CN207081667U - 一种基于物联网的钢轨探伤系统 - Google Patents

Abstract

一种基于物联网的钢轨探伤系统，包括图像采集子系统、图像传输子系统和图像处理子系统，所述图像采集子系统包括JTAG模块、摄像头模块、RS232模块、5V电源模块、显示模块、单片机模块，所述JTAG模块、摄像头模块、RS232模块、5V电源模块、显示模块和外部存储均与所述单片机模块连接；所述图像传输子系统包括12V电源模块、RS232模块、LED模块和4G模块，所述12V电源模块、RS232模块和LED模块均与所述4G模块连接；所述图像处理子系统为计算机，所述4G模块与所述计算机通信连接。本实用新型提供一种基于物联网的钢轨探伤系统，物联网提供方便快捷的数据交换、便于智能化管理、多通道管理，机器视觉具有非接触、速度快、抗干扰性强、灵活性高的优点。

Description

一种基于物联网的钢轨探伤系统

技术领域

本实用新型涉及一种钢轨探伤系统，尤其是涉及一种基于物联网的钢轨探伤系统。

背景技术

钢轨是铁路运输中非常重要的基础设施，它支撑和引导着列车的运行，由于铁路列车的不断提速，重载列车和城市地铁轻轨运营的增加，铁轨受到天气状况恶劣、负载过大、行车速度快等因素影响，钢轨表面容易产生各种类型的缺陷，常见的有疤痕、裂纹、波纹擦伤、褶皱、剥落等，如果不及时对钢轨进行检测维护以及更换，会发展成内部缺陷，造成严重的列车事故。因此，钢轨表面缺陷检测对维护铁路系统的安全运行非常重要。

目前钢轨表面缺陷检测较成熟的方法主要有超声波和涡流检测法等，超声波检测钢轨内部缺陷较好但存在表面检测盲区，对钢轨踏面损伤检测存在困难，涡流检测需要高频信号激励，适合表面/亚表面横向裂纹(伤损)检测，而对于纵向的或较细小且位于钢轨内部的伤损检测能力有限，并且受提离影响较大，因此需要一种稳定且准确的方法补充，使钢轨探伤范围更全面。

发明内容

针对现有电涡流和超声波检测对钢轨检测中，外表面纵向、细小伤痕检测的局限，本实用新型提供一种基于物联网的钢轨探伤系统，物联网提供方便快捷的数据交换、便于智能化管理、多通道管理，机器视觉具有非接触、速度快、抗干扰性强、灵活性高的优点，两者结合，实现了超远距离实时检测钢轨踏面及其它外表面的细小伤痕。大大提高探伤的范围和能力，节省了人力物力成本。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：

一种基于物联网的钢轨探伤系统，包括图像采集子系统、图像传输子系统和图像处理子系统，所述图像采集子系统包括用于烧录与调试的JTAG模块、用于采集钢轨图像数据的摄像头模块、用于图像数据传输的RS232模块、5V电源模块、用于显示图像数据的显示模块、用于存储图像数据的外部存储和用于接收并处理图像数据的单片机模块，所述JTAG模块、摄像头模块、RS232模块、5V电源模块、显示模块和外部存储均与所述单片机模块连接；所述图像传输子系统包括12V电源模块、用于图像数据传输的RS232模块、用于显示其工作状态的LED模块和用于将图像数据进行调制发射的4G模块，所述12V电源模块、RS232模块和LED模块均与所述4G模块连接，所述图像采集子系统的RS232模块与所述图像传输子系统的RS232 模块通信连接；

所述图像处理子系统为计算机，所述4G模块与所述计算机通信连接。

进一步，所述摄像头模块采用OV7670摄像头。

再进一步，所述4G模块型号为USR-LTE-7S4。

本实用新型的主要有益效果是：

采用了OV7670摄像头，来获得的图像信息，采用单片机对信息进行处理与压缩；采用4G网络通信实现物联网，在计算机上进行信息融合提供了通信接口，利用4G-LTE技术进行信息的传输，移动、联通、电信4G高速接入，同时支持移动、联通3G和2G接入具有高度的可靠性，各个组件之间的配置和控制由单片机完成，满足超远距离的钢轨探伤的基本要求，该系统运行稳定，可靠性高，有较高的应用价值。

