CN112866951A - 基于wsn框架的轨道交通能耗数采集系统 - Google Patents

基于wsn框架的轨道交通能耗数采集系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于WSN框架的轨道交通能耗数采集系统，该系统包括采集节点、汇聚节点和终端服务器；采集节点实现对目标的高速采集，并将采集到的数据通过wifi局域网络实时发送给汇聚节点；汇聚节点用于外网通信，作为采集节点和终端服务器的通信的桥梁，将各采集节点的数据进行汇聚整理后通过4G网络发送给终端服务器，同时接收服务器控制指令，转发给各采集节点；终端服务器用于接收汇聚节点上传的数据，并将数据分类写入到数据库中，同时通过汇聚节点向各采集节点发送采集控制命令。本发明能够在复杂环境下解决网络数据的实时传输问题，具有灵活性强、施工成本低、便携稳定、抗干扰能力强和系统安全可靠等优点。

Description

基于WSN框架的轨道交通能耗数采集系统
技术领域
本发明涉及城市轨道交通控制技术领域，具体涉及一种基于WSN框架的轨道交通能耗数采集系统。
背景技术
在过去200年的工业化进程中，高强度的能源开发和温室气体排放，已对全球可持续发展构成了威胁。政府、产业界、学术界都在积极行动，研究新的节能减排方法，能源监控技术也被愈来愈重视。虽然城市轨道交通单位能耗相对较低，但是由于总能耗过大，导致城市轨道交通的运营成本居高不下，成为目前城市轨道交通急需解决的一个难题。城市轨道交通的运营能耗主要是电力的消耗，电力能耗由列车运行牵引用电和车站动力照明设备所消耗的电能组成，其中牵引能耗约占总能耗的一半。降低城市轨道交通能耗，成为降低运营成本的一个有效途径。要想降低能耗需要首先了解城市轨道交通的能源消耗情况，获取不同优化方法的能耗数据，才能选择最为有效的节能措施，设计城市轨道交通能源数据无线采集系统具有十分重要的意义。目前，大部分城市轨道交通能源数据无线采集系统具有有以下不足点：
1)安装环境导致采集装置的安装复杂度
能耗数采系统主要的采集对象是牵引电流、制动电流和受电弓电流，采集节点主要分布在车厢底部等分散区域，而由于列车运行环境大部分时间是处于地面下高速运动状态，各采集节点之间采用接线方式通信容易引发列车运行途中的一些安全性问题。
2)设备时钟晶振的不准确性照成的时间不同一
能耗数采系统采集对象必须包含时间参数。虽说每个采集板都有对应的时钟晶振能够获取与时间，但是在采集过程当中，每个采集节点相互独立，各自晶振的不精确性容易导致各个采集节点同一时间采集到的数据的时间参数不相同，从而使最终数据处理过程中数据的有效性降低。
3)数据的读取复杂
大部分能耗数据采集系统均采用SD卡或者TF卡方式实现数据的存储，存储格式大部分使用扇区为最小存储单元。这样产生的问题就是其数据只能通过winhex等读写软件进行读取，并且数据的可读性差，一般都需要通过相关软件进行处理才能得到实际数据。
4)列车运行时无法进行设备的控制
传统采集装置都是通过按键方式实现采集设备的采集控制，而当列车运行在高速状态下时，中途不可能长时间停靠，来对采集装置进行操作。一般采集装置都是在列车开始运行之前进行安装，直到列车晚上停止工作以后才能修改其状态，因此装置可控性以及交互性比较差。
综上所述，就目前的轨道交通能耗数采系统来说，在安装、控制和数据获取工作上存在着较大的限制，及时准确的获取能耗信息并远程控制节点的采集状态等薄弱环节成为重中之重。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于WSN框架的轨道交通能耗数采集系统，能够在满足正常需求成本的情况下实现整体轨道交通能耗数据的实时采集，使用户实时查看能耗信息，对采集设备进行远程交互控制，进而降低能耗，实现低成本运营。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于WSN框架的轨道交通能耗数采集系统，包括汇聚节点AP、多个采集节点STA和终端服务器；
