CN107942810A - 一种基于Zigbee通信数据缓冲的防溜系统协调器及其数据处理方法 - Google Patents

一种基于Zigbee通信数据缓冲的防溜系统协调器及其数据处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明的一种基于Zigbee通信数据缓冲的防溜系统协调器，它包括微控制器MCU、ZigBee通信模块和W5100网络接口芯片；MCU与ZigBee通信模块相连接；MCU与W5100网络接口芯片相连接；防溜系统协调器中ZigBee通信模块与各路由器、智能铁鞋中的ZigBee通信模块进行无线通信；W5100网络接口芯片与智能防溜监控主机相连接。本发明是一套基于高效、易操作、可靠性高的一种基于Zigbee通信数据缓冲的防溜系统协调器及其数据处理方法，可实现防溜系统协调器对接收到的数据进行缓冲、检查与优化，有效提高了数据传输的稳定性、可靠性，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Zigbee通信数据缓冲的防溜系统协调器及其数据处 理方法
技术领域
本发明涉及铁路车辆停车防溜领域，尤其是适用于实现防溜系统协调器对接收到的数据进行缓冲、检查与优化，具体地说是一种基于Zigbee通信数据缓冲的防溜系统协调器及其数据处理方法一种基于Zigbee通信数据缓冲的防溜系统协调器及其数据处理方法。
背景技术
缓冲技术是为了协调吞吐速度相差大的设备之间数据传送而采用的技术，本质是匹配一种速度差异。当多台智能铁鞋在短时间内向防溜系统协调器发送数据，就会导致与协调器往监控主机上传数据的速度不匹配，从而带来错误帧、重复帧以及丢失数据。目前，防溜系统协调器存在以下问题：数据到达与离去速度不匹配而导致的丢包问题；在资源有限条件下，通信终端还要处理大量存在的重复甚至错误无用的数据，没有对数据的错误与重复进行针对性检查与优化。
发明内容
本发明的目的是针对上述问题，提出一种基于Zigbee通信数据缓冲的防溜系统协调器及其数据处理方法。本发明是一套基于高效、易操作、可靠性高的一种基于Zigbee通信数据缓冲的防溜系统协调器及其数据处理方法，可实现防溜系统协调器对接收到的数据进行缓冲、检查与优化，有效提高了数据传输的稳定性、可靠性，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：
一种基于Zigbee通信数据缓冲的防溜系统协调器，它包括微控制器MCU、ZigBee通信模块和W5100网络接口芯片，所述的微控制器MCU包括CPU、RAM存储器；MCU的串口引脚TXD、RXD分别与W5100网络接口芯片的串口引脚RXD、TXD相连接，进行基于UART协议的串口通信；MCU的串口引脚SCLK、MOSI、MISO、SS分别与W5100网络接口芯片的串口引脚SCLK、MOSI、MISO、SS相连接，进行基于SPI协议的串口通信；所述的防溜系统协调器中ZigBee通信模块与各路由器、智能铁鞋中的ZigBee通信模块进行基于ZigBee协议的无线通信；所述的W5100网络接口芯片内部集成有10/100Mbps以太网控制器，通过以太网接口与智能防溜监控主机相连接，基于TCP/IP协议进行通信，将数据上传到智能防溜监控主机。
优选的，该方法具体步骤包括：
(1)、建立缓冲队列：CPU先在RAM中分配一块存储区，新建一个循环队列，队列长度L，队列头指针f，队列尾指针r，元素个数C；再初始化循环队列，队列头指针f＝0，队列尾指针r＝0，元素个数C＝0；