附图说明

图1是本实用新型的系统结构框图。

图2是本实用新型的JTAG模块的电路原理图。

图3是本实用新型的5V电源模块的电路原理图。

图4是本实用新型的单片机模块的电路原理图。

图5是本实用新型的摄像头模块的电路原理图。

图6是本实用新型的RS232模块的电路原理图。

图7是本实用新型的外部存储模块的电路原理图。

图8是本实用新型的显示模块的电路原理图。

图9是本实用新型的4G模块的电路原理图。

图10是本实用新型的LED模块的电路原理图。

图11是本实用新型的12V电源模块的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本实用新型作进一步详细说明。

参照图1～图11所示，一种基于物联网的钢轨探伤系统，包括图像采集子系统、图像传输子系统和图像处理子系统，所述图像采集子系统包括用于烧录与调试的JTAG模块、用于采集钢轨图像数据的摄像头模块、用于图像数据传输的RS232模块、5V电源模块、用于显示图像数据的显示模块、用于存储图像数据的外部存储和用于接收并处理图像数据的单片机模块，所述JTAG模块、摄像头模块、RS232 模块、5V电源模块、显示模块和外部存储均与所述单片机模块连接；所述图像传输子系统包括12V电源模块、用于图像数据传输的 RS232模块、用于显示其工作状态的LED模块和用于将图像数据进行调制发射的4G模块，所述12V电源模块、RS232模块和LED模块均与所述4G模块连接，所述图像采集子系统的RS232模块与所述图像传输子系统的RS232模块通信连接；

所述图像处理子系统为计算机，所述4G模块与所述计算机通信连接。

进一步，所述摄像头模块采用OV7670摄像头。

再进一步，所述4G模块型号为USR-LTE-7S4。

本实用新型的工作原理为：在单片机模块控制下，摄像头模块采集图像数据，并进行数据压缩等处理，通过图像采集子系统的RS232 模块将数据传送至下一级；4G模块从图像传输子系统的RS232模块接收到数据，并将数据打包，通过TCP Client将数据发送至运营商网络，再上传到计算机；图像处理子系统是计算机对数据接收，再进行图像去噪滤波，基于积分投影对钢轨区域进行锁定，再基于图像灰度差异提取缺陷图像，最后利用PLSA分类的方法进行缺陷分类。从而做出准确的决策，并显示；最终实现了物联网与机器视觉结合的钢轨探伤。

如图1所示，5V电源模块是用于图像采集子系统供电的，12V 电源模块用于为图像传输子系统供电的。

如图2所示，为JTAG模块电路：模块的插座JATG的1脚和2 脚接+3.3V，3脚与电阻R5的一端、单片机U2的134脚相连，5脚与电阻R6的一端、单片机U2的110脚相连，7脚与电阻R7的一端、单片机U2的105脚相连，9脚与电阻R13的一端、单片机U2的109 脚相连，13脚与电阻R10的一端、单片机U2的109脚相连，15脚与单片机U2的25脚相连，11、17、19脚空置，4、6、8、10、12、 14、16、18、20脚接地。电阻R5、R6、R7、R10的另一段接+3.3V，电阻R13的另一段接地。

