CN110572792A - 一种基于NB-loT的铁路隧道监测系统 - Google Patents

一种基于NB-loT的铁路隧道监测系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于NB‑loT的铁路隧道监测系统，包括数据采集单元、主控制器、NB‑loT通讯模块和后台服务器；所述数据采集单元与主控制器相连接，所述主控制器与NB‑loT通讯模块相连接，所述NB‑loT通讯模块与后台服务器相连接；所述数据采集单元包括温度采集模块、烟雾采集模块、视频监控模块、设备监测模块和光纤光栅传感模块；采用上述技术方案，采用低功耗的单片机AT89C51作为控制器，为一种高性能的微处理器。通讯中利用NB‑loT，具有覆盖广、功耗低、架构优等特点，无需布线，能节约成本，能够适应铁路隧道这种恶劣的环境，从而对铁路隧道内的环境数据进行实时监测，无需通过人工进行维护和监测，大大降低了实时监测的人工成本，保证监测的准确性和实时性。

Description

一种基于NB-loT的铁路隧道监测系统
技术领域
本发明涉及铁路隧道技术领域，具体指一种基于NB-loT的铁路隧道监测系统。
背景技术
铁路隧道一般处于阴暗、潮湿得环境。由于环境非常恶劣，因此很难通过人工进行全面的监测和维护。然而，由于铁路隧道的特殊地形和特殊环境，现有的防灾安全监控系统还没有特别针对隧道异物状况的相关监测方案。对于隧道异物的监测，一般依靠定期的人工现场维护，无法保证监测的准确性和实时性。
另外，数据实时采集终端系统通常长期处于运行状态，会消耗大量能源，同时还可能由于系统工作时间过长发热导致系统内部器件烧坏，对系统造成一定损害，缩短了数据实时采集终端系统的使用寿命。并且目前数据实时采集终端系统采集的数据均采用GSM制式的无线通信模块传输，但GSM制式的无线通信模块存在能耗大、运行成本高的问题，使数据实时采集终端系统的成本升高。
并且，检测元件主要是通过有线网络对其监测，而铁路隧道这种特殊的环境必定会受到干扰或因电路故障而导致发现不及时错失了最佳救援的时机。
因此，急需要设计一种功耗低、稳定性强，能够实时的对铁路隧道内的环境进行实时监控，从而保证监测的准确性和实时性的铁路隧道监测系统。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种基于NB-loT的铁路隧道监测系统，能够对铁路隧道进行实时监控，保证监测的准确性和实时性，同时功耗低、稳定性强，能够适应铁路隧道这种特殊环境。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：
一种基于NB-loT的铁路隧道监测系统，包括数据采集单元、主控制器、NB-loT通讯模块和后台服务器；
所述数据采集单元与主控制器相连接，所述主控制器与NB-loT通讯模块相连接，所述NB-loT通讯模块与后台服务器相连接；
所述数据采集单元包括温度采集模块、烟雾采集模块、视频监控模块、设备监测模块和光纤光栅传感模块；
所述温度采集模块，用于采集铁路隧道内的温度数据并发送至主控制器；
所述烟雾采集模块，用于采集铁路隧道内的烟雾浓度数据并发送至主控制器；
所述视频监控模块，用于采集铁路隧道内的图像数据并发送至主控制器；
所述设备监测模块，用于采集铁路隧道内设备运行数据并发送至主控制器；
所述光纤光栅传感模块，用于实时感测隧道口异物状态并发送至主控制器；
所述主控制器，用于对数据采集单元采集的数据进行处理和分析，并输出控制信号；
所述NB-loT通讯模块，用于实现所述系统各模块之间的通信；
所述后台服务器，用于接收控制信号并报警信号。
