CN108198394A - 一种基于循环队列缓存的智能铁鞋数据传输处理方法及通信数据终端 - Google Patents

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叶彦斐
董正凯
陈恒
羊康
陆琳娜
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    • H04W28/10—Flow control between communication endpoints
    • H04W28/14—Flow control between communication endpoints using intermediate storage

Abstract

本发明公开了一种基于循环队列缓存的智能铁鞋数据传输处理方法，首先采用Lora通信数据终端接收各智能铁鞋发送来的数据帧，将数据帧依次存入循环队列；然后对数据帧进行检查与优化，最后根据不同的工作模式，将优化后的数据通过网络接口芯片发送到监控主机。本发明还提出一种Lora通信数据终端，包括MCU、Lora通信模块和网络接口芯片，其中MCU与Lora通信模块进行串口通信，Lora通信模块与各智能铁鞋中的Lora通信单元进行基于Lora协议的无线通信；网络接口芯片通过以太网接口与智能防溜监控主机相连接，将数据上传到智能防溜监控主机。本发明可实现Lora通信数据终端对接收到的数据进行缓存、检查与优化，有效提高了数据传输的稳定性、可靠性。

Description

一种基于循环队列缓存的智能铁鞋数据传输处理方法及通信 数据终端
技术领域
本发明涉及一种基于循环队列缓存的数据处理方法，属于铁路车辆停车防溜监测技术领域。
背景技术
防溜铁鞋是铁路运输部门防止停留车辆溜逸而设置在钢轨与车轮间的固定装置。在实际监测工作中，每个智能铁鞋中设置有Lora通信模块，将监测到的数据通过Lora通信数据终端上传到智能防溜监控主机。当多台智能铁鞋在短时间内向Lora通信数据终端发送数据，就会导致与Lora通信数据终端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，Lora通信数据终端存在以下问题：数据接收与发送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
本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术的缺陷，提出一种基于循环队列缓存的智能铁鞋数据传输处理方法，以及提供一种用于智能铁鞋数据传输的Lora通信数据终端。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种基于循环队列缓存的智能铁鞋数据传输处理方法，具体步骤包括：
(1)、数据接收：采用Lora通信数据终端接收各智能铁鞋发送来的数据帧，将数据帧依次存入循环队列；
(2)、数据检查与优化：将数据帧从循环队列中依次取出，对数据进行错误帧、重复帧的检查及优化；
(3)、数据上传：根据Lora通信数据终端不同的工作模式，将优化后的数据通过网络接口芯片发送到监控主机。
作为本发明的智能铁鞋数据传输处理方法进一步的优化方案，步骤(1)中具体包括以下内容：
(1-1)、分配一块存储区，新建一个循环队列，设队列长度为QS，队列头指针为f，队列尾指针为r，元素个数为C；
(1-2)、初始化循环队列，令队列头指针f＝0，队列尾指针r＝0，元素个数C＝0；
(1-3)、当接收到一个数据帧时，将此数据帧存入队列尾指针r指向的队列位置，一个数据帧占用一个队列元素位置；
(1-4)、将队列尾指针加1后除以队列长度QS取余数，即r＝(r+1)％QS，队列元素加1，即C＝C+1；
(1-5)、重复上述步骤(1-3)、(1-4)，直至所有数据帧接收完毕。
作为本发明的智能铁鞋数据传输处理方法进一步的优化方案，步骤(2)中具体包括以下内容：
(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，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)、读出步骤(2-1)中的数据帧Q(f)中报警状态信息与模拟量信息，判断报警状态信息与模拟量信息是否一致：若一致，则进行下一步；若不一致，则跳到步骤(2-5)；
(2-3)、读取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+QS)％QS，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(f)相同：若不相同，则进行下一步；若相同，则跳到步骤(2-5)；
(2-4)、发送步骤(2-1)中取出的数据帧Q(f)；
(2-5)、将队列头指针加1后除以队列长度QS取余数，即f＝(f+1)％QS，队列元素减1，即C＝C-1；
(2-6)、返回步骤(2-1)，重复上述步骤。
作为本发明的智能铁鞋数据传输处理方法进一步的优化方案，步骤(2-2)中判断报警状态信息与模拟量信息是否一致，具体方法包括以下内容：
设状态信息包括放置到位状态位A1，压鞋报警位E1及溜逸报警位E2，其中，状态位若为1则表示铁鞋状态正常，若为0则表示铁鞋状态异常；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、溜逸距离数据S、压力数据F和X轴方向的加速度数据Gx，其中：距离数据D和溜逸距离数据S的单位为毫米，压力数据F的单位为牛顿，加速度数据Gx的单位为重力加速度g。
具体判断步骤如下：
1)由模拟量信息的距离、压力和加速度计算出判断标志F1,F2,F3，具体公式如下：
