CN108093379B - 一种基于LoRa的列车门监控终端及其系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于LoRa的列车门监控终端及其系统，所述列车门监控终端包括：电源模块、主控模块、磁感检测模块、功率放大模块和LoRa收发模块，所述电源模块分别与所述主控模块、磁感检测模块和功率放大模块相连接，所述磁感检测模块、功率放大模块和LoRa收发模块分别与所述主控模块相连接，所述功率放大模块与所述LoRa收发模块相连接。本发明通过基于LoRa的列车门监控终端，可以有效监测列车门的状态及其异常，配合LoRa扩频通讯传输技术，可以实现无线部署安装，从而有效实现全车车门监测系统，实现全面监控；本发明能够实现对列车门的有效监测，能够尽量减少丢包率严重的问题，并且不会与列车上其他的无线设备相冲突。
Description
技术领域
本发明涉及一种列车门监控装置，尤其涉及一种基于LoRa的列车门监控终端，并涉及包括了该基于LoRa的列车门监控终端的列车门监控系统。
背景技术
目前所有运营的火车，尤其是绿皮车，有很多是没有配备列车门异常检测系统的，因此，驾驶员难以全面掌握车门状态，不能及时发现和解决故障。因此，需要对现有没有配备列车门异常检测的火车进行列车门监控改造，但对于技术层面来说，存在以下几点需要解决的问题：一、由于或者经常出现调换的情况，因此采用有线传输的方式并不可行；二、若采用无线传输的方式，需要考虑火车车厢环境为屏蔽性很强的钢铁材质构成，因此一般的无线通讯方式，如WIFI、蓝牙或zigbee等会存在丢包率严重等弊端；三、由于火车上电气设备较多、同时有其他无线设备在使用，因此采用如WIFI、蓝牙或zigbee等无线通讯方式的噪音干扰会比较大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是需要提供一种能够有效监控列车门状态及异常，并能够实现无线部署安装的基于LoRa的列车门监控终端，并提供包括了该基于LoRa的列车门监控终端的列车门监控系统。
对此，本发明提供一种基于LoRa的列车门监控终端，包括：电源模块、主控模块、磁感检测模块、功率放大模块和LoRa收发模块，所述电源模块分别与所述主控模块、磁感检测模块和功率放大模块相连接，所述磁感检测模块、功率放大模块和LoRa收发模块分别与所述主控模块相连接，所述功率放大模块与所述LoRa收发模块相连接。
本发明的进一步改进在于，所述功率放大模块包括开关控制单元，所述LoRa收发模块的接收端和发射端分别通过所述开关控制单元连接至所述功率放大模块。
本发明的进一步改进在于，还包括后备电池电压检测模块，所述后备电池电压检测模块与所述电源模块相连接。
本发明的进一步改进在于，还包括看门狗模块，所述看门狗模块与所述主控模块相连接。
本发明的进一步改进在于，所述电源模块包括功率放大供电单元和主控供电单元，所述功率放大供电单元分别与所述主控模块和功率放大模块相连接，所述主控供电单元与所述主控模块相连接。
本发明的进一步改进在于，所述磁感检测模块包括干簧管U1028和上拉电阻R54，所述干簧管U1028的一端通过上拉电阻R54连接至上电位端，所述干簧管U1028的另一端接地；所述干簧管U1028靠近上拉电阻R54的一端连接至所述主控模块。
本发明的进一步改进在于，所述LoRa收发模块包括LoRa收发单元、滤波单元和天线开关，所述LoRa收发单元的接收端和发射端分别通过滤波单元与所述天线开关相连接。
本发明的进一步改进在于，所述滤波单元包括接收滤波单元和发射滤波单元，所述LoRa收发单元的接收端通过所述接收滤波单元与所述天线开关相连接，所述LoRa收发单元的发射端通过所述发射滤波单元与所述天线开关相连接。
本发明还提供一种基于LoRa的列车门监控系统，包括网络服务器、管理平台、LoRa网关以及如上所述的基于LoRa的列车门监控终端，所述LoRa网关与所述列车门监控终端之间构成星型网络，所述星型结构包括一个所述LoRa网关和多个所述列车门监控终端，所述列车门监控终端和LoRa网关之间的链路通讯采用1路下发和7路接收的方式实现；所述LoRa网关通过网络服务器与所述管理平台实现通讯。