采集节点STA，用于高速采集数据，并将采集的数据通过wifi局域网络实时发送给汇聚节点；
汇聚节点AP，用于外网通信，作为采集节点和终端服务器的通信的桥梁，将各采集节点的数据进行汇聚整理，汇聚整理后通过4G网络发送给终端服务器，同时终端接收服务器控制指令，转发给各采集节点；
终端服务器，用于接收汇聚节点上传的数据，并将数据分类写入到数据库中，同时通过汇聚节点向各采集节点发送采集控制命令。
进一步的，所述采集节点STA包括第一主控模块、电压传感器、电流传感器和第一无线通信数据模块，第一主控模块连接电压传感器和电流传感器，进行能耗数据的采集与转换，第一无线通信数据模块通过wAP无线协议和加密连接WIFI局域网，与汇聚节点进行数据传输；
所述汇聚节点AP包括第二主控模块和第二无线通信数据模块；第二无线通信数据模块包括WIFI通信模块和4G通信模块，WIFI通信模块通过wAP无线协议和加密设置创建WIFI局域网，4G通信模块通过4G网络与外网进行连接，与终端服务器进行数据传输。
进一步的，所述第一主控模块和第二主控模块均采用exynos4412处理器，第一无线通信数据模块和WIFI通信模块采用MTK公司的MT7601芯片，4G通信模块采用移远公司的EC20芯片。
进一步的，所述第一主控模块采用的exynos4412处理器基于arm公司的Cortex-A，搭载MMU内存管理单元，其移植系统为QT系统，搭载的外设模块包括USB模块和TF卡模块，分别用于数据传输与本地存储。
进一步的，所述汇聚节点AP通过与internet时间同步服务器连接，选用国家授时中心服务器IP地址作为网络授时服务器，汇聚节点AP基于NTP时间同步协议，采用RFC 1350标准进行时间同步，并作为采集节点STA网络授时服务器；
采集节点STA通过与internet时间同步服务器连接，选用汇聚节点APIP地址作为网络授时服务器，采集节点STA基于NTP时间同步协议，采用RFC 1350标准进行时间同步，实现采集节点STA与汇聚节点AP的时间同步。
进一步的，所述汇聚节点AP的第二主控模块包括多路监听模块、线程池管理模块和数据处理模块，其中：
多路监听模块采用采用epoll的I/O多路复用方式对WSN中所有汇聚节点AP监听，并联合线程池管理模块与数据处理模块实现对各采集节点STA的交互控制；
线程池管理模块，用于管理线程池的产生、调用和销毁，实现对采集节点STA数据的并行处理；
数据处理模块，用于对采集节点STA发来的数据进行处理与转发，同时接收终端服务器下发的命令，通过WIFI通信模块转发给相应的采集节点STA。
进一步的，所述终端服务器基于线程池进行并发；终端服务器预先创建子线程，当终端服务器接收到请求时，使用预先创建的子线程来响应请求，终端服务器对子线程进行维护。
进一步的，所述采集的数据为轨道交通能耗数据，包括变电所的能耗数据和列车的能耗数据；其中：
所述变电所的能耗数据包括动力用电能耗数据和牵引用电能耗数据；
所述列车的能耗数据包括受电弓能耗数据、牵引电机能耗数据、辅助变流器能耗数据和制动电阻能耗数据。
进一步的，所述终端服务器的数据库采用基于Sqlite3关系型数据库。
本发明与现有技术相比，其显著优点是：(1)基于WSN设计在列车所处环境中搭建分布式网络，无需复杂的布线、灵活性强、施工成本低，且穿透性及传输距离不受地理环境限制；(2)WSN各节点之间采用NTP协议实现各采集节点之间的时间同步，每隔一段时间通过渐变和跳变两种方式改变各采集节点的系统时间和硬件时间，无需担心因为晶振时间不同一照成的时间不同步；(3)4G模块和wifi模块均采用Socket技术与所连接服务器端建立TCP长连接，服务器端通过线程池技术维护一定数量的线程，减少了服务器的资源消耗，提高了系统的整体性能；(4)汇聚节点AP作为终端服务器与采集节点之间的桥梁，通过数据交互实现对采集装置的远程交互控制，解决了传统采集装置的可控性差的问题；(5)后台数据服务基于Sqlite关系型数据库，通过合理的数据表设计和数据库连接池技术，大大提高了数据库访问性能，且整个系统安全可靠。