(2)、数据接收及缓冲内容优化：防溜系统协调器中ZigBee通信模块接收到智能铁鞋发送来的数据帧，CPU将数据帧与历史数据对比，进行错误帧、重复帧的检查判断及缓冲内容的优化，再依次存入循环队列；
(3)、数据发送：CPU判断防溜系统协调器工作模式，根据防溜系统协调器的不同的工作模式，将优化后的数据通过W5100网络接口芯片发送到智能防溜监控主机；
具体的，所述步骤(2)中错误帧、重复帧的检查判断具体包括以下内容：(1-1)、当ZigBee通信模块接收到一个数据帧Q(x)时，ZigBee模块通过UART通信将数据帧Q(x)发送到MCU的串口缓冲区，CPU从串口缓冲区读出Q(x)中报警状态信息与模拟量信息；
(1-2)、CPU校验数据帧Q(x)中的报警状态信息与模拟量信息是否一致，若不一致，则返回至步骤(1-1)等待接收新的数据；若一致，则进行下一步；
(1-3)、CPU读取指针h指向的队列位置中的数据帧Q(h)，其中指针h依次指向队列头指针f的前n个元素，即h＝(f-i+L)％L，其中i＝1,2,3,…,n，取出这n个数据帧，分别比较此数据帧Q(h)是否与数据帧Q(x)重复，若重复，则返回至步骤(1-1)等待接收新的数据；若不重复，则进行下一步；
(1-4)、CPU将此数据帧Q(x)存入队列尾指针r指向的队列位置，一个数据帧占用一个队列元素位置；
(1-5)、将队列尾指针加1后除以队列长度L取余数，即r＝(r+1)％L，队列元素加1，即C＝C+1；
(1-6)、重复上述步骤(1-1)至(1-5)；
具体的，步骤(3)中防溜系统协调器在进行数据上传时分别有两种工作模式，定时更新模式和交互更新模式：定时更新模式下，数据定时上传至智能防溜监控主机，传输速度快；互更新模式下，数据传输需要一定的响应时间，支持断点续传；
发送数据前，CPU先判断防溜系统协调器工作模式，再根据不同的工作模式进行数据发送，具体包括以下步骤：
(2-1)、从循环队列中取出数据前，先判断队列是否为空，即元素个数C是否为零，若队列为空即C＝0，则延时后返回重新判断队列是否为空；若队列不为空，则读取头指针f指向的队列位置中的数据帧Q(f)；
(2-2)、CPU判断协调器是否设置工作模式为定时更新模式，即工作模式标志w＝0？若是，则跳到步骤(2-4)进入定时更新模式；若不是，则进行下一步；
(2-3)、CPU判断协调器是否设置工作模式为交互更新模式，即工作模式标志w＝1？若是，则跳到步骤(2-5)进入交互更新模式；若不是，则返回至步骤(2-2)重新判断；
(2-4)、定时更新模式：CPU通过W5100网络接口芯片以TCP/IP协议形式将数据帧Q(f)发送给智能防溜监控主机，经过设定时延Td后，跳到步骤(2-6)；
(2-5)、交互更新模式：CPU通过W5100网络接口芯片以TCP/IP协议形式将数据帧Q(f)发送给智能防溜监控主机后，等待智能防溜监控主机返回的读取标志flag：0为失败，1为成功，若接收到的flag为0，表示智能防溜监控主机接收失败，则返回重新发送数据帧Q(f)，若接收到的flag为1，表示智能防溜监控主机接收成功，跳到步骤(2-6)；
(2-6)、将队列头指针加1后除以队列长度L取余数，即f＝(f+1)％L，队列元素减1，即C＝C-1；
(2-7)、返回步骤(2-1)，重复上述步骤。
具体的，步骤(1-2)中CPU判断数据帧Q(x)中的报警状态信息与模拟量信息是否一致时，报警状态信息包括放置不到位报警位E1，压鞋报警位E2、被盗报警位E3及溜逸报警位E4，其中，报警位的值若为1则表示报警事件发生，若为0则表示报警事件未发生；模拟量信息包括车轮至铁鞋的距离数据D，单位为mm；溜逸距离数据S，单位为mm；压力数据F，单位为牛顿；X、Y、Z三方向的加速度数据Gx、Gy、Gz，单位为重力加速度g，具体判断步骤如下：