本发明的进一步改进在于，所述列车门监控终端的工作过程为：当所述磁感检测模块的门磁触发中断，执行数据发送，在发送完成后，延时预设时间，并开启一次CAD检测，若未接收到应答数据，则在预设时间后重新开启CAD检测，若正确接收到应答数据则进入睡眠模式；若开启CAD检测的次数超过预设次数，则开启重新发送；所述LoRa网关的工作过程为：接收到所述列车门监控终端的上行信息后，等待预设时间后执行应答，并在下发完成一次后不再重发，若预设次数未发送成功时，则结束重发；所述列车门监控终端与所述LoRa网关之间，发送一次上行数据之后，通过预设次数实现接收窗口，所述LoRa网关选择接收预设次数中接收窗口的任意一次下行数据；其中，所述CAD检测表示信道检测。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：通过基于LoRa的列车门监控终端，可以有效监测列车门的状态及其异常，配合LoRa扩频通讯传输技术，可以实现无线部署安装，从而有效实现全车车门监测系统；并且，还通过LoRa网关内置的4G模块，进而实时将报警信号传输到管理平台，实现全面监控；本发明能够实现对列车门的有效监测，能够尽可能降低通过WIFI、蓝牙或zigbee等方式所带来的丢包率严重的风险，并且不会与列车上其他的无线设备相冲突。
附图说明
图1是本发明一种实施例的电路结构框图；
图2是本发明一种实施例的电源模块的电路原理图；
图3是本发明一种实施例的主控模块的电路原理图；
图4是本发明一种实施例的磁感检测模块的电路原理图；
图5是本发明一种实施例的功率放大模块的电路原理图；
图6是本发明一种实施例的LoRa收发模块的电路原理图；
图7是本发明一种实施例的后备电池电压检测模块的电路原理图；
图8是本发明一种实施例的看门狗模块的电路原理图；
图9是本发明一种实施例的开关控制模块的电路原理图；
图10是本发明一种实施例的指示模块的电路原理图；
图11是本发明一种实施例的系统结构原理示意图；
图12是本发明一种实施例的列车门监控终端的工作过程示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的较优的实施例作进一步的详细说明。
如图1至图6所示，本例提供一种基于LoRa的列车门监控终端，包括：电源模块1、主控模块2、磁感检测模块3、功率放大模块4和LoRa收发模块5，所述电源模块1分别与所述主控模块2、磁感检测模块3和功率放大模块4相连接，所述磁感检测模块3、功率放大模块4和LoRa收发模块5分别与所述主控模块2相连接，所述功率放大模块4与所述LoRa收发模块5相连接。
如图2所示，本例所述电源模块1包括功率放大供电单元11和主控供电单元12，所述功率放大供电单元11分别与所述主控模块2和功率放大模块4相连接，所述主控供电单元12与所述主控模块2相连接。
本例所述电源模块1的芯片没有使用LDO进行电压转换，而是采用3.0V电池直接供电的方式，这样能够有利于节省功耗。图2中，所述功率放大供电单元11中的VDD_PA为所述功率放大模块4（PA模块）的供电输入，其由所述主控模块2的主控芯片U8来控制通断。所述主控供电单元12为所述主控模块2的主控芯片U8的供电电路，通过该主控供电单元12实现供电无需经过LDO稳压，就能够直接供给所述主控芯片U8供电；优选的，由外部看门狗控制供电MOS管的使能脚。
本例所述主控模块2由最小系统各部分构成，如图3所示，基于实际应用环境的要求和可靠性的考虑，本例所述主控模块2的主控芯片U8（STM8L151C6）上设置有屏蔽罩。
如图4所示，本例所述磁感检测模块3包括干簧管U1028和上拉电阻R54，所述干簧管U1028的一端通过上拉电阻R54连接至上电位端，所述干簧管U1028的另一端接地；所述干簧管U1028靠近上拉电阻R54的一端连接至所述主控模块2。当磁石靠近时，吸合干簧管U1028，输出电压跳变。同理，磁石离开时，断开干簧管U1028。