附图说明
图1为本发明基于WSN框架的轨道交通能耗数采集系统的结构示意图。
图2为本发明中采集节点STA工作框图。
图3为本发明中汇聚节点AP作为通信桥梁的工作流程图。
图4为本发明中服务器端线程池的工作流程图。
具体实施方式
本发明基于WSN框架的轨道交通能耗数采集系统，包括汇聚节点AP、若干个采集节点STA和终端服务器；
所述采集节点STA，用于实现对目标的高速采集，并将采集到的数据通过wifi局域网络实时发送给汇聚节点；
所述汇聚节点AP，用于外网通信，作为采集节点和终端服务器的通信的桥梁，将各采集节点的数据进行汇聚整理，汇总后通过4G网络发送给终端服务器，同时接收服务器控制指令，转发给各采集节点；
所述终端服务器，用于采终端服务器用于接收汇聚节点上传的数据，并将数据分类写入到数据库中，同时通过汇聚节点向各采集节点发送采集控制命令。
进一步地，所述的采集节点STA和汇聚节点AP组成采集环境中的无线传感网络WSN，其中：
采集节点STA用于数据采集与传输，包含采集模块和无线通信数据模块，采集模块采用搭载Cortex-A9的exynos4412处理器作为主控芯片，连接电压传感器和电流传感器，进行能耗数据的采集与转换，无线通信数据模块，采用MTK公司的MT7601芯片，通过wAP无线协议和加密连接WIFI局域网，汇聚节点AP和采集节点STA之间进行数据传输。
汇聚节点AP用于数据的处理与转发，包含数据处理模块和通信模块，数据处理模块同样采用搭载Cortex-A9的exynos4412处理器作为主控芯片。通信模块包括用于与采集节点STA通信的无线通信数据模块和移动数据模块，无线通信数据模块采用MTK公司的MT7601芯片，通过wAP无线协议和加密连接WIFI局域网，汇聚节点AP和采集节点STA之间进行数据传输。移动数据模块采用的是移远公司的EC20芯片，通过4G网络与外网进行连接，实现数据到终端服务器的转发。
进一步地，所述的WSN网络中各节点，基于linux系统，均采用exynos4412处理器，其中：
采集节点采用的exynos4412处理器，基于arm公司的Cortex-A9架构，搭载MMU内存管理单元，移植系统为QT系统，搭载的外设模块包括USB模块和TF卡模块，分别用于网络传输与本地存储。
进一步地，所述的WSN网络，具有网络时间同步功能，其中：
汇聚节点AP，ntp网络授时，通过与internet时间同步服务器构建连接，选用国家授时中心服务器IP地址作为网络授时服务器，汇聚节点AP基于基本NTP时间同步协议，采用的是RFC 1350标准进行时间同步，并作为采集节点STA网络授时服务器。
采集节点STA，ntp网络授时，通过与internet时间同步服务器构建连接，选用汇聚节点APIP地址作为网络授时服务器，采集节点STA基于基本NTP时间同步协议，采用的是RFC1350标准进行时间同步，实现采集节点STA与汇聚节点AP的时间同步。
进一步地，所述汇聚节点AP，采用epoll的I/O多路复用方式实现对WSN中汇聚节点AP的监听，通过线程池处理与下发汇聚节点AP请求数据和命令；
所述汇聚节点AP包括多路监听模块、线程池管理模块和数据处理模块：
多路监听模块，采用epoll机制实现汇聚节点AP对所处其创建WSN范围内的所有采集节点STA进行监听，并联合线程池管理模块与数据处理模块实现对各采集节点STA的交互控制；
线程池管理模块，用于管理线程池的产生、调用和销毁，实现对采集节点STA数据的并行处理；
数据处理模块，用于对客户端提交的发来的数据进行处理与转发，同时接收终端服务器下发的命令，发送给相应的采集节点STA。
