用1表示，无溜逸报警用0表示；
(1-3)、关键状态确认：根据模拟量数据大小，确认状态量是否正确，具体判断公式如下：
<mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mi>f</mi> <mo>(</mo> <mi>D</mi> <mn>2</mn> <mo>&gt;</mo> <mn>5</mn> <mo>)</mo> <mo>*</mo> <mi>f</mi> <mo>(</mo> <mi>D</mi> <mn>5</mn> <mo>&gt;</mo> <mn>0.05</mn> <mo>)</mo> <mo>=</mo> <mi>D</mi> <mn>0.4</mn> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mi>f</mi> <mo>(</mo> <mi>D</mi> <mn>1</mn> <mo>&gt;</mo> <mn>300</mn> <mo>)</mo> <mo>*</mo> <mi>f</mi> <mo>(</mo> <mi>D</mi> <mn>6</mn> <mo>&gt;</mo> <mn>0.05</mn> <mo>)</mo> <mo>*</mo> <mi>f</mi> <mo>(</mo> <mi>D</mi> <mn>7</mn> <mo>&gt;</mo> <mn>0.05</mn> <mo>)</mo> <mo>=</mo> <mi>D</mi> <mn>0.5</mn> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mi>f</mi> <mo>(</mo> <mn>60</mn> <mo>&lt;</mo> <mi>D</mi> <mn>1</mn> <mo>&lt;</mo> <mn>160</mn> <mo>)</mo> <mo>=</mo> <mi>D</mi> <mn>0.7</mn> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced>
其中D2为铁鞋位移，单位是mm，占四个字节；f(X)为逻辑函数，表示若“X”为真，则函数值为1，若“X”为假，则函数值为0。
4.根据权利要求3所述的一种基于Lora通信的智能防溜系统通信方法，其特征是步骤(3)中第一CPU生成智能防溜数据通信数据帧具体格式如下：
2个始端握手字符+1个控制字符+智能防溜数据帧+CRC校验字符+2个末端结束字符；其中，2个始端握手字符用于和第二CPU进行发送防溜数据帧前的同步；控制字符指明了数据发送方式是广播、组播或点对点发送，这里控制字选取“FFH”指定数据发送方式为广播方式；智能防溜数据帧为：智能铁鞋MAC地址+1个状态字符+8模拟量字符；CRC校验字符为选取生产多项式g(x)＝x8+x4+x3+1后对智能防溜数据帧进行循环冗余检查所产生的1个校验字节，2个末端结束字符表示一个数据帧传输完成。
5.根据权利要求4所述的一种基于Lora通信的智能防溜系统通信方法，其特征是步骤(4)具体过程如下：
第二CPU通过第二Lora通信模块检测到2个始端握手字符后，开始接收智能防溜数据帧，并对智能防溜数据帧与CRC校验字符形成的新帧再用“模2除法”的方法除以选定的除数100011001，验证余数是否为0：如果非0，则证明该智能防溜数据在传输过程中发生改变，第二CPU舍弃该智能防溜数据帧；如果余数为0，说明该智能防溜数据传输过程中没有发生异常，第二CPU结束对智能防溜数据通信数据帧的解析与校验，并接受智能防溜数据帧。
6.根据权利要求2所述的一种基于Lora通信的智能防溜系统通信方法，其特征是步骤(5)中，第二CPU将接受的智能防溜数据帧中各模拟量或状态量以OPC Server方式发布。
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