如图5所示，本例所述功率放大模块4包括开关控制单元41，所述LoRa收发模块5的接收端和发射端分别通过所述开关控制单元41连接至所述功率放大模块4。
如图6所示，本例所述LoRa收发模块5包括LoRa收发单元51、滤波单元和天线开关52，所述LoRa收发单元51的接收端和发射端分别通过滤波单元与所述天线开关52相连接。所述滤波单元优选包括接收滤波单元53和发射滤波单元54，所述LoRa收发单元51的接收端通过所述接收滤波单元53与所述天线开关52相连接，所述LoRa收发单元51的发射端通过所述发射滤波单元54与所述天线开关52相连接。
图6为LoRa接收和发射的电路原理图，所述LoRa收发模块5包括LoRa芯片U19（SX1278），其中，所述LoRa收发单元51的BYPASS RX为接收端，所述LoRa收发单元51的1278TX为发射端。LoRa芯片U19（SX1278）的接收端和发射端通过滤波网络连接到天线开关52，由天线开关52控制报警器为接收还是发射。
图5和图6中，所述LoRa收发模块5的LoRa芯片U19（SX1278）的接收端连接到所述天线开关52的芯片U18的RF1，发射端连接到所述天线开关52的芯片U21的RF1。若要使所述列车门监控终端处于接收状态，则使所述天线开关52的控制信号RXTX-RF为低电平，此时天线开关52的芯片U18的RFC与RF1导通，即处于接收状态；所述列车门监控终端有两种发射状态，一种是不使用功率放大器发射：使控制信号PA TX Control为低电平，并且控制信号RXTX-RF为高电平时，所述天线开关52的芯片U18的RFC与RF2导通，天线开关52的芯片U21的RF1与RFC导通，天线开关52的芯片U24的RFC与RF2导通，此时所述列车门监控终端即处于不使用功率放大器发射状态，发射功率为18dBm；另一种是使用功率放大器发射：使控制信号PA TX Control为高电平，并且控制信号RXTX-RF为高电平时，天线开关52的芯片U18的RFC与RF1导通，天线开关52的芯片U21的RF2与RFC导通，天线开关52的芯片天U24的RFC与RF2导通，此时所述列车门监控终端即处于使用功率放大器发射状态，信号通过天线开关52的芯片U21连接到功率放大芯片的输入端上，功率放大的输出连接到天线开关52的芯片U18，信号经过放大后发射功率为27dBm。可选的发射方式可以降低所述列车门监控终端发射时的功耗，当接收到LoRa网关的信号时，读取信号强度值可以大致判断所述列车门监控终端与LoRa网关的距离，如果距离较近，则所述列车门监控终端的信号不通过功率放大器发射出去，如果距离较远，则使用功率放大器发射。
如图7和图8所示，本例还包括后备电池电压检测模块6和看门狗模块7，所述后备电池电压检测模块6与所述电源模块1相连接，所述看门狗模块7与所述主控模块2相连接。
本例所述看门狗模块7用于守护所述主控模块2的主控芯片U8的主程序稳定运行。每个10分钟，通过clk一线式指令喂一次看门狗；若连续超过20分钟没有喂狗，所述看门狗模块7将通过NRST拉低所述主控芯片U8的供电使能脚，断电重启所述主控芯片U8，达到稳定运行的目的。
如图9和图10所示，本例还优选包括开关控制模块8和指示模块9，所述开关控制模块8和指示模块9分别与所述主控模块2相连接，进而实现对所述列车门监控终端的开关控制以及LED指示功能，便于实际使用。
如图11所示，本例还提供一种基于LoRa的列车门监控系统，包括网络服务器、管理平台、LoRa网关以及如上所述的基于LoRa的列车门监控终端，所述LoRa网关与所述列车门监控终端之间构成星型网络，所述星型结构包括一个所述LoRa网关和多个所述列车门监控终端，所述列车门监控终端和LoRa网关之间的链路通讯采用1路下发和7路接收的方式实现；所述LoRa网关通过网络服务器与所述管理平台实现通讯。