进一步地，所述服务器端基于线程池技术实现并发性能；服务器端预先创建子线程，在服务器端接收到请求时，使用预先创建的子线程来响应请求，服务器端对子线程进行维护。
进一步地，所述能源信息端采集轨道交通的能耗数据，包括变电所的能耗数据和列车的能耗数据，其中：
所述变电所的能耗数据包括动力用电能耗数据和牵引用电能耗数据；
所述列车的能耗数据包括受电弓能耗数据、牵引电机能耗数据、辅助变流器能耗数据和制动电阻能耗数据。
进一步地，所述服务器端的数据库采用基于Sqlite关系型数据库。
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例
结合图1，本发明是一种基于WSN框架的轨道交通能耗数采集系统，包括汇聚节点AP、采集节点STA和终端服务器；
所述采集节点STA，用于实现对目标的高速采集，并将采集到的数据通过wifi局域网络实时发送给汇聚节点；
所述汇聚节点AP，用于外网通信，作为采集节点和终端服务器的通信的桥梁，将各采集节点的数据进行汇聚整理，汇总后通过4G网络发送给终端服务器，同时接收服务器控制指令，转发给各采集节点；
所述终端服务器，用于接收汇聚节点上传的数据，并将数据分类写入到数据库中，同时通过汇聚节点向各采集节点发送采集控制命令。
整个轨道交通能耗数采系统主要是基于linux系统，采集节点STA设计到采集和定时器的控制，包含驱动层和应用层开发，其中驱动层有字符设备驱动和网络设备驱动。汇聚节点AP和终端服务器主要是应用层开发，其中包含网络设备驱动的移植。
本发明基于当前广泛流行开发的WSN框架进行系统整体开发，各MCU搭载的系统均为linux系统，服务器端采用sqlite关系型数据库，系统具备良好的兼容性与可扩展性，通过浏览器实时监测轨道交通能耗状态信息。
所述的采集节点STA和汇聚节点AP组成采集环境中的无线传感网络WSN，其中：
采集节点STA用于数据采集与传输，采用搭载Cortex-A9的exynos4412处理器作为主控芯片，连接电压传感器和电流传感器，进行能耗数据的采集与转换。无线通信数据模块，采用MTK公司的MT7601芯片，通过wAP无线协议和加密连接WIFI局域网，进行数据传输。
汇聚节点AP用于数据的处理与转发，同样采用搭载Cortex-A9的exynos4412处理器作为主控芯片。无线通信数据模块，一是采用的也是MTK公司的MT7601芯片，通过wAP无线协议和加密设置创建WIFI局域网，二是采用的也是移远公司的EC20芯片，通过4G网络与外网进行连接，实现数据到终端服务器的转发。
所述的WSN网络中各节点，基于linux系统，均采用exynos4412处理器，其中：
采集节点采用的exynos4412处理器，基于arm公司的Cortex-A9架构，搭载MMU内存管理单元，移植系统为QT系统，搭载的外设模块包括USB模块和TF卡模块，分别用于网络传输与本地存储。
所述的WSN网络，具有网络时间同步功能，其中：
汇聚节点AP，ntp网络授时，通过与internet时间同步服务器构建连接，选用国家授时中心服务器IP地址作为网络授时服务器，汇聚节点AP基于基本NTP时间同步协议，采用的是RFC 1350标准进行时间同步，并作为采集节点STA网络授时服务器。
采集节点STA，ntp网络授时，通过与internet时间同步服务器构建连接，选用汇聚节点APIP地址作为网络授时服务器，采集节点STA基于基本NTP时间同步协议，采用的是RFC1350标准进行时间同步，实现采集节点STA与汇聚节点AP的时间同步。
所述汇聚节点AP，采用epoll的I/O多路复用方式实现对WSN中汇聚节点AP的监听，通过线程池处理与下发汇聚节点AP请求数据和命令；
所述汇聚节点AP包括多路监听模块、线程池管理模块和数据处理模块：
多路监听模块，采用epoll机制实现汇聚节点AP对所处其创建WSN范围内的所有采集节点STA进行监听，并联合线程池管理模块与数据处理模块实现对各采集节点STA的交互控制；