其中：F1表示放置到位判断标志；F2表示压鞋报警判断标志；F3表示溜逸报警判断标志；φ(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到位状态位A1、压鞋报警位E1及溜逸报警位E2与判断标志F1,F2,F3是否分别对应相等，若均对应相等，且满足条件F1*(F2+F3)＝0，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；否则，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。
作为本发明的智能铁鞋数据传输处理方法进一步的优化方案，步骤(3)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；其中，
定时更新模式下，通过网络接口芯片以TCP/IP协议形式将数据帧Q(f)发送给监控主机，经过设定时延Td后，再发送下一条数据帧，实现定时发送功能；
交互更新模式下，通过网络接口芯片以TCP/IP协议形式将数据帧Q(f)发送给监控主机后，等待监控主机返回的读取标志flag，若接收到的flag为1，表示监控主机接收成功，则进行下一条数据帧的发送；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)。
作为本发明的智能铁鞋数据传输处理方法进一步的优化方案，步骤(3)发送数据前先判断工作模式，再根据不同的工作模式进行数据发送，具体包括以下步骤：
(301)、判断Lora通信数据终端是否工作于定时更新模式，即判断工作模式标志w＝0：若是，则进入定时更新模式；若不是，则进行下一步；
(302)、判断Lora通信数据终端是否工作于交互更新模式，即判断工作模式标志w＝1：若是，则进入交互更新模式；若不是，则返回步骤(301)。
作为本发明的智能铁鞋数据传输处理方法进一步的优化方案，步骤(1-1)中，循环队列长度QS的取值为30；步骤(2-3)中，判断重复帧时查询之前的数据帧个数n取值15。
本发明还提出一种用于智能铁鞋数据传输的Lora通信数据终端，包括微控制器MCU、Lora通信模块和网络接口芯片，其中微控制器MCU分别与Lora通信模块、网络接口芯片进行串口通信；
所述Lora通信模块，与各智能铁鞋中的Lora通信单元进行基于Lora协议的无线通信，接收各智能铁鞋发送来的数据帧，将数据帧依次存入微控制器MCU中的循环队列；
所述微控制器MCU，用于将数据帧从循环队列中依次取出，对数据进行错误帧、重复帧的检查及优化，并将优化后的数据发送至网络接口芯片；
所述的网络接口芯片，基于TCP/IP协议通过以太网接口与外部智能防溜监控主机进行通信，根据不同的工作模式，将优化后的数据上传到智能防溜监控主机。
作为上述一种用于智能铁鞋数据传输的Lora通信数据终端进一步的优化方案，所述的微控制器MCU包括CPU、SRAM存储器；所述的网络接口芯片为W5100网络接口芯片，内部集成有10/100Mbps以太网控制器。
作为上述一种用于智能铁鞋数据传输的Lora通信数据终端进一步的优化方案，MCU的串口引脚TXD、RXD分别与Lora通信模块串口引脚TXD、RXD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网络接口芯片串口引脚SCLK、MOSI、MISO、SS相连接，进行基于SPI协议的串口通信。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
本发明可实现Lora通信数据终端对接收到的智能铁鞋的数据进行缓存、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流程图。
图3是本发明的数据检查与优化流程图。
图4是本发明的数据上传流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。
首先如图1所示，作为本发明提出的一种用于智能铁鞋数据传输的Lora通信数据终端的一个具体实施方式，其结构包括微控制器MCU(优先选用型号为STM32L151C8T6)、Lora通信模块(优先选用型号为F8L10D)和W5100网络接口芯片，所述的微控制器MCU包括CPU、SRAM存储器；MCU的串口引脚TXD、RXD分别与Lora通信模块串口引脚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Lora通信数据终端中Lora通信模块与各智能铁鞋中的Lora通信模块进行基于Lora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。
缓冲存储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。本发明基于此提出一种基于循环队列缓存的智能铁鞋数据传输处理方法，该方法实现了数据终端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)、数据接收：Lora通信数据终端中Lora通信模块接收到智能铁鞋发送来的数据帧，CPU将数据帧依次存入循环队列；
(2)、数据检查与优化：CPU将数据帧从循环队列中依次取出，对数据进行错误帧、重复帧的检查及优化；
(3)、数据上传：CPU将优化后的数据发送到W5100网络接口芯片，根据Lora通信数据终端不同的工作模式，W5100网络接口芯片将数据发送到监控主机。
如图2所示，作为本发明的一个具体实施例，步骤(1)中具体包括以下内容：
(1-1)、CPU在RAM中分配一块存储区，新建一个循环队列，队列长度QS，队列头指针f，队列尾指针r，元素个数C；