1)由模拟量信息距离、压力和加速度计算出判断标志F1,F2,F3,F4，具体公式如下：
其中：F1表示放置不到位报警判断标志；F2表示压鞋报警判断标志；F3表示被盗报警判断标志；F4表示溜逸报警判断标志；g(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；
2)判断数据帧中报警状态信息的放置不到位报警位E1、压鞋报警位E2、被盗报警位E3及溜逸报警位E4与对应的判断标志F1,F2,F3,F4是否相等，若相等，即：
则表示数据帧时Q(x)中的报警状态信息与模拟量信息一致；
若有一项不相等，则表示数据帧时Q(x)中的报警状态信息与模拟量信息不一致。
具体的，步骤(1)中，循环队列长度L根据RAM的大小，取值30。
具体的，步骤(1-3)中，判断重复帧时查询之前的数据帧个数n取值20。
本发明的有益效果：
本发明的一种基于Zigbee通信数据缓冲的防溜系统协调器及其数据处理方法，本发明是一套基于高效、易操作、可靠性高的一种基于Zigbee通信数据缓冲的防溜系统协调器及其数据处理方法，可实现防溜系统协调器对接收到的数据进行缓冲、检查与优化，有效提高了数据传输的稳定性、可靠性，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是本发明的数据接收与检查优化流程图。
图3是本发明的数据上传流程图。
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Zigbee通信数据缓冲的防溜系统协调器，它包括微控制器MCU(优先选用型号为STM32F103RBT6)、ZigBee通信模块(优先选用型号为F8913D)和W5100网络接口芯片，所述的微控制器MCU包括CPU、RAM存储器等；MCU的串口引脚TXD、RXD分别与W5100网络接口芯片的串口引脚RXD、TXD相连接，进行基于UART协议的串口通信；MCU的串口引脚SCLK、MOSI、MISO、SS分别与W5100网络接口芯片的串口引脚SCLK、MOSI、MISO、SS相连接，进行基于SPI协议的串口通信；所述的防溜系统协调器中ZigBee通信模块与各路由器、智能铁鞋中的ZigBee通信模块进行基于ZigBee协议的无线通信；所述的W5100网络接口芯片内部集成有10/100Mbps以太网控制器，通过以太网接口与智能防溜监控主机相连接，基于TCP/IP协议进行通信，将数据上传到智能防溜监控主机。
本发明公开了一种基于Zigbee通信数据缓冲的防溜系统协调器的数据处理方法，该方法实现了防溜系统协调器对智能铁鞋无线密集传输数据的缓冲及存取，使数据传输更为可靠高效，具体步骤包括：
(1)、建立缓冲队列：CPU先在RAM中分配一块存储区，新建一个循环队列，队列长度L，队列头指针f，队列尾指针r，元素个数C；再初始化循环队列，队列头指针f＝0，队列尾指针r＝0，元素个数C＝0；
(2)、数据接收及缓冲内容优化：防溜系统协调器中ZigBee通信模块接收到智能铁鞋发送来的数据帧，CPU将数据帧与历史数据对比，进行错误帧、重复帧的检查判断及缓冲内容的优化，再依次存入循环队列；
(3)、数据发送：CPU将优化后的数据发送到W5100网络接口芯片，再根据不同的工作模式，W5100网络接口芯片将数据发送到智能防溜监控主机；
如图2所示，本发明的一种基于Zigbee通信数据缓冲的防溜系统协调器的数据处理方法，所述步骤(2)中错误帧、重复帧的检查判断具体包括以下内容：