作为优选，所述后台服务器包括声/光控报警单元、显示屏和存储器，
所述声/光控报警单元，用于根据接受的控制信号输出报警信号；
所述显示屏，用于显示屏视频监控模块采集的图像；
所述存储器，用于存储数据采集单元采集的数据。
作为优选，所述主控制器包括控制芯片U1、电阻R7、电容C1、电容C3、电容C4、12M晶振Y1和开关S0；所述电容C1和开关S0并联一端接VCC，另一端接控制芯片U1的RST管脚，所述电阻R7一端接地，另一端接控制芯片U1的RST管脚，所述电容C3，C4一端接地，另一端接12M晶振Y1，所述12M晶振Y1两端分别接控制芯片U2的XTAL1、XTAL2管脚，所述控制芯片U1的40管脚接VCC，所述控制芯片U1的20管脚接地。
作为优选，所述控制芯片U1为单片机，型号为AT89C51。
作为优选，所述温度采集模块包括电阻R2、温度传感器U2，型号为DS18B02，所述温度传感器U2的管脚1连接地，所述温度传感器U2的管脚3连接VCC，所述电阻R2的一端连接管脚3，所述电阻R2的另一端和温度传感器U2的管脚2连接到控制芯片U1的1管脚，将探测到的温度值发送到主控制器。
作为优选，所述温度传感器U2的型号为DS18B02。
作为优选，所述烟雾采集模块包括烟雾传感器MQ2、数模转换U3、电阻R1、电阻R3、电容C2，所述电阻R3和C2一端连接地，所述电阻R3和C2的另一端连接烟雾传感器MQ-2DE管脚6和数模转换U3的管脚2，所述电阻R1一端连接烟雾传感器MQ-2的管脚5，所述电阻R1的另一端连接地。所述烟雾传感器MQ2的管脚1，2，3，4，6均连接VCC，所述数模转换U3的DI和DO端相连连接控制芯片U1的管脚4，所述数模转换U3的CS和CLK端分别接控制芯片U1的6和3管脚，所述数模转换U3的管脚8接VCC，所述数模转换的管脚4接地。
作为优选，所述数模转换U3的型号为ADC0832。
作为优选，所述光纤光栅传感模块包括电容C5，电容C6，晶振Y2和光纤光栅传感器U4，所述电容C5和电容C6一端接地，所述电容C5和电容C6的另一端接晶振Y2，所述晶振Y2的两端分别接光纤光栅传感器U4的X1、X2管脚，所述光纤光栅传感器U4的5，6，7管脚分别接控制芯片U1的15，16，17管脚，所述光纤光栅传感器U4的管脚1、8接VCC，所述光纤光栅传感器U4对异物进入进行采集，将采集到的数据发送到主控制器。
作为优选，所述声/光控报警单元包括发光二极管D1、发光二极管D2、蜂鸣器B1、电阻R4、电阻R5、电阻R6和三极管Q1，所述电阻R5一端连接VCC，所述电阻R5的另一端连接发光二极管D2的正极，所述发光二极管D2的负极连接到控制芯片U1的管脚25，所述电阻R4一端连接VCC，所述电阻R4的一端连接发光二极管D1正极，所述发光二极管D1负极连接到控制芯片U1管脚23，所述电阻R6一端连接控制芯片U1管脚21，所述电阻R6的一端连接到三极管Q1的基极，所述三极管Q1集电极接地，发射极接蜂鸣器B1的负极，所述蜂鸣器B1正极接VCC。
本发明具有以下的特点和有益效果：
采用上述技术方案，采用低功耗的单片机AT89C51作为控制器，为一种高性能的微处理器。相比传统的检测装置，在通讯中利用NB-loT，具有覆盖广、功耗低、架构优等特点，无需布线，能节约成本，能够适应铁路隧道这种恶劣的环境，从而对铁路隧道内的环境数据进行实时监测，无需通过人工进行维护和监测，大大降低了实时监测的人工成本，并且实时监测更加全面，保证监测的准确性和实时性。降低重大事故发生的概率及提高紧急采取救援措施的速率；另外，现有技术的监测元件主要是通过有线网络对其监测和数据传输，必定会受到干扰或因电路故障而导致发现不及时错失了最佳救援的时机等技术问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的原理示意图；