线程池管理模块，用于管理线程池的产生、调用和销毁，实现对采集节点STA数据的并行处理；
数据处理模块，用于对客户端提交的发来的数据进行处理与转发，同时接收终端服务器下发的命令，发送给相应的采集节点STA。
所述服务器端基于线程池技术实现并发性能；服务器端预先创建子线程，在服务器端接收到请求时，使用预先创建的子线程来响应请求，服务器端对子线程进行维护。
所述能源信息端采集轨道交通的能耗数据，包括变电所的能耗数据和列车的能耗数据，其中：
所述变电所的能耗数据包括动力用电能耗数据和牵引用电能耗数据；
所述列车的能耗数据包括受电弓能耗数据、牵引电机能耗数据、辅助变流器能耗数据和制动电阻能耗数据。
所述服务器端的数据库采用基于Sqlite关系型数据库。
结合图2，采集端主要是基于无线传感网络设置各采集设备。用于实现对采集对象进行数据采集的节点为采集节点STA，采集节点STA作为采集端包括应用层和驱动层两部分。应用层用于数据的逻辑处理和转发，驱动层则用于操作底层硬件。应用层主要实现逻辑分为数据传输和数据处理，为发挥多核处理器优势采用多进程方式实现应用层逻辑。实现功能为通过驱动层操作硬件中断，采集AD通道数据，并获取实时时间，整理后存储到本地并通过wifi局域网发送给汇聚节点AP。驱动层主要完成对硬件的操作，包括设备和驱动两部分，通过platform_match()函数调用probe()函数完成硬件初始化工作。之后构造设备节点，在设备节点中实现和应用层的交互。应用层对驱动层的调用是通过0x80中断，之后会执行中断服务子程序，中断服务子程序就是系统调用的“主管”程序，system_call函数。
结合图3，汇聚节点AP搭建采用epoll+线程池高性能服务器的模式，主线程采用epoll的I/O多路复用方式对各采集节点STA进行监听，采用线程池的方式实现对数据的处理和转发。具体地，汇聚节点AP在采集节点STA的请求到来之前预先创建的子线程。当服务器端接收到客户端的请求时，利用预先创建的子线程来响应这些请求，服务器端维护这些子线程；使用线程池来控制系统中的线程数量，当线程池中出现空闲子线程时，让其执行下一个队列任务；如果池中没有空闲子线程，整个线程池资源即处在等待状态。此外，还需存在一个固定线程用于接收服务器命令，并转发给各采集节点STA。
结合图4，最终数据将汇总发送给终端服务器并存储进入Sqlite数据库。由于终端服务器需要监控的WSN并非只有一个，因此同样需要采用I/O多路复用的方式实现对各WSN对象的监听，终端服务器实现框架类似汇聚节点AP。其中与汇聚节点AP的区别在于，汇聚节点AP作为中转站，线程池中只是使用线程对数据的转发。而终端服务器作为终端存储，线程池中使用线程实现数据的数据库存储。此外终端服务器同样需要一个线程用于实现命令的下发功能，用于对各节点设备的控制。
本发明基于WSN设计在列车所处环境中搭建分布式网络，无需复杂的布线、灵活性强、施工成本低，且穿透性及传输距离不受地理环境限制；WSN各节点之间采用NTP协议实现各采集节点之间的时间同步，每隔一段时间通过渐变和跳变两种方式改变各采集节点的系统时间和硬件时间，无需担心因为晶振时间不同一照成的时间不同步；4G模块和wifi模块均采用Socket技术与所连接服务器端建立TCP长连接，服务器端通过线程池技术维护一定数量的线程，减少了服务器的资源消耗，提高了系统的整体性能；汇聚节点AP作为终端服务器与采集节点之间的桥梁，通过数据交互实现对采集装置的远程交互控制，解决了传统采集装置的可控性差的问题；后台数据服务基于Sqlite关系型数据库，通过合理的数据表设计和数据库连接池技术，大大提高了数据库访问性能，且整个系统安全可靠。

Claims (9)

1.一种基于WSN框架的轨道交通能耗数采集系统，其特征在于，包括汇聚节点AP、多个采集节点STA和终端服务器；