(1-2)、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；
(1-3)、当Lora通信模块接收到一个数据帧时，CPU就将此数据帧存入队列尾指针r指向的队列位置，一个数据帧占用一个队列元素位置；
(1-4)、将队列尾指针加1后除以队列长度QS取余数，即r＝(r+1)％QS，队列元素加1，即C＝C+1；
(1-5)、重复上述步骤(1-3)、(1-4)。
如图3所示，作为本发明的一个具体实施例，步骤(2)中具体包括以下内容：
(2-1)、CPU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读出步骤(2-1)中的数据帧Q(f)中报警状态信息与模拟量信息，判断报警状态信息与模拟量信息是否一致？若一致，则进行下一步；若不一致，则跳到步骤(2-5)；
(2-3)、CPU读取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+QS)％QS，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(f)相同？若不相同，则进行下一步；若相同，则跳到步骤(2-5)；
(2-4)、进入步骤(3)，由CPU通过W5100模块发送步骤(2-1)中取出的数据帧Q(f)；
(2-5)、CPU将队列头指针加1后除以队列长度QS取余数，即f＝(f+1)％QS，队列元素减1，即C＝C-1；
(2-6)、返回步骤(2-1)，重复上述步骤。
作为本发明的进一步实施例，步骤(2-2)中CPU读出步骤(2-1)中的数据帧Q(f)中报警状态信息与模拟量信息，判断报警状态信息与模拟量信息是否一致，具体方法包括以下内容：
设状态信息包括放置到位状态位A1，压鞋报警位E1及溜逸报警位E2，其中，状态位若为1则表示铁鞋状态正常，若为0则表示铁鞋状态异常；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轴方向的加速度数据Gx(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，具体公式如下：
其中：F1表示放置到位判断标志；F2表示压鞋报警判断标志；F3表示溜逸报警判断标志；φ(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到位状态位A1、压鞋报警位E1及溜逸报警位E2与判断标志F1,F2,F3是否分别对应相等，若均对应相等，且满足条件F1*(F2+F3)＝0，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；否则，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。
如图4所示，作为本发明的进一步实施例，上述步骤(2-4)中具体包括以下内容：
Lora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：
(2-4-1)、CPU判断Lora通信数据终端是否工作于定时更新模式，即工作模式标志w＝0？若是，则进入定时更新模式；若不是，则进行下一步；
(2-4-2)、CPU判断Lora通信数据终端是否工作于交互更新模式，即工作模式标志w＝1？若是，则进入交互更新模式；若不是，则返回步骤(2-4-1)。
本发明的Lora通信数据终端在进行数据上传的两种工作模式，Lora通信数据终端工作于定时更新模式时，CPU通过W5100以TCP/IP协议形式将数据帧Q(f)发送给监控主机，经过设定时延Td后，再发送下一条数据帧，实现定时发送功能；Lora通信数据终端工作于交互更新模式时，CPU通过W5100以TCP/IP协议形式将数据帧Q(f)发送给监控主机后，等待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1，表示监控主机接收成功，则进行下一条数据帧的发送；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)。
本发明的一种基于循环队列缓存的Lora通信数据终端及其数据处理方法，优选的，步骤(1-1)中，循环队列长度QS根据RAM的大小，取值30。步骤(2-3)中，判断重复帧时查询之前的数据帧个数n取值15。
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。以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于循环队列缓存的智能铁鞋数据传输处理方法，其特征是，具体步骤包括：
(1)、数据接收：采用Lora通信数据终端接收各智能铁鞋发送来的数据帧，将数据帧依次存入循环队列；
(2)、数据检查与优化：将数据帧从循环队列中依次取出，对数据进行错误帧、重复帧的检查及优化；
(3)、数据上传：根据Lora通信数据终端不同的工作模式，将优化后的数据通过网络接口芯片发送到监控主机。
2.根据权利要求1所述的一种基于循环队列缓存的智能铁鞋数据传输处理方法，其特征是，步骤(1)中具体包括以下内容：
(1-1)、分配一块存储区，新建一个循环队列，设队列长度为QS，队列头指针为f，队列尾指针为r，元素个数为C；
(1-2)、初始化循环队列，令队列头指针f＝0，队列尾指针r＝0，元素个数C＝0；
(1-3)、当接收到一个数据帧时，将此数据帧存入队列尾指针r指向的队列位置，一个数据帧占用一个队列元素位置；
(1-4)、将队列尾指针加1后除以队列长度QS取余数，即r＝(r+1)％QS，队列元素加1，即C＝C+1；