本例所述基于LoRa的列车门监控终端（简称列车门监控终端）的工作方式为：当所述磁感检测模块3检测到开关门的电信号，所述主控模块2的主控芯片U8接收该信号后，启用所述LoRa收发模块5的LoRa芯片U19和所述功率放大模块4将该信息上传至所述LoRa网关。
如图11所示，本例所述LoRa网关用于实现车门异常告警、车门最后状态、检测车辆运动状态、GPS定位功能、终端离线告警以及终端低电告警等功能；所述列车门监控终端用于实现车门状态检测、低电告警、车门异常告警、心跳功能以及匹配车厢ID等功能；所述工控机用于实现显示车门状态、设置调配车厢、显示车门异常告警信息、显示终端离线告警信息、显示终端电池电量信息以及显示终端低电告警信息等功能；所述管理平台用于实现、车门状态、设置调配车厢、车门异常告警信息、终端离线告警、终端电池电量、终端低电告警、车辆静止/运动状态、车辆实时位置、车辆速度、车辆历史轨迹以及统计车门状态等功能。
本例基于LoRaWAN广域通讯、互联网和大数据处理等多项技术，打造从感知层到应用层两者之间完整的物联网无线通讯解决方案，适用于广域物联网无线通讯平台，具有可网管、远距离、高容量、低功耗、低成本以及抗干扰等特性。物联网平台解决方案包括：网络服务器(Network Server)、网关(Gateway)、终端(Node)、开源的云端SDK开发包、开源的终端SDK开发包，以及配套的测试工具＆协议分析软件（Sniffer）。本例具体的解决方案系统架构为：网络服务器、管理平台、LoRa网关以及列车门监控终端等，如图11所示。
从图11可以看出，LoRa网关与所述列车门监控终端之间构成星型网络，在星型结构中，包含一个中心节点（即网络协调器）和多个终端节点，这是由于网关在该网络中具备协调器的功能，即本例中的LoRa网关充当中心节点，所述列车门监控终端为终端节点。为了提高并发性能和减少网络延时，本例在硬件上采用7路接收和1路下发的方式。当所述列车门监控终端检测到列车门的状态改变，经由LoRa网络传送至所述LoRa网关，所述LoRa网关解析相关数据后通过其内置的4G模块上传至所述网络服务器，由此通过所述管理平台实现远程监控和预警。
如图12所示，本例所述列车门监控终端的工作过程为：当所述磁感检测模块3的门磁触发中断，执行数据发送，在发送完成后，延时预设时间，并开启一次CAD检测，若未接收到应答数据，则在预设时间后重新开启CAD检测，若正确接收到应答数据则进入睡眠模式；若开启CAD检测的次数超过预设次数，则开启重新发送；其中，所述CAD检测表示信道检测。
本例所述预设时间优选设置为2s，所述预设次数设置为大于2的自然数；当然，根据实际要求的不同，用户可以自定义修改该预设时间和预设次数。
本例所述LoRa网关的工作过程为：接收到所述列车门监控终端的上行信息后，表示所述LoRa芯片U19（SX1278）忙，则等待预设时间后执行应答，如在下一个2 S时刻下发应答消息，并在下发完成一次后不再重发；若预设次数未发送成功时，则结束重发。所述LoRa网关的工作过程中，其预设时间和预设次数的设置与所述列车门监控终端工作过程所设置的预设时间和预设次数保持一致。
值得一提的是，本例所述列车门监控终端与所述LoRa网关之间，发送一次上行数据之后，通过预设次数实现接收窗口，所述LoRa网关选择接收预设次数中接收窗口的任意一次下行数据。
关于安全通信，LoRaWAN一般采用多层加密的方式来解决：独特的网络密钥（EU164），保证网络层安全；独特的应用密钥（EU164），保证应用层终端到终端之间的安全；属于设备的特别密钥（EUI128）。虽然加强了安全性，但是会造成较大的链路损耗和电池损耗；由于在该使用场景中，为达到最远传输距离，采用低速率的模式设置，此时采用LoRaWAN的安全协议将极大增加调制和解调时长，增加功耗；减少了网络容量。
值得一提的是，本例所述列车门监控终端需要传输的数据为车门状态数据，安全性相对不是关键因素，完全可以去除密钥相关协议规定，只需要采用简单的CRC校验，以达到最小化链路消耗和增加输出距离的目的，同时增加了电池的寿命。因此，本例所述LoRa数据传输采用的是CRC校验，无需密钥。