图2为图1中主控制器的电路原理图；
图3为图1中温度采集模块的电路原理图；
图4为图1中烟雾采集模块的电路原理图；
图5为图1中光纤光栅传感模块的电路原理图；
图6为图1中声/光控报警单元的电路原理图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明提供了一种基于NB-loT的铁路隧道监测系统，如图1所示，包括数据采集单元、主控制器、NB-loT通讯模块和后台服务器；
所述数据采集单元与主控制器相连接，所述主控制器与NB-loT通讯模块相连接，所述NB-loT通讯模块与后台服务器相连接；
所述数据采集单元包括温度采集模块、烟雾采集模块、视频监控模块、设备监测模块和光纤光栅传感模块；
所述温度采集模块，用于采集铁路隧道内的温度数据并发送至主控制器；
所述烟雾采集模块，用于采集铁路隧道内的烟雾浓度数据并发送至主控制器；
所述视频监控模块，用于采集铁路隧道内的图像数据并发送至主控制器；
所述设备监测模块，用于采集铁路隧道内设备运行数据并发送至主控制器；
所述光纤光栅传感模块，用于实时感测隧道口异物状态并发送至主控制器；
所述主控制器，用于对数据采集单元采集的数据进行处理和分析，并输出控制信号；
所述NB-loT通讯模块，用于实现所述系统各模块之间的通信；
所述后台服务器，用于接收控制信号并报警信号。
上述技术方案中，通过数据采集单元采集烟雾浓度的数据、温度数据、铁路隧道内图像数据、铁路隧道内设备运行的各项数据以及铁路隧道上是否又异物侵入，并通过主控制器对各项数据进行处理和分析，从而对铁路隧道内进行实时，并通过NB-loT通讯模块进行传输，进而通过后台服务器了解铁路隧道内环境是否运行正常。
可以理解的，设备监测模块主要是对铁路运行的各种设备进行监测，例如：铁路隧道内的两侧压力、通风系统、排水系统等。
另外，相比传统的检测装置，在通讯中利用NB-loT通讯模块，具有覆盖广、功耗低、架构优等特点，无需布线，能节约成本，能够适应铁路隧道这种恶劣的环境，从而对铁路隧道内的环境数据进行实时监测，无需通过人工进行维护和监测，大大降低了实时监测的人工成本，并且实时监测更加全面，保证监测的准确性和实时性。
进一步的，所述后台服务器包括声/光控报警单元、显示屏和存储器，
所述声/光控报警单元，用于根据接受的控制信号输出报警信号；
所述显示屏，用于显示屏视频监控模块采集的图像；
所述存储器，用于存储数据采集单元采集的数据。
上述技术方案中，通过显示屏直接观察铁路隧道内的图像，从而直观的判断铁路隧道内是否运行正常，实时监测更加全面，保证监测的准确性和实时性；另外，通过数据采集单元采集的数据判断出铁路隧道内出现异常，进而通过声/光报警单元发出报警信号，从而能够及时获取报警信号，保证监测的准确性和实时性。降低重大事故发生的概率及提高紧急采取救援措施的速率。
本发明的进一步设置，如图2所示，所述主控制器包括控制芯片U1、电阻R7、电容C1、电容C3、电容C4、12M晶振Y1和开关S0；所述电容C1和开关S0并联一端接VCC，另一端接控制芯片U1的RST管脚，所述电阻R7一端接地，另一端接控制芯片U1的RST管脚，所述电容C3，C4一端接地，另一端接12M晶振Y1，所述12M晶振Y1两端分别接控制芯片U2的XTAL1、XTAL2管脚，所述控制芯片U1的40管脚接VCC，所述控制芯片U1的20管脚接地。
进一步的，所述控制芯片U1为单片机，型号为AT89C51。
上述技术方案中，采用低功耗的单片机AT89C51作为控制器，为一种高性能的微处理器。