如图3所示，为5V电源模块电路：+5V直流稳压电源的插座 DC_IN的2脚和3脚接地并与电阻R43的一端以及电压转换芯片 U13的2脚相连,1脚接二极管D5的正极，二极管D5的负极与电容 C48、电容C49、电阻R44的一端以及电压转换芯片U13的5脚相连，电压转换芯片U13的1脚接电容C41的一端，3脚与电阻R43的另一端和电阻R45的一端相连，4脚接电阻R44的另一端，6脚接电容 C41的另一端、二极管D4的负极、电感L1的一端相连，二极管D4 的正极接地，电容C48、C49的另一端接地，电阻R45的另一端接 VBTN,电感L1的另一端接VBTN、电容C46的一端和电解电容C47 的正极，电容C46的另一端和电解电容C47的负极接地。VBTN输入与自锁开关K2的3脚和保险丝F1的一端相连，自锁开关K2的2 脚输出+5V到线性稳压芯片U12的3脚和电容C45的一端，自锁开关K2的1、4、5、6脚空置。线性稳压芯片U12的1脚接电容C45 的另一端与地，线性稳压芯片U12的2脚与4，电容C43的一端，电解电容C42的正极相连，并输出+3.3V，电容C43另一端以及电解电容C42的负极接地，保险丝F1的另一端接VUSB。

如图4所示，为单片机模块电路：单片机芯片U2的8脚、9脚分别接到晶振Y1的两端以及电容C5、C6的一端，电容C5、C6的另一端接地。单片机芯片U2的6脚与二极管D1、D2的负极和电容C7的一端相连，二极管D1的正极接+3.3V，二极管D2的正极接电池BAT的正极，电容C7的另一端接电池BAT的负极接地。单片机芯片U2的23、24脚分别接到晶振Y2、电阻R2的两端以及电容C8、 C9的一端，电容C8、C9的另一端接芯片U2的31脚接地。单片机芯片U2的33脚接VDDA和电容C10、C11的一端以及电阻R4的一端，电阻R4的另一端接+3.3V，单片机芯片U2的30脚接电容C10、 C11的另一端接地。单片机芯片U2的25脚接电阻R3的一端、电容 C12的一端、按键RESET的一端，电阻R3的另一端接+3.3V，电容 C12的另一端和按键RESET的另一端接地。

如图5所示，为摄像头模块电路：摄像头插座P6的1脚接+3.3V 和电容C26的一端，摄像头插座P6的2脚接地和电容C26的另一端，插座P6的3脚接单片机芯片U2的122脚，插座P6的4脚接单片机芯片U2的117脚，插座P6的5脚接单片机芯片U2的129脚，插座 P6的6脚接单片机芯片U2的128脚，插座P6的7脚接单片机芯片 U2的132脚，插座P6的8脚～15脚分别接单片机芯片U2的26、27、 28、29、44、45、96、97脚，插座P6的16脚接单片机芯片U2的 134脚，插座P6的17脚接单片机芯片U2的100脚，插座P6的18 脚接单片机芯片U2的133脚。

如图6所示，为RS232模块电路：串口转换芯片U3的1脚接电容C27的一端，2脚接电容C28的一端，3脚接电容C27的另一端， 4脚接电容C29的一端，5脚接电容C29的另一端，6脚接电容C30 的一端，7脚接拨动开关K1的5脚，8脚接拨动开关K1的6脚,9脚接电阻R17的一端，10脚接拨动开关K1的2脚与排针P8的2脚,11、12、13、14脚空置，15脚接地接电容C25的另一端，16脚接+3.3V 接电容C25的一端，电容C28、C30的另一端接地，电阻R17的另一端接拨动开关K1的1脚与排针P8的1脚，插座COM3的1、6、7、 8脚接地，2脚接电阻R14的一端，3脚接拨动开关K1的3脚,4脚接拨动开关K1的4脚,5脚空置，9脚接电容C33与电阻R15的一端，电阻R14的另一端接单片机芯片U2的117脚与二极管D3的负极，二极管D3的正极接地，电阻R15的另一端接+5V，电容C33的另一端接地，排针P8的3脚接单片机芯片U2的70脚，3脚接单片机芯片U2的69脚,5、6脚空置。当使用时先将排针P8的2、4脚和1、3 脚跳接，再将拨动开关K1的开关向上拨。