按照现有的LoRaWAN网络协议，根据实际应用的不同，把终端设备划分成A/B/C三类：Class A为双向通信终端设备。这一类的终端设备允许双向通信，每一个终端设备上行传输会伴随着两个下行接收窗口。终端设备的传输槽是基于其自身通信需求，其微调是基于一个随机的时间基准（ALOHA协议）。Class A所属的终端设备在应用时功耗最低，终端发送一个上行传输信号后，服务器能很迅速地进行下行通信，任何时候，服务器的下行通信都只能在上行通信之后。
Class B为具有预设接收槽的双向通信终端设备。这一类的终端设备会在预设时间中开放多余的接收窗口，为了达到这一目的，终端设备会同步从网关接收一个Beacon，通过Beacon将基站与模块的时间进行同步。这种方式能使服务器知晓终端设备正在接收数据。
Class C为具有最大接收槽的双向通信终端设备。这一类的终端设备持续开放接收窗口，只在传输时关闭。
按照Class A、Class B和Class C这三种模式，所述列车门检测终端与LoRa网关之间形成三种时间关系：class A为相对同步；class B为绝对同步；class C为长接收模式，无时间关系。首先，class C模式为长接收模式，LoRa芯片待机功耗为12mA，对于使用电池供电的终端设备而言，这种工作模式是不可接受的；Class B模式，需要网关和每一个终端每隔一段时间（LoRaWAN中规定为128s）进行时间同步校准，但是由于网络延时、晶振品质、开发成本和终端功耗的角度看，该模式不适用于该场景；Class A模式，LoRaWAN中两个接收窗口，从实验数据来看，7路接收和1路下行的LoRa网关，在10s内接收超过18个所述列车门检测终端上行消息情况下，LoRa网关将错过较多终端的下行窗口。造成的结果是终端反复上行，电池损耗严重，信道占用严重，这是无线通讯设备所不能接收的。
综上，Class B和Class C都不能满足本例的要求；因此，本例以Class A模式（相对同步）作为基础，并且对原有的Class A模式进行了改进，由现有技术的一次上行紧接两个接收窗口改进为一次上行数据紧接着N次接收窗口；即所述列车门监控终端与所述LORA网关之间，发送一次上行数据之后，通过预设次数（如N）实现接收窗口，所述LoRa网关选择接收预设次数（如N）中接收窗口的任意一次下行数据，这种方式增大了网络容量，减少所述列车门检测终端和LoRa网关的能量损耗；同时由于应答成功率得以有效增加，提高了整理网络的并发性能。
本例通过基于LoRa的列车门监控终端，可以有效监测列车门的状态及其异常，配合LoRa扩频通讯传输技术，可以实现无线部署安装，从而有效实现全车车门监测系统；并且，还通过LoRa网关内置的4G模块，进而实时将报警信号传输到管理平台，实现全面监控；本例能够实现对列车门的有效监测，能够尽可能降低通过WIFI、蓝牙或zigbee等方式所带来的丢包率严重的风险，并且不会与列车上其他的无线设备相冲突。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种基于LoRa的列车门监控终端，其特征在于，包括：电源模块、主控模块、磁感检测模块、功率放大模块和LoRa收发模块，所述电源模块分别与所述主控模块、磁感检测模块和功率放大模块相连接，所述磁感检测模块、功率放大模块和LoRa收发模块分别与所述主控模块相连接，所述功率放大模块与所述LoRa收发模块相连接；所述电源模块的芯片没有使用LDO进行电压转换，而是采用3.0V电池直接供电；所述磁感检测模块包括干簧管U1028和上拉电阻R54，所述干簧管U1028的一端通过上拉电阻R54连接至上电位端，所述干簧管U1028的另一端接地；所述干簧管U1028靠近上拉电阻R54的一端连接至所述主控模块；所述LoRa收发模块的LoRa芯片U19的接收端连接到天线开关的芯片U18的RF1、发射端连接到所述天线开关的芯片U21的RF1；若要使所述列车门监控终端处于接收状态，则使所述天线开关的控制信号RXTX-RF为低电平，此时所述天线开关的芯片U18的RFC与RF1导通，即处于接收状态；所述列车门监控终端有两种发射状态，一种是不使用所述功率放大模块发射：使控制信号PA