CN109455202A - 一种设备舱安全状态智能感知网络系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种设备舱安全状态智能感知网络系统，包括设备舱，所述设备舱包括裙板和底板，其创新点在于：还包括设备舱安全状态处理中心、安全状态智能控制模块、用来检测裙板和底板上紧固件松动或脱落的紧固件状态感知模块和用来检测裙板和底板遭受异物撞击的声波智能识别感知模块，所述紧固件状态感知模块和声波智能识别感知模块分别与安全状态智能控制模块相应的连接端电连接，所述安全状态智能控制模块与设备舱安全状态处理中心通信连接。本发明能够实时监控设备舱安全，并且能够及时发出安装状态信息。
Description
技术领域
本发明涉及一种智能感知网络系统，具体涉及一种设备舱安全状态智能感知网络系统。
背景技术
在列车运行状态下，运行环境恶劣。由于列车的运行速度快，且运行过程中会产生振动和噪声，因此设备舱关键紧固件容易松动/脱落、使得设备舱容易受到来自外界不同物体的撞击或损伤，直接影响列车的行驶安全状态。这些结构性的松动/脱落/损伤必须及时发现并进行修理，以保证列车始终处于良好的使用状态，因此，设备舱的安全问题十分重要。为了确保设备舱的安全性，急需设计一套设备舱安全状态智能感知网络系统。
发明内容
本发明的目的是：提供一种能够实时监控设备舱安全，并且能够及时发出安装状态信息的设备舱安全状态智能感知网络系统。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是：一种设备舱安全状态智能感知网络系统，包括设备舱，所述设备舱包括裙板和底板，其创新点在于：还包括设备舱安全状态处理中心、安全状态智能控制模块、用来检测裙板和底板上紧固件松动或脱落的紧固件状态感知模块和用来检测裙板和底板遭受异物撞击的声波智能识别感知模块，所述紧固件状态感知模块和声波智能识别感知模块分别与安全状态智能控制模块相应的连接端电连接，所述安全状态智能控制模块与设备舱安全状态处理中心通信连接。
在上述技术方案中，所述安全状态智能控制模块包括电源电路，以及由电源电路供电的单片机、开关量信号处理模块、模拟量信号处理模块和RS485通讯接口模块，所述紧固件状态感知模块与开关量信号处理模块相应的输入端电连接，且开关量信号处理模块的输出端与单片机相应的输入端电连接，所述声波智能识别感知模块与模拟量信号处理模块相应的输入端电连接，且模拟量信号处理模块的输出端与单片机相应的输出端电连接，所述单片机通过RS485通讯接口模块与设备舱安全状态处理中心通信连接。
在上述技术方案中，所述紧固件状态感知模块是磁感应传感器或者是位移传感器。
在上述技术方案中，所述开关量信号处理模块包括光电耦合电路，所述紧固件状态感知模块与光电耦合电路的输入端电连接，光电耦合电路的输出端与单片机相应的输入端电连接。
在上述技术方案中，所述模拟量信号处理模块包括低通滤波电路、高通滤波电路、信号放大电路和幅值比较电路，所述声波智能识别感知模块与低通滤波电路的输入端电连接，低通滤波电路的输出端与高通滤波电路的输入端电连接，所述高通滤波电路通过信号放大电路与幅值比较电路电连接，所述幅值比较电路与单片机相应的输入端电连接。
在上述技术方案中，所述设备舱安全状态处理中心包括数据处理模块和通讯模块，所述安全状态智能控制模块与通讯模块通信连接，且数据处理模块与通讯模块通信连接。
在上述技术方案中，所述通讯模块包括D013接口模块、第一RS485接口电路和第二RS485接口电路，所述D013接口模块、第一RS485接口电路和第二RS485接口电路分别与数据处理模块相应的连接端通信连接。
在上述技术方案中，还包括终端设备，所述第二RS485接口电路通过无线传输设备和云端服务器与终端设备通信连接。