如图7所示，为外部存储模块电路：外部存储芯片U1的1～5脚分别与单片机芯片U2的11～15脚相连，6脚与单片机芯片U2的 125脚相接，7～10分别与单片机芯片U2的85、86、114、115相连,11脚接电容C1、C2的一端接+3.3V，12脚接电容C1、C2的另一端接地，13～16脚分别与单片机芯片U2的58、59、60、63相连，17 脚与单片机芯片U2的119脚相连，18～28脚分别与单片机芯片U2 的57、56、55、54、53、50、10、90、89、88、87脚相连，29～32 分别与单片机芯片U2的64、65、66、67相连,33脚与外部存储芯片 U1的11脚相连，34脚与外部存储芯片U1的12脚相连，35～38脚分别与单片机芯片U2的68、77、78、79脚相连，39、40脚与单片机芯片U2的141、142脚相连，41脚与单片机芯片U2的118脚接,42～44脚与单片机芯片U2的80、81、82脚相连。

如图8所示，为显示模块电路原理图：显示模块插座TFT_LCD 的1脚接单片机芯片U2的127脚，2脚接单片机芯片U2的56脚，3 脚接单片机芯片U2的119脚，4脚接单片机芯片U2的118脚，5脚接单片机芯片U2的25脚，6～21脚分别接单片机芯片U2的85、86、 114、115、58、59、60、63、64、65、66、67、68、77、78、79 脚,22脚接电容C3的一端接地，23脚接单片机芯片U2的46脚，24 脚接电容C3的另一端接+3.3V，25脚接+3.3V，26、27脚接地，28 脚接电容C4的一端接+5V，29脚接单片机芯片U2的48脚，30脚接单片机芯片U2的21脚，31脚接单片机芯片U2的22脚，32脚空置， 33脚接单片机芯片U2的49脚，34脚接单片机芯片U2的47脚，电容C4的另一端接地。

如图9所示，为4G模块电路原理图:

4G模块的1～8脚分别与排针NC J3的1～8脚相连，9脚接电阻R9的一端，10脚接三极管Q10的C极，11，12脚与排针NC J3的11,12 脚相接，13、14脚接电解电容C81的正极和DC5～16V，15脚接排针 NC J4的7脚，16脚接电容C80、C78的一端和电解电容C77的正极以及+3.8V,17脚接排针NC J4的3脚,18脚接排针NC J4的1脚，19 脚接排针NC J4的2脚,20、21、22、23分别接排针NC J4的4、6、 8、10脚。电容C80、C78的另一端接地，电解电容C77、C81的负极接地。

如图10所示，为LED模块的电路原理图：

电阻R1的一端接+3.3V，另一端接二极管POW1的正极，二极管POW1的负极接地。

电阻R2的一端接+3.3V，另一端接二极管TXD1的正极，二极管TXD1的负极接三极管Q1的E级，三极管Q1的C级接地，三极管Q1的B级接电阻R6的一端，电阻R6的另一端接排针NCJ3的6 脚。

电阻R3的一端接+3.3V，另一端接二极管RXD1的正极，二极管RXD1的负极接三极管Q2的E级，三极管Q2的C级接地，三极管Q2的B级接电阻R7的一端，电阻R7的另一端接排针NCJ3的7 脚。

电阻R4的一端接+3.3V，另一端接二极管LINK1的正极，二极管LINK1的负极接三极管Q6的C级，三极管Q6的E级接地，三极管Q6的B级接电阻R8的一端，电阻R8的另一端接排针NC J3的1 脚。

电阻R5的一端接+3.3V，另一端接二极管WORK的正极，二极管WORK的负极接三极管Q4的C级，三极管Q4的E级接地，三极管Q4的B级接电阻R9的一端，电阻R9的另一端接4G模块的9 脚。

电阻R10的一端接+3.3V，另一端接二极管LINK2的正极，二极管LINK2的负极接三极管Q5的C级，三极管Q5的E级接地，三极管Q5的B级接电阻R13的一端，电阻R13的另一端接排针NC J3的 2脚。