(1-1)、当ZigBee通信模块接收到一个数据帧Q(x)时，ZigBee模块通过UART通信将数据帧Q(x)发送到MCU的串口缓冲区，CPU从串口缓冲区读出Q(x)中报警状态信息与模拟量信息，
(1-2)、CPU校验数据帧Q(x)中的报警状态信息与模拟量信息是否一致？若不一致，则返回至步骤(1-1)等待接收新的数据；若一致，则进行下一步；
(1-3)、CPU读取指针h指向的队列位置中的数据帧Q(h)，其中指针h依次指向队列头指针f的前n个元素，即h＝(f-i+L)％L，其中i＝1,2,3,…,n，取出这n个数据帧，分别比较此数据帧Q(h)是否与数据帧Q(x)重复？若重复，则返回至步骤(1-1)等待接收新的数据；若不重复，则进行下一步；
(1-4)、CPU就将此数据帧Q(x)存入队列尾指针r指向的队列位置，一个数据帧占用一个队列元素位置；
(1-5)、将队列尾指针加1后除以队列长度L取余数，即r＝(r+1)％L，队列元素加1，即C＝C+1；
(1-6)、重复上述步骤(1-1)至(1-5)；
如图3所示，本发明的一种基于Zigbee通信数据缓冲的防溜系统协调器的数据处理方法，步骤(2)中具体包括以下内容：ZigBee通信数据终端在进行数据上传时分别有两种工作模式，定时更新模式和交互更新模式：定时更新模式下，数据定时上传至智能防溜监控主机，传输速度快；互更新模式下，数据传输需要一定的响应时间，支持断点续传。发送数据前，CPU先判断防溜系统协调器工作模式，再根据不同的工作模式进行数据发送，具体包括以下步骤：
(2-1)、从循环队列中取出数据前，先判断队列是否为空，即元素个数C是否为零，若队列为空(C＝0)，则延时后返回重新判断队列是否为空；若队列不为空，则读取头指针f指向的队列位置中的数据帧Q(f)；
(2-2)、CPU判断协调器是否设置工作模式为定时更新模式，即工作模式标志w＝0？若是，则跳到步骤(2-4)进入定时更新模式；若不是，则进行下一步；
(2-3)、CPU判断协调器是否设置工作模式为交互更新模式，即工作模式标志w＝1？若是，则跳到步骤(2-5)进入交互更新模式；若不是，则返回至步骤(2-2)重新判断；
(2-4)、定时更新模式：CPU通过W5100网络接口芯片以TCP/IP协议形式将数据帧Q(f)发送给智能防溜监控主机，经过设定时延Td后，跳到步骤(2-6)；
(2-5)、交互更新模式：CPU通过W5100网络接口芯片以TCP/IP协议形式将数据帧Q(f)发送给智能防溜监控主机后，等待智能防溜监控主机返回的读取标志flag(0为失败，1为成功)，若接收到的flag为0，表示监控主机接收失败，则返回重新发送数据帧Q(f)，若接收到的flag为1，表示监控主机接收成功，跳到步骤(2-6)；
(2-6)、将队列头指针加1后除以队列长度L取余数，即f＝(f+1)％L，队列元素减1，即C＝C-1；
(2-7)、返回步骤(2-1)，重复上述步骤；
本发明的一种基于Zigbee通信数据缓冲的防溜系统协调器及其数据处理方法，步骤(1-2)中CPU判断数据帧Q(x)中的报警状态信息与模拟量信息是否一致时，报警状态信息包括放置不到位报警位E1，压鞋报警位E2、被盗报警位E3及溜逸报警位E4，其中，报警位的值若为1则表示报警事件发生，若为0则表示报警事件未发生；模拟量信息包括车轮至铁鞋的距离数据D(单位为mm)、溜逸距离数据S(单位为mm)、压力数据F(单位为牛顿)和X、Y、Z三方向的加速度数据Gx、Gy、Gz(单位为重力加速度g)，具体判断步骤如下：
1)由模拟量信息距离、压力和加速度计算出判断标志F1,F2,F3,F4，具体公式如下：
其中：F1表示放置不到位报警判断标志；F2表示压鞋报警判断标志；F3表示被盗报警判断标志；F4表示溜逸报警判断标志；g(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；