TX Control为低电平，并且控制信号RXTX-RF为高电平时，所述天线开关的芯片U18的RFC与RF2导通，天线开关的芯片U21的RF1与RFC导通，天线开关的芯片U24的RFC与RF2导通，此时所述列车门监控终端即处于不使用功率放大模块发射状态；另一种是使用功率放大模块发射：使控制信号PA TX Control为高电平，并且控制信号RXTX-RF为高电平时，天线开关的芯片U18的RFC与RF1导通，天线开关的芯片U21的RF2与RFC导通，天线开关的芯片天U24的RFC与RF2导通，此时所述列车门监控终端即处于使用功率放大模块发射状态，信号通过所述天线开关的芯片U21连接到功率放大芯片的输入端上，功率放大芯片的输出连接到所述天线开关的芯片U18，当接收到LoRa网关的信号时，读取信号强度值判断所述列车门监控终端与LoRa网关的距离，如果距离较近，则所述列车门监控终端的信号不通过功率放大模块发射出去，如果距离较远，则使用功率放大模块发射。
2.根据权利要求1所述的基于LoRa的列车门监控终端，其特征在于，所述功率放大模块包括开关控制单元，所述LoRa收发模块的接收端和发射端分别通过所述开关控制单元连接至所述功率放大模块。
3.根据权利要求1或2所述的基于LoRa的列车门监控终端，其特征在于，还包括后备电池电压检测模块，所述后备电池电压检测模块与所述电源模块相连接。
4.根据权利要求1或2所述的基于LoRa的列车门监控终端，其特征在于，还包括看门狗模块，所述看门狗模块与所述主控模块相连接。
5.根据权利要求1或2所述的基于LoRa的列车门监控终端，其特征在于，所述电源模块包括功率放大供电单元和主控供电单元，所述功率放大供电单元分别与所述主控模块和功率放大模块相连接，所述主控供电单元与所述主控模块相连接。
6.根据权利要求1或2所述的基于LoRa的列车门监控终端，其特征在于，所述LoRa收发模块包括LoRa收发单元、滤波单元和天线开关，所述LoRa收发单元的接收端和发射端分别通过滤波单元与所述天线开关相连接。
7.根据权利要求6所述的基于LoRa的列车门监控终端，其特征在于，所述滤波单元包括接收滤波单元和发射滤波单元，所述LoRa收发单元的接收端通过所述接收滤波单元与所述天线开关相连接，所述LoRa收发单元的发射端通过所述发射滤波单元与所述天线开关相连接。
8.一种基于LoRa的列车门监控系统，其特征在于，包括网络服务器、管理平台、LoRa网关以及如权利要求1至7任意一项所述的基于LoRa的列车门监控终端，所述LoRa网关与所述列车门监控终端之间构成星型网络，所述星型网络包括一个所述LoRa网关和多个所述列车门监控终端，所述列车门监控终端和LoRa网关之间的链路通讯采用1路下发和7路接收的方式实现；所述LoRa网关通过网络服务器与所述管理平台实现通讯。
9.根据权利要求8所述的基于LoRa的列车门监控系统，其特征在于，所述列车门监控终端的工作过程为：当所述磁感检测模块的门磁触发中断，执行数据发送，在发送完成后，延时预设时间，并开启一次CAD检测，若未接收到应答数据，则在预设时间后重新开启CAD检测，若正确接收到应答数据则进入睡眠模式；若开启CAD检测的次数超过预设次数，则开启重新发送；所述LoRa网关的工作过程为：接收到所述列车门监控终端的上行信息后，等待预设时间后执行应答，并在下发完成一次后不再重发，若预设次数未发送成功时，则结束重发；所述列车门监控终端与所述LoRa网关之间，发送一次上行数据之后，通过预设次数实现接收窗口，所述LoRa网关选择接收预设次数中接收窗口的任意一次下行数据；其中，所述CAD检测表示信道检测。
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