如图11所示，为+12V电源模块的电路原理图：

电源插座J101的1脚接电阻R110、R111的一端，电源插座 J101的2、3脚接地，电阻R110与稳压二极管U101的1、2脚，电解电容C103的正极，电阻R105的一端，降压芯片U102的2脚相连，稳压二极管的3脚接地，电解电容C103的负极接地，电阻R105的另一端接降压芯片U102的7脚，降压芯片U102的1脚接电容C106 的一端，3脚接电感L101的一端和电容C106另一端，4脚与电阻 R106、R108的一端，电容C108的一端，电解电容C107的负极相连并接地，5脚与电阻R108的另一端，电阻R107的一端相连，6脚与电容C105的一端相连，8脚接电容C104的一端，9脚空置，电容 C104的另一端接地，电容C105的另一端接电阻R106的另一端，电感L101的另一端与电阻R107的另一端、电解电容C107的正极、电容C108的另一端连接至电阻R100的一端，电阻R100的另一端接二极管D101的正极，二极管D101的负极输出+3.3V。

所述的电压转换芯片U13的型号为MP235。

所述的线性稳压芯片U12的型号为AMS1117-3.3。

所述的单片机芯片U2的型号为STM32F103ZET6。

所述的摄像头模块型号为OV7670。

所述的串口转换芯片U3的型号为SP3232。

所述的外部存储芯片的型号为IS62WV51216。

所述的显示模块型号为GT9147。

所述的降压芯片型号为MP1482。

综上所述，本实用新型应用机器视觉可以探测钢轨踏面及其它外表面的细小伤痕，节约人力物力，4G实现物联网可以远距离遥测，具有无需布线、扩展灵活、控制简单、高效率、数据实时更新、获得信息便利等优点。本实用新型运用物联网技术以及机器视觉技术，具有较强的技术创新性和先进性，该系统运行稳定，可靠性高，有较高的应用价值。

本实用新型对传统的超声波和涡流检测法进行补充，相比于传统方法，机器视觉检测不受表面缺陷的形状、大小、走向与深浅的限制，不受探头提离影响，灵敏度与灵活性高，并且在节约成本的同时也提高了检测效率；引入物联网技术进行无线数据通信，可以实现实时的多通道检测，具有在线定位、实时采集、智能控制等功能，能有效地满足机器视觉检测的图像数据处理、汇总、存储等需求。综上所述本套基于机器视觉的物联网钢轨探伤系统，克服了传统方法的一些缺点，能有效地对钢轨表面缺陷进行检测，并能超远距离控制多通道检测，同时将数据收集与汇总。

Claims (3)

1.一种基于物联网的钢轨探伤系统，其特征在于：包括图像采集子系统、图像传输子系统和图像处理子系统，所述图像采集子系统包括用于烧录与调试的JTAG模块、用于采集钢轨图像数据的摄像头模块、用于图像数据传输的RS232模块、5V电源模块、用于显示图像数据的显示模块、用于存储图像数据的外部存储和用于接收并处理图像数据的单片机模块，所述JTAG模块、摄像头模块、RS232模块、5V电源模块、显示模块和外部存储均与所述单片机模块连接；所述图像传输子系统包括12V电源模块、用于图像数据传输的RS232模块、用于显示其工作状态的LED模块和用于将图像数据进行调制发射的4G模块，所述12V电源模块、RS232模块和LED模块均与所述4G模块连接，所述图像采集子系统的RS232模块与所述图像传输子系统的RS232模块通信连接；

所述图像处理子系统为计算机，所述4G模块与所述计算机通信连接。

2.如权利要求1所述的一种基于物联网的钢轨探伤系统，其特征在于：所述摄像头模块采用OV7670摄像头。

3.如权利要求1或2所述的一种基于物联网的钢轨探伤系统，其特征在于：所述4G模块型号为USR-LTE-7S4。