采集节点STA，用于高速采集数据，并将采集的数据通过wifi局域网络实时发送给汇聚节点；
汇聚节点AP，用于外网通信，作为采集节点和终端服务器的通信的桥梁，将各采集节点的数据进行汇聚整理，汇聚整理后通过4G网络发送给终端服务器，同时终端接收服务器控制指令，转发给各采集节点；
终端服务器，用于接收汇聚节点上传的数据，并将数据分类写入到数据库中，同时通过汇聚节点向各采集节点发送采集控制命令。
2.根据权利要求1所述的基于WSN框架的轨道交通能耗数采集系统，其特征在于，所述采集节点STA包括第一主控模块、电压传感器、电流传感器和第一无线通信数据模块，第一主控模块连接电压传感器和电流传感器，进行能耗数据的采集与转换，第一无线通信数据模块通过wAP无线协议和加密连接WIFI局域网，与汇聚节点进行数据传输；
所述汇聚节点AP包括第二主控模块和第二无线通信数据模块；第二无线通信数据模块包括WIFI通信模块和4G通信模块，WIFI通信模块通过wAP无线协议和加密设置创建WIFI局域网，4G通信模块通过4G网络与外网进行连接，与终端服务器进行数据传输。
3.根据权利要求2所述的基于WSN框架的轨道交通能耗数采集系统，其特征在于，所述第一主控模块和第二主控模块均采用exynos4412处理器，第一无线通信数据模块和WIFI通信模块采用MTK公司的MT7601芯片，4G通信模块采用移远公司的EC20芯片。
4.根据权利要求3所述的基于WSN框架的轨道交通能耗数采集系统，其特征在于，所述第一主控模块采用的exynos4412处理器基于arm公司的Cortex-A，搭载MMU内存管理单元，其移植系统为QT系统，搭载的外设模块包括USB模块和TF卡模块，分别用于数据传输与本地存储。
5.根据权利要求1所述的基于WSN框架的轨道交通能耗数采集系统，其特征在于，所述汇聚节点AP通过与internet时间同步服务器连接，选用国家授时中心服务器IP地址作为网络授时服务器，汇聚节点AP基于NTP时间同步协议，采用RFC 1350标准进行时间同步，并作为采集节点STA网络授时服务器；
采集节点STA通过与internet时间同步服务器连接，选用汇聚节点APIP地址作为网络授时服务器，采集节点STA基于NTP时间同步协议，采用RFC 1350标准进行时间同步，实现采集节点STA与汇聚节点AP的时间同步。
6.根据权利要求2所述的基于WSN框架的轨道交通能耗数采集系统，其特征在于，所述汇聚节点AP的第二主控模块包括多路监听模块、线程池管理模块和数据处理模块，其中：
多路监听模块采用采用epoll的I/O多路复用方式对WSN中所有汇聚节点AP监听，并联合线程池管理模块与数据处理模块实现对各采集节点STA的交互控制；
线程池管理模块，用于管理线程池的产生、调用和销毁，实现对采集节点STA数据的并行处理；
数据处理模块，用于对采集节点STA发来的数据进行处理与转发，同时接收终端服务器下发的命令，通过WIFI通信模块转发给相应的采集节点STA。
7.根据权利要求1所述的基于WSN框架的轨道交通能耗数采集系统，其特征在于，所述终端服务器基于线程池进行并发；终端服务器预先创建子线程，当终端服务器接收到请求时，使用预先创建的子线程来响应请求，终端服务器对子线程进行维护。
8.根据权利要求1所述的基于WSN框架的轨道交通能耗数采集系统，其特征在于，所述采集的数据为轨道交通能耗数据，包括变电所的能耗数据和列车的能耗数据；其中：
所述变电所的能耗数据包括动力用电能耗数据和牵引用电能耗数据；
所述列车的能耗数据包括受电弓能耗数据、牵引电机能耗数据、辅助变流器能耗数据和制动电阻能耗数据。
9.根据权利要求1所述的基于WSN框架的轨道交通能耗数采集系统，其特征在于，所述终端服务器的数据库采用基于Sqlite3关系型数据库。
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