本发明的进一步设置，如图3所示，所述温度采集模块包括电阻R2、温度传感器U2，型号为DS18B02，所述温度传感器U2的管脚1连接地，所述温度传感器U2的管脚3连接VCC，所述电阻R2的一端连接管脚3，所述电阻R2的另一端和温度传感器U2的管脚2连接到控制芯片U1的1管脚，将探测到的温度值发送到主控制器。
进一步的，所述温度传感器U2的型号为DS18B02。
本发明的进一步设置，如图4所示，，所述烟雾采集模块包括烟雾传感器MQ2、数模转换U3、电阻R1、电阻R3、电容C2，所述电阻R3和C2一端连接地，所述电阻R3和C2的另一端连接烟雾传感器MQ-2DE管脚6和数模转换U3的管脚2，所述电阻R1一端连接烟雾传感器MQ-2的管脚5，所述电阻R1的另一端连接地。所述烟雾传感器MQ2的管脚1，2，3，4，6均连接VCC，所述数模转换U3的DI和DO端相连连接控制芯片U1的管脚4，所述数模转换U3的CS和CLK端分别接控制芯片U1的6和3管脚，所述数模转换U3的管脚8接VCC，所述数模转换的管脚4接地。
进一步的，所述数模转换U3的型号为ADC0832。
本发明的进一步设置，如图5所示，，所述光纤光栅传感模块包括电容C5，电容C6，晶振Y2和光纤光栅传感器U4，所述电容C5和电容C6一端接地，所述电容C5和电容C6的另一端接晶振Y2，所述晶振Y2的两端分别接光纤光栅传感器U4的X1、X2管脚，所述光纤光栅传感器U4的5，6，7管脚分别接控制芯片U1的15，16，17管脚，所述光纤光栅传感器U4的管脚1、8接VCC，所述光纤光栅传感器U4对异物进入进行采集，将采集到的数据发送到主控制器。
上述技术方案中，采用光纤光栅传感器U4，成本低廉，安装简单，并且监测面广，能够及时获取异物侵入状态。
本发明的进一步设置，如图6所示，所述声/光控报警单元包括发光二极管D1、发光二极管D2、蜂鸣器B1、电阻R4、电阻R5、电阻R6和三极管Q1，所述电阻R5一端连接VCC，所述电阻R5的另一端连接发光二极管D2的正极，所述发光二极管D2的负极连接到控制芯片U1的管脚25，所述电阻R4一端连接VCC，所述电阻R4的一端连接发光二极管D1正极，所述发光二极管D1负极连接到控制芯片U1管脚23，所述电阻R6一端连接控制芯片U1管脚21，所述电阻R6的一端连接到三极管Q1的基极，所述三极管Q1集电极接地，发射极接蜂鸣器B1的负极，所述蜂鸣器B1正极接VCC。
以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式包括部件进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于NB-loT的铁路隧道监测系统，其特征在于，包括数据采集单元、主控制器、NB-loT通讯模块和后台服务器；
所述数据采集单元与主控制器相连接，所述主控制器与NB-loT通讯模块相连接，所述NB-loT通讯模块与后台服务器相连接；
所述数据采集单元包括温度采集模块、烟雾采集模块、视频监控模块、设备监测模块和光纤光栅传感模块；
所述温度采集模块，用于采集铁路隧道内的温度数据并发送至主控制器；
所述烟雾采集模块，用于采集铁路隧道内的烟雾浓度数据并发送至主控制器；
所述视频监控模块，用于采集铁路隧道内的图像数据并发送至主控制器；
所述设备监测模块，用于采集铁路隧道内设备运行数据并发送至主控制器；
所述光纤光栅传感模块，用于实时感测隧道口异物状态并发送至主控制器；
所述主控制器，用于对数据采集单元采集的数据进行处理和分析，并输出控制信号；
所述NB-loT通讯模块，用于实现所述系统各模块之间的通信；
所述后台服务器，用于接收控制信号并报警信号。
2.根据权利要求1所述的基于NB-loT的铁路隧道监测系统，其特征在于，所述后台服务器包括声/光控报警单元、显示屏和存储器，