在上述技术方案中，所述数据处理模块包括电源和CPU模块，所述电源与CPU模块和D013接口模块电连接，所述D013接口模块、第一RS485接口电路和第二RS485接口电路分别与CPU模块相应的连接端通信连接。
在上述技术方案中，所述数据处理模块还包括MVB控制器复位电路，所述电源为MVB控制器复位电路供电，且MVB控制器复位电路与CPU模块相应的连接端电连接。
本发明所具有的积极效果是：采用本发明的设备舱安全状态智能感知网络系统后，由于本发明还包括设备舱安全状态处理中心、安全状态智能控制模块、用来检测裙板和底板上紧固件松动或脱落的紧固件状态感知模块和用来检测裙板和底板遭受异物撞击的声波智能识别感知模块，所述紧固件状态感知模块和声波智能识别感知模块分别与安全状态智能控制模块相应的连接端电连接，所述安全状态智能控制模块与设备舱安全状态处理中心通信连接；使用前，将设备舱安全状态处理中心与列车对应的网络节点通信连接，使用时，若设备舱的紧固件发生松动或脱落以及设备舱裙板和底部遭受异物撞击，所述紧固件状态感知模块和声波智能识别感知模块会检测到相关的电信号送至安全状态智能控制模块进行处理，且处理后的电信号通过设备舱安全状态处理中心送至列车的网络节点，由网络节点获取信息并进行反馈，本发明能够实时监控设备舱的安全，并且能够及时发出安装状态信息。
附图说明
图1是本发明的一种具体实施方式的系统结构示意图；
图2是本发明的安全状态智能控制模块的电路原理图；
图3是本发明的模拟量信号处理模块的电路原理图；
图4是本发明的设备舱安全状态处理中心的结构示意图；
图5是图4中CPU模块的电路原理图；
图6是与图5连接的扩展只读存储器电路原理图；
图7是图4中电源的电路原理图；
图8是图4中两组RS485接口电路的原理图；
图9是图4中D013接口模块的电路原理图；
图10是本发明的MVB控制器复位电路。
具体实施方式
以下结合附图以及给出的实施例，对本发明作进一步的说明，但并不局限于此。
如图1~10所示，一种设备舱安全状态智能感知网络系统，包括设备舱，所述设备舱包括裙板和底板，还包括设备舱安全状态处理中心1、安全状态智能控制模块2、用来检测裙板和底板上紧固件松动或脱落的紧固件状态感知模块3和用来检测裙板和底板遭受异物撞击的声波智能识别感知模块4，所述紧固件状态感知模块3和声波智能识别感知模块4分别与安全状态智能控制模块2相应的连接端电连接，所述安全状态智能控制模块2与设备舱安全状态处理中心1通信连接。
已有技术中车厢设备舱一般由十个单元组成，每个单元由关键紧固件松动/脱落感知模块和遭受异物撞击的声波智能识别感知模块2种感知模块组成。2个单元组成一个单元组，即构成一个安全状态智能控制模块2。5组安全状态智能控制模块2通过RS485总线组成一节车厢的设备舱安全状态处理中心，构成2级控制模块。处理中心的数据一方面通过MVB与列车通信网络（TCN）连接，另一方面通过2G/4G无线网络可与生产厂、铁路局等授权单位直接连接。
如图2所示，为了方便对采集到的信息进行处理，所述安全状态智能控制模块2包括电源电路21，以及由电源电路21供电的单片机22、开关量信号处理模块23、模拟量信号处理模块24和RS485通讯接口模块25，所述紧固件状态感知模块3与开关量信号处理模块23相应的输入端电连接，且开关量信号处理模块23的输出端与单片机22相应的输入端电连接，所述声波智能识别感知模块4与模拟量信号处理模块24相应的输入端电连接，且模拟量信号处理模块24的输出端与单片机22相应的输出端电连接，所述单片机22通过RS485通讯接口模块25与设备舱安全状态处理中心1通信连接。
以高速列车的头车为例，头车设备舱的底板共13块复合材料底板。其中，第1 - 6块和第8 - 13块为抽拉式底板结构，第7块底板为非抽拉式底板。每块抽拉式底板靠近裙板一侧有2个关键紧固件。因此，头车12块底板的关键紧固件为24个，通过安装磁感应传感器感知底板关键紧固件的松动/脱落情况。本发明中的关键紧固件是指底板靠近裙板侧边上的紧固件。