2)判断数据帧中报警状态信息的放置不到位报警位E1、压鞋报警位E2、被盗报警位E3及溜逸报警位E4与对应的判断标志F1,F2,F3,F4是否相等，若相等，即：
则表示数据帧时Q(x)中的报警状态信息与模拟量信息一致；
若有一项不相等，则表示数据帧时Q(x)中的报警状态信息与模拟量信息不一致。
本发明的一种基于Zigbee通信数据缓冲的防溜系统协调器及其数据处理方法，步骤(1)中，循环队列长度L根据RAM的大小，取值30。步骤(1-3)中，判断重复帧时查询之前的数据帧个数n取值20。
本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (7)

1.一种基于Zigbee通信数据缓冲的防溜系统协调器，其特征是它包括微控制器MCU、ZigBee通信模块和W5100网络接口芯片，所述的微控制器MCU包括CPU、RAM存储器；MCU的串口引脚TXD、RXD分别与W5100网络接口芯片的串口引脚RXD、TXD相连接，进行基于UART协议的串口通信；MCU的串口引脚SCLK、MOSI、MISO、SS分别与W5100网络接口芯片的串口引脚SCLK、MOSI、MISO、SS相连接，进行基于SPI协议的串口通信；所述的防溜系统协调器中ZigBee通信模块与各路由器、智能铁鞋中的ZigBee通信模块进行基于ZigBee协议的无线通信；所述的W5100网络接口芯片内部集成有10/100Mbps以太网控制器，通过以太网接口与智能防溜监控主机相连接，基于TCP/IP协议进行通信，将数据上传到智能防溜监控主机。
2.一种基于Zigbee通信数据缓冲的防溜系统协调器的数据处理方法，其特征是该方法具体步骤包括：
(1)、建立缓冲队列：CPU先在RAM中分配一块存储区，新建一个循环队列，队列长度L，队列头指针f，队列尾指针r，元素个数C；再初始化循环队列，队列头指针f＝0，队列尾指针r＝0，元素个数C＝0；
(2)、数据接收及缓冲内容优化：防溜系统协调器中ZigBee通信模块接收到智能铁鞋发送来的数据帧，CPU将数据帧与历史数据对比，进行错误帧、重复帧的检查判断及缓冲内容的优化，再依次存入循环队列；
(3)、数据发送：CPU判断防溜系统协调器工作模式，根据防溜系统协调器的不同的工作模式，将优化后的数据通过W5100网络接口芯片发送到智能防溜监控主机。
3.根据权利要求2所述的一种基于Zigbee通信数据缓冲的防溜系统协调器的数据处理方法，其特征是所述步骤(2)中错误帧、重复帧的检查判断具体包括以下内容：
(1-1)、当ZigBee通信模块接收到一个数据帧Q(x)时，ZigBee模块通过UART通信将数据帧Q(x)发送到MCU的串口缓冲区，CPU从串口缓冲区读出Q(x)中报警状态信息与模拟量信息；
(1-2)、CPU校验数据帧Q(x)中的报警状态信息与模拟量信息是否一致，若不一致，则返回至步骤(1-1)等待接收新的数据；若一致，则进行下一步；
(1-3)、CPU读取指针h指向的队列位置中的数据帧Q(h)，其中指针h依次指向队列头指针f的前n个元素，即h＝(f-i+L)％L，其中i＝1,2,3,…,n，取出这n个数据帧，分别比较此数据帧Q(h)是否与数据帧Q(x)重复，若重复，则返回至步骤(1-1)等待接收新的数据；若不重复，则进行下一步；
(1-4)、CPU将此数据帧Q(x)存入队列尾指针r指向的队列位置，一个数据帧占用一个队列元素位置；
(1-5)、将队列尾指针加1后除以队列长度L取余数，即r＝(r+1)％L，队列元素加1，即C＝C+1；