所述声/光控报警单元，用于根据接受的控制信号输出报警信号；
所述显示屏，用于显示屏视频监控模块采集的图像；
所述存储器，用于存储数据采集单元采集的数据。
3.根据权利要求2所述的基于NB-loT的铁路隧道监测系统，其特征在于，所述主控制器包括控制芯片U1、电阻R7、电容C1、电容C3、电容C4、12M晶振Y1和开关S0；所述电容C1和开关S0并联一端接VCC，另一端接控制芯片U1的RST管脚，所述电阻R7一端接地，另一端接控制芯片U1的RST管脚，所述电容C3，C4一端接地，另一端接12M晶振Y1，所述12M晶振Y1两端分别接控制芯片U2的XTAL1、XTAL2管脚，所述控制芯片U1的40管脚接VCC，所述控制芯片U1的20管脚接地。
4.根据权利要求3所述的基于NB-loT的铁路隧道监测系统，其特征在于，所述控制芯片U1为单片机，型号为AT89C51。
5.根据权利要求2所述的基于NB-loT的铁路隧道监测系统，其特征在于，所述温度采集模块包括电阻R2、温度传感器U2，型号为DS18B02，所述温度传感器U2的管脚1连接地，所述温度传感器U2的管脚3连接VCC，所述电阻R2的一端连接管脚3，所述电阻R2的另一端和温度传感器U2的管脚2连接到控制芯片U1的1管脚，将探测到的温度值发送到主控制器。
6.根据权利要求5所述的基于NB-loT的铁路隧道监测系统，其特征在于，所述温度传感器U2的型号为DS18B02。
7.根据权利要求2所述的基于NB-loT的铁路隧道监测系统，其特征在于，所述烟雾采集模块包括烟雾传感器MQ2、数模转换U3、电阻R1、电阻R3、电容C2，所述电阻R3和C2一端连接地，所述电阻R3和C2的另一端连接烟雾传感器MQ-2DE管脚6和数模转换U3的管脚2，所述电阻R1一端连接烟雾传感器MQ-2的管脚5，所述电阻R1的另一端连接地。所述烟雾传感器MQ2的管脚1，2，3，4，6均连接VCC，所述数模转换U3的DI和DO端相连连接控制芯片U1的管脚4，所述数模转换U3的CS和CLK端分别接控制芯片U1的6和3管脚，所述数模转换U3的管脚8接VCC，所述数模转换的管脚4接地。
8.根据权利要求7所述的基于NB-loT的铁路隧道监测系统，其特征在于，所述数模转换U3的型号为ADC0832。
9.根据权利要求2所述的基于NB-loT的铁路隧道监测系统，其特征在于，所述光纤光栅传感模块包括电容C5，电容C6，晶振Y2和光纤光栅传感器U4，所述电容C5和电容C6一端接地，所述电容C5和电容C6的另一端接晶振Y2，所述晶振Y2的两端分别接光纤光栅传感器U4的X1、X2管脚，所述光纤光栅传感器U4的5，6，7管脚分别接控制芯片U1的15，16，17管脚，所述光纤光栅传感器U4的管脚1、8接VCC，所述光纤光栅传感器U4对异物进入进行采集，将采集到的数据发送到主控制器。
10.根据权利要求2所述的基于NB-loT的铁路隧道监测系统，其特征在于，所述声/光控报警单元包括发光二极管D1、发光二极管D2、蜂鸣器B1、电阻R4、电阻R5、电阻R6和三极管Q1，所述电阻R5一端连接VCC，所述电阻R5的另一端连接发光二极管D2的正极，所述发光二极管D2的负极连接到控制芯片U1的管脚25，所述电阻R4一端连接VCC，所述电阻R4的一端连接发光二极管D1正极，所述发光二极管D1负极连接到控制芯片U1管脚23，所述电阻R6一端连接控制芯片U1管脚21，所述电阻R6的一端连接到三极管Q1的基极，所述三极管Q1集电极接地，发射极接蜂鸣器B1的负极，所述蜂鸣器B1正极接VCC。
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