本发明所述紧固件状态感知模块3是磁感应传感器或者是位移传感器。当所述紧固件感知传感器3是磁感应传感器时，所述设备舱的紧固件设有轴孔，且轴孔内设有磁石，所述磁感应传感器设在紧固件的一侧，且磁感应传感器与紧固件为非接触式，当所述紧固件感知传感器3是位移传感器时，所述位移传感器贴合在紧固件一侧，且位移传感器与紧固件为接触式，当紧固件与紧固件状态感知模块3发生相对位移时，所述紧固件状态感知模块3就会输出相应的电信号。
由于空间大小等原因，本发明主要对关键紧固件部位分别安装防尘磁感应传感器或者是位移传感器2种传感器，抽拉式底板关键紧固件松动/脱落安装防尘无接触磁感应传感器；裙板关键紧固件的松动/脱落安装位移传感器。当紧固件松动或脱落之后，传感器通过感知磁场或位移的变化，发出告知信号，并同时定位松动或脱落的紧固件位置。通过网络实时传输到单元组安全状态智能感知网络系统进行数据的分析、处理、判断，将判断结论报送车厢设备舱安全状态处理中心，以便及时维护。
异物撞击声波智能识别感知模块4由若干个分布在设备舱不同位置的撞击声波传感器组成，用于实时接收撞击声和振动信号，撞击声波传感器直接与安全状态智能控制模块2连接。当有异物撞击设备舱后，在安全状态智能控制模块2中，根据传感器接收到的声波振幅和频率，进行频谱、波络和能量分析，智能识别感知模块4首先区分该声波是车辆运行噪声还是撞击声。若是撞击声，则进一步对撞击发出的声波进行分级，可分为损伤撞击，严重撞击，一般撞击3个级别。对损伤撞击立刻报警（由用户确定报警方式），对严重和一般撞击记录撞击次数、时间，供检查路况参考。
用压电晶体的压电效应可制成压电声波传感器，其中压电晶体的一个极面与设备舱的支架相连接。当声波作用在支架上使其振动时，支架带动压电晶体产生机械振动，使得压电晶体产生随声波大小变化而变化的电压，从而完成声电的转换。由于压电晶体产生的电压较小，可通过放大器将其放大。由于压电晶体受力所产生的电压与外力的大小成正比，因此不同的撞击强度产生的电压不同，撞击越强烈电压越大，可根据电压的大小对撞击发出的声波进行分级。
如图2所示，为了方便处理紧固件状态感知模块3输出的电信号，所述开关量信号处理模块23包括光电耦合电路，所述紧固件状态感知模块3与光电耦合电路的输入端电连接，光电耦合电路的输出端与单片机22相应的输入端电连接。如图2所示，所述开关量信号处理模块23的VIN+输入直流24V电压，VCC接入直流5V电压，DI0，DI1，DI2，DI3分别接入四路用于紧固件检测的传感器。以第一路为例，当DI0端有传感器信号输入，及位移传感器或磁感应传感器的触点闭合，光电耦合电路的左边电路形成通路，且光电耦合电路内的发光二极管发光，使光耦右端导通，P20端口输出0.25V低电平，即单片机端口检测到低电平。
如图2所示，进一步地，为了解析声波智能识别感知模块4输出的信号是否为异物撞击，所述模拟量信号处理模块24包括低通滤波电路241、高通滤波电路242、信号放大电路243和幅值比较电路244，所述声波智能识别感知模块4与低通滤波电路241的输入端电连接，低通滤波电路241的输出端与高通滤波电路242的输入端电连接，所述高通滤波电路242通过信号放大电路243与幅值比较电路244电连接，所述幅值比较电路244与单片机22相应的输入端电连接。sig端为振动信号的输入端，接声波传感器，经过滤波器后的信号再经过放大器SGM8634XS14放大，放大器输出端的信号一方面接入单片机AD采集接口，另一方面经过比较器与基准电压2.5V进行比较。
本发明所述安全状态智能控制模块2主要对感知数据进行分析、处理、判断，并将判断结论通过RS485总线报送车厢设备舱安全状态处理中心1汇总。
高速列车车厢设备舱单侧裙板一般划分为10个单元，每个单元由2路紧固件松动/脱落感知模块、3路异物撞击声波智能识别感知模块组成。2个单元构成一个单元组，一般每个单元组采集4路紧固件松动/脱落信号和6路异物撞击声波数据。5个单元组构成车厢设备舱安全状态处理中心。