(1-6)、重复上述步骤(1-1)至(1-5)。
4.根据权利要求2所述的一种基于Zigbee通信数据缓冲的防溜系统协调器的数据处理方法，其特征是步骤(3)中防溜系统协调器在进行数据上传时分别有两种工作模式，定时更新模式和交互更新模式：定时更新模式下，数据定时上传至智能防溜监控主机，传输速度快；互更新模式下，数据传输需要一定的响应时间，支持断点续传；
发送数据前，CPU先判断防溜系统协调器工作模式，再根据不同的工作模式进行数据发送，具体包括以下步骤：
(2-1)、从循环队列中取出数据前，先判断队列是否为空，即元素个数C是否为零，若队列为空即C＝0，则延时后返回重新判断队列是否为空；若队列不为空，则读取头指针f指向的队列位置中的数据帧Q(f)；
(2-2)、CPU判断协调器是否设置工作模式为定时更新模式，若是，则跳到步骤(2-4)进入定时更新模式；若不是，则进行下一步；
(2-3)、CPU判断协调器是否设置工作模式为交互更新模式，若是，则跳到步骤(2-5)进入交互更新模式；若不是，则返回至步骤(2-2)重新判断；
(2-4)、定时更新模式：CPU通过W5100网络接口芯片以TCP/IP协议形式将数据帧Q(f)发送给智能防溜监控主机，经过设定时延Td后，跳到步骤(2-6)；
(2-5)、交互更新模式：CPU通过W5100网络接口芯片以TCP/IP协议形式将数据帧Q(f)发送给智能防溜监控主机后，等待智能防溜监控主机返回的读取标志flag：0为失败，1为成功，若接收到的flag为0，表示智能防溜监控主机接收失败，则返回重新发送数据帧Q(f)，若接收到的flag为1，表示智能防溜监控主机接收成功，跳到步骤(2-6)；
(2-6)、将队列头指针加1后除以队列长度L取余数，即f＝(f+1)％L，队列元素减1，即C＝C-1；
(2-7)、返回步骤(2-1)，重复上述步骤。
5.根据权利要求3所述的一种基于Zigbee通信数据缓冲的防溜系统协调器的数据处理方法，其特征是步骤(1-2)中CPU判断数据帧Q(x)中的报警状态信息与模拟量信息是否一致时，报警状态信息包括放置不到位报警位E1，压鞋报警位E2、被盗报警位E3及溜逸报警位E4，其中，报警位的值若为1则表示报警事件发生，若为0则表示报警事件未发生；模拟量信息包括车轮至铁鞋的距离数据D，单位为mm；溜逸距离数据S，单位为mm；压力数据F，单位为牛顿；X、Y、Z三方向的加速度数据Gx、Gy、Gz，单位为重力加速度g，具体判断步骤如下：
1)由模拟量信息距离、压力和加速度计算出判断标志F1,F2,F3,F4，具体公式如下：
其中：F1表示放置不到位报警判断标志；F2表示压鞋报警判断标志；F3表示被盗报警判断标志；F4表示溜逸报警判断标志；g(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；
2)判断数据帧中报警状态信息的放置不到位报警位E1、压鞋报警位E2、被盗报警位E3及溜逸报警位E4与对应的判断标志F1,F2,F3,F4是否相等，若相等，即：
则表示数据帧时Q(x)中的报警状态信息与模拟量信息一致；
若有一项不相等，则表示数据帧时Q(x)中的报警状态信息与模拟量信息不一致。
6.根据权利要求2所述的一种基于Zigbee通信数据缓冲的防溜系统协调器的数据处理方法，其特征是步骤(1)中，循环队列长度L根据RAM的大小，取值30。
7.根据权利要求3所述的一种基于Zigbee通信数据缓冲的防溜系统协调器的数据处理方法，其特征是步骤(1-3)中，判断重复帧时查询之前的数据帧个数n取值20。
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