(1-5)、重复上述步骤(1-3)、(1-4)，直至所有数据帧接收完毕。
3.根据权利要求2所述的一种基于循环队列缓存的智能铁鞋数据传输处理方法，其特征是，步骤(2)中具体包括以下内容：
(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，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)、读出步骤(2-1)中的数据帧Q(f)中报警状态信息与模拟量信息，判断报警状态信息与模拟量信息是否一致：若一致，则进行下一步；若不一致，则跳到步骤(2-5)；
(2-3)、读取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+QS)％QS，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(f)相同：若不相同，则进行下一步；若相同，则跳到步骤(2-5)；
(2-4)、发送步骤(2-1)中取出的数据帧Q(f)；
(2-5)、将队列头指针加1后除以队列长度QS取余数，即f＝(f+1)％QS，队列元素减1，即C＝C-1；
(2-6)、返回步骤(2-1)，重复上述步骤。
4.根据权利要求3所述的一种基于循环队列缓存的智能铁鞋数据传输处理方法，其特征是，步骤(2-2)中判断报警状态信息与模拟量信息是否一致，具体方法包括以下内容：
设状态信息包括放置到位状态位A1，压鞋报警位E1及溜逸报警位E2，其中，状态位若为1则表示铁鞋状态正常，若为0则表示铁鞋状态异常；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、溜逸距离数据S、压力数据F和X轴方向的加速度数据Gx，其中：距离数据D和溜逸距离数据S的单位为毫米，压力数据F的单位为牛顿，加速度数据Gx的单位为重力加速度g。
具体判断步骤如下：
1)由模拟量信息的距离、压力和加速度计算出判断标志F1,F2,F3，具体公式如下：
其中：F1表示放置到位判断标志；F2表示压鞋报警判断标志；F3表示溜逸报警判断标志；φ(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到位状态位A1、压鞋报警位E1及溜逸报警位E2与判断标志F1,F2,F3是否分别对应相等，若均对应相等，且满足条件F1*(F2+F3)＝0，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；否则，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。
5.根据权利要求3所述的一种基于循环队列缓存的智能铁鞋数据传输处理方法，其特征是，步骤(3)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；其中，
定时更新模式下，通过网络接口芯片以TCP/IP协议形式将数据帧Q(f)发送给监控主机，经过设定时延Td后，再发送下一条数据帧，实现定时发送功能；
交互更新模式下，通过网络接口芯片以TCP/IP协议形式将数据帧Q(f)发送给监控主机后，等待监控主机返回的读取标志flag，若接收到的flag为1，表示监控主机接收成功，则进行下一条数据帧的发送；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)。
6.根据权利要求5所述的一种基于循环队列缓存的智能铁鞋数据传输处理方法，其特征是，步骤(3)发送数据前先判断工作模式，再根据不同的工作模式进行数据发送，具体包括以下步骤：
(301)、判断Lora通信数据终端是否工作于定时更新模式，即判断工作模式标志w＝0：若是，则进入定时更新模式；若不是，则进行下一步；
(302)、判断Lora通信数据终端是否工作于交互更新模式，即判断工作模式标志w＝1：若是，则进入交互更新模式；若不是，则返回步骤(301)。
7.根据权利要求3所述的一种基于循环队列缓存的智能铁鞋数据传输处理方法，其特征是，步骤(1-1)中，循环队列长度QS的取值为30，步骤(2-3)中，判断重复帧时查询之前的数据帧个数n取值15。
8.一种用于智能铁鞋数据传输的Lora通信数据终端，其特征是，包括微控制器MCU、Lora通信模块和网络接口芯片，其中微控制器MCU分别与Lora通信模块、网络接口芯片进行串口通信；
所述Lora通信模块，与各智能铁鞋中的Lora通信单元进行基于Lora协议的无线通信，接收各智能铁鞋发送来的数据帧，将数据帧依次存入微控制器MCU中的循环队列；
所述微控制器MCU，用于将数据帧从循环队列中依次取出，对数据进行错误帧、重复帧的检查及优化，并将优化后的数据发送至网络接口芯片；
所述的网络接口芯片，基于TCP/IP协议通过以太网接口与外部智能防溜监控主机进行通信，根据不同的工作模式，将优化后的数据上传到智能防溜监控主机。
9.根据权利要求8所述的一种用于智能铁鞋数据传输的Lora通信数据终端，其特征是，所述的微控制器MCU包括CPU、SRAM存储器；所述的网络接口芯片为W5100网络接口芯片，内部集成有10/100Mbps以太网控制器。
10.根据权利要求8所述的一种用于智能铁鞋数据传输的Lora通信数据终端，其特征是，MCU的串口引脚TXD、RXD分别与Lora通信模块串口引脚TXD、RXD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网络接口芯片串口引脚SCLK、MOSI、MISO、SS相连接，进行基于SPI协议的串口通信。
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