头车设备舱由13块碳纤维复合材料底板和20块裙板组成。将头车设备舱按裙板划分为10个单元，每两个单元构成一个安全状态智能控制模块2，其中1单元组、2单元组和5单元组各采集4路紧固件松动/脱落信号和6路异物撞击声波数据；3单元组采集4路紧固件松动/脱落信号；4单元组采集4路紧固件松动/脱落信号和3路异物撞击声波数据。
本发明所述设备舱安全状态处理中心1用于收集5组安全状态智能控制模块2输出的信息，将其汇总、处理、分级并通过有线/无线方式发送给监管人员。有线发送方式是通过多功能车辆总线MVB与每节车厢信息系统进行有线连接；无线发送方式是通过无线传输设备F-BOX发送到云端，然后再通过Internet传输到生产厂、铁路局等授权单位的控制中心或通过4G网发送到手机或电脑，这样可远程诊断、监视所有车辆设备舱安全状态。
本发明所述设备舱安全状态处理中心1包括数据处理模块11和通讯模块12，所述安全状态智能控制模块2与通讯模块12通信连接，且数据处理模块11与通讯模块12通信连接。
所述通讯模块12包括D013接口模块121、第一RS485接口电路122和第二RS485接口电路123，所述D013接口模块121、第一RS485接口电路122和第二RS485接口电路123分别与数据处理模块11相应的连接端通信连接。
本发明还包括终端设备5，所述第二RS485接口电路123通过无线传输设备和云端服务器与终端设备5通信连接。将采集的紧固件松动/脱落信号和异物撞击信号通过第二RS485接口电路123通过无线传输设备F-BOX发送到云端，然后再通过Internet传输到控制中心或通过4G网发送到手机，无需复杂配置，应用简单方便，实现多台远程设备的连接管理、数据采集、存储和传送等功能。
本发明所述数据处理模块11包括电源111和CPU模块112，所述电源111与CPU模块112和D013接口模块121电连接，所述D013接口模块121、第一RS485接口电路122和第二RS485接口电路123分别与CPU模块112相应的连接端通信连接。其中，所述CPU模块112选择STC系列的STC8A8K32S4A12单片机作为控制中心的CPU，当然，并不局限于此，CPU模块也可以选择其它型号或者STC系列中的其它型号的单片机。
如图5所示，本发明的所述数据处理模块11的CPU模块112选择STC系列的STC8A8K32S4A12单片机作为控制中心的CPU，其中19，21两个引脚与电源111直流3.3V输出相连，用于对单片机提供3.3V电压；51，52（RXD3/TXD3）两个引脚用于与D013接口模块进行数据通信； 64，3（RXD2/TXD2）两个引脚与RS485接口电路中的U2通信； 27，28（RXD/TXD）两个引脚与F-BOX的RS485接口电路中的U3通信；23，24两个引脚分别连接两个LED灯，用于调试程序显示或报警用；13，14两个引一接外部24MHZ晶振； 55，56，57三个引脚用于扩展只读存储器U4，如图6所示。36引脚/RST与DO13接口模块复位端/RESET相连，用于在程序中复位D013接口模块中MVB控制器，35引脚/INT为中断脚与D013接口模块中MVB控制器的/INT相连。
如图7所示，在VIN+和VIN-之间输入直流24V电压，经过该模块的变换后，在VO+和OV输出端输出直流3.3V电压，为整个控制电路板提供3.3V电压。
URB2403YMD-10WR3是DC-DC模块，它是该电路的核心。FU1用于过电流保护。二板管D1用于防止24V输入电源接反，以保护DC-DC模块。
电源是电路板干扰的主要入口，因此电源具备抗干扰的作用十分重要。对24V输入电源设计了3重抗干扰，初级滤波C16；瞬态抑制RV1用于抑制高频高压干扰脉冲；再由电感L1、C14、C15成的ㄇ型滤波器，抑制剩余干扰。对3.3V输出本电源设计低频滤波C18、C19和高频滤波C5、C6。另外C7、C8、C11、C12、C13、C9、C10用于芯片电源与地间的去耦合。
如图8是两组RS485接口电路，其中，U3用作CPU与F-BOX之间的数据通信；U2用于CPU与5组安全状态智能控制模块2的数据通信。
MAX3483EESA是RS485接口模块，它使用3.3V电源，具有＋/－15KV人体静电保护功能，传输速率高达2.5Mbps。Z1/Z2是双路30KV静电保护器件，R5、R6、R7及R8、R9、R10是偏压电阻。
如图9所示，该模块用于CPU与MVB总线之间的通信。其中，D013是一个过程数据和消息数据可选的MVB控制器组件，其中物理传输介质可以由使用者选择为ESD或者EMD，其中ESD为用于短距离（传输距离≤20.0 m）传输的单线结构（RS-485）电介质 ；EMD为 用于中距离（传输距离≤200.0m）变压器耦合的传输电介质。随着MVB技术的不断发展，目前ESD已趋向于不再采用，主要以EMD为主，本发明采用EMD传输。目前EMD可以分为“庞巴迪”式和“西门子”式，它们两者有较大的区别，互操作性也有较大的差别。
它有并行，串行和SPI三种接口。MVB控制器和线路收发器经过集成和型式测试，符合TCN标准。
由于采用的是EMD传输介质，所以对X2的接口设计中不使用其他介质的接口，简化了电路。在X2的1、2、9、10、17、18是考虑EMI电磁干扰而设计的，这些屏蔽层与地之间接入4.7nF/250VAC的Y型电容器，同时可以降低噪音。
根据国际电工委员会IEC61375-1中对于EMD介质的MVB连接器要求，每个设备应使用两个9针DB-9的连接器接入。两个连接器分别命名为DB9/M和DB9/F。DB9/M中6，7引脚之间接120欧的阻抗匹配电阻，DB9/F中8，9引脚之间也接了120欧姆的阻抗匹配电阻。
如图10所示，该模块为MVB控制器复位电路，/RESET（X1-21）连接单片机的P3.7，用于复位MVB控制器，安全地停止MVB总线上所有的活动。+3.3V为控制器的直流电源供电输入端，与电路板上的电源模块输出相连。
为了用于复位MVB控制器，安全地停止MVB总线上所有的活动。本发明所述数据处理模块11还包括MVB控制器复位电路113，所述电源111为MVB控制器复位电路113供电，且MVB控制器复位电路113与CPU模块112相应的连接端电连接。
本发明远程信息传输方案具有以下特点：
1、通过电脑PC客户端、手机APP和网页实现远程数据监控，对异常数据实时显示。
2、可通过移动端APP发送异常信息，也可配置短信发送或微信发送。
3、支持历史数据记录，采集和记录登记的监控点的数据，并支持列表曲线的数据展示和常用的统计分析，方便跟踪设备的历史运行状态。并支持断网缓存，网络恢复自动补齐，保证历史数据完整不丢失。
4、接口开放性强，支持 OPC 接口，用户可自行组态；同时开放 HTTP 接口和 SDK接口，用户可自行编程。
5、支持权限分级，可以根据实际需要对不同需求的终端客户分配不同权限，便于设备不同终端客户使用。
6、远程查看设备的运行参数、状态等，可随时查看设备运行情况。
由此可知，设备舱故障状态信息通过无线智能传输设备发送到云端数据中心，生产厂、铁路局等授权单位可通过电脑PC客户端、手机APP和网页实现远程数据监视，对异常信号进行记录和实时显示，同时可通过短信和微信方式发送到维修人员手机，告知异常状态和待维修部位，及时有效地维持设备舱的安全状态，保障铁路运输的安全。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (10)
1.一种设备舱安全状态智能感知网络系统，其特征在于：包括数据处理模块和通讯模块，所述数据处理模块包括电源（1）和CPU模块（2），所述通讯模块包括D013接口模块（3）、第一RS485接口电路（4）和第二RS485接口电路（5），所述电源（1）与CPU模块（2）和D013接口模块（121）电连接，所述D013接口模块（121）、第一RS485接口电路（122）和第二RS485接口电路（123）分别与CPU模块（112）相应的连接端通信连接，所述D013接口模块（121）、第一RS485接口电路（122）和第二RS485接口电路（123）分别与数据处理模块（11）相应的连接端通信连接。
2.根据权利要求1所述的设备舱安全状态智能感知网络系统，其特征在于：所述安全状态智能控制模块（2）包括电源电路（21），以及由电源电路（21）供电的单片机（22）、开关量信号处理模块（23）、模拟量信号处理模块（24）和RS485通讯接口模块（25），所述紧固件状态感知模块（3）与开关量信号处理模块（23）相应的输入端电连接，且开关量信号处理模块（23）的输出端与单片机（22）相应的输入端电连接，所述声波智能识别感知模块（4）与模拟量信号处理模块（24）相应的输入端电连接，且模拟量信号处理模块（24）的输出端与单片机（22）相应的输出端电连接，所述单片机（22）通过RS485通讯接口模块（25）与设备舱安全状态处理中心（1）通信连接。
3.根据权利要求1所述的设备舱安全状态智能感知网络系统，其特征在于：所述紧固件状态感知模块（3）是磁感应传感器或者是位移传感器。
4.根据权利要求2所述的设备舱安全状态智能感知网络系统，其特征在于：所述开关量信号处理模块（23）包括光电耦合电路，所述紧固件状态感知模块（3）与光电耦合电路的输入端电连接，光电耦合电路的输出端与单片机（22）相应的输入端电连接。
5.根据权利要求2所述的设备舱安全状态智能感知网络系统，其特征在于：所述模拟量信号处理模块（24）包括低通滤波电路（241）、高通滤波电路（242）、信号放大电路（243）和幅值比较电路（244），所述声波智能识别感知模块（4）与低通滤波电路（241）的输入端电连接，低通滤波电路（241）的输出端与高通滤波电路（242）的输入端电连接，所述高通滤波电路（242）通过信号放大电路（243）与幅值比较电路（244）电连接，所述幅值比较电路（244）与单片机（22）相应的输入端电连接。
6.根据权利要求1所述的设备舱安全状态智能感知网络系统，其特征在于：所述设备舱安全状态处理中心（1）包括数据处理模块（11）和通讯模块（12），所述安全状态智能控制模块（2）与通讯模块（12）通信连接，且数据处理模块（11）与通讯模块（12）通信连接。
7.根据权利要求6所述的设备舱安全状态智能感知网络系统，其特征在于：所述通讯模块（12）包括D013接口模块（121）、第一RS485接口电路（122）和第二RS485接口电路（123），所述D013接口模块（121）、第一RS485接口电路（122）和第二RS485接口电路（123）分别与数据处理模块（11）相应的连接端通信连接。
8.根据权利要求7所述的设备舱安全状态智能感知网络系统，其特征在于：还包括终端设备（5），所述第二RS485接口电路（123）通过无线传输设备和云端服务器与终端设备（5）通信连接。
9.根据权利要求7所述的设备舱安全状态智能感知网络系统，其特征在于：所述数据处理模块（11）包括电源（111）和CPU模块（112），所述电源（111）与CPU模块（112）和D013接口模块（121）电连接，所述D013接口模块（121）、第一RS485接口电路（122）和第二RS485接口电路（123）分别与CPU模块（112）相应的连接端通信连接。
10.根据权利要求9所述的设备舱安全状态智能感知网络系统，其特征在于：所述数据处理模块（11）还包括MVB控制器复位电路（113），所述电源（111）为MVB控制器复位电路（113）供电，且MVB控制器复位电路（113）与CPU模块（112）相应的连接端电连接。
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