CN101138983A - 无线传感器网络的铁路溜车自动监测和报警控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明是一种基于无线传感器网络的铁路溜车自动监测和报警控制系统。它是由一组传感器模块、无线传输模块、电源模块和工业控制计算机组成，无线传输模块包括无线收发汇聚节点、无线收发子节点和无线控制子节点，传感器模块连接无线收发子节点并通过传感器安装夹具安装在铁轨上，无线控制子节点连接设置在铁轨旁的脱轨器，无线收发汇聚节点连接工业控制计算机。本发明采用无线传感器网络为技术平台，主要完成对编组场内溜车信息的自动监测控制报警。当检测到有溜车信息时，发出报警信号，在车辆溜出检测路段前，计算机通过串口给无线收发节点发送命令，由无线收发节点控制脱轨器，使溜逸车辆上脱轨器脱轨。

Description

无线传感器网络的铁路溜车自动监测和报警控制系统

(一)技术领域

本发明涉及铁路车辆溜车的自动监测和报警控制技术，具体涉及一种无线传感器网络的铁路溜车自动监测和报警控制系统。

(二)背景技术

由于我国地势西高东低，大部分铁路编组站、中间站的站线和专用线，都存在一定的坡度，以及现在货车滚动轴承化，车辆起动阻力减小，若车辆在站内停留，采取防溜措施不当，只要有一定外力作用(风、邻线过车震动、外力碰撞)，车辆就容易发生溜逸。既有的人工止轮等防护装置，多采用人工操作的机械防溜方式，不仅体积笨重，人工操作劳动强度大，而且会因为人为因素忘记放置铁鞋或止轮装置，造成漏检。通常主风管排风制动的办法，有效时间不会超过1小时，因此铁路现有的防溜系统存在着危险性高，可靠性差，自动化程度低，管理困难等弊端。铁路溜车已经成为影响铁路运输安全的一个重大隐患。在溜车现象发生时，如果不能够及时的监测并采取有效的预防和报警控制措施，轻者撞土挡、挤岔、溜入区间，重者列车冲入其它铁道线路，与该轨道上的列车造成相撞，造成车毁人亡的重大事故。现有的铁路安全检测系统大多采用多普勒雷达进行监测，雷达本身需要自检来判断雷达自身的好坏，该检测信号是靠人为地通过系统给雷达加一个自检电压，系统根据反馈回来的频率值来判断雷达的好坏，系统本身不能实时地检测到雷达、传输线路及接口的好坏，三者之一存在问题，都将导致系统不能实时地检测到车辆溜车及其溜车的速度值。如何在不用人为干预的条件下，发现溜车并产生溜车报警和控制，成为铁路编组场的有待解决的难题。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种易于安装维护、通信数据量小、系统可靠性高、判断精度高、能够快速检测出故障的节点号并能通过无线传感器节点自动控制脱轨器，使溜逸的车辆在原线路上脱轨器，防止溜逸车辆继续溜走进入正线或侧线，与其它列车或车辆发生正侧面冲突的无线传感器网络的铁路溜车自动监测和报警控制系统。

本发明的目的是这样实现的：它是由一组传感器模块、无线传输模块、电源模块和工业控制计算机组成，无线传输模块包括无线收发汇聚节点、无线收发子节点和无线控制子节点，传感器模块连接无线收发子节点并通过传感器安装夹具安装在铁轨上，无线控制子节点连接设置在铁轨旁的脱轨器，无线收发汇聚节点连接工业控制计算机。

本发明还有这样一些技术特征：

1、所述的无线控制子节点包括微处理器、光电耦合器和电流驱动电路、继电器和连接各部分的24V电源，微处理器连接光电耦合器，电流驱动电路与光电耦合器和继电器连接，微处理器连接继电器，继电器连接设置在铁轨旁的脱轨器；

2、所述的无线收发汇聚节点和无线收发子节点均包括微处理器、DAC模块、电源管理模块、连接电源管理模块的电源模块、射频收发模块、功率放大器、射频开关和天线，微处理器模块与传感器相连接，电源管理模块分别与传感器模块、微处理器、射频收发模块和功率放大模块相连接，微处理器分别连接射频收发模块、DAC模块和射频开关，功率放大模块连接射频收发模块，射频开关连接收发天线；

3、所述的传感器模块包括两个磁阻传感器，每个磁阻传感器由磁阻元件、信号放大电路，滤波电路和偏置磁场组成，磁阻元件连接信号放大电路，信号放大电路连接滤波电路，滤波电路连接偏置磁场；

4、所述的电源模块为锂电池或将220V电源经过变压后得到系统所需的电压。

本发明在采用两个一组的传感器来测速时，采用微处理器来进行对两个传感器采集到车轮信息的时间点进行判断，通过计时器记下的时间长短来进行计算火车行驶的速度。电源可以由锂电池和直流稳压电源来提供，电源管理模块主要采取射频电路电源和数字电路电源相隔离的方案，射频收发模块对电源要求比较高，采用电源噪声相对较小的线性稳压电源来提供系统所需要的电压，系统采用LM1117产生3.3V电压提供给射频模块。处理器电源采用效率较高的开关电源(LPS7333)模块进行供电。微处理器选用和射频收发芯片(CC1020)之间采用SPI接口的方式进行连接，由微处理器控制射频收发模块进行数据传输，为了实现传感器数据的远距离传输，在射频收发模块后级与功率放大器进行连接，进行功率放大。

传感器模块采用磁阻传感器，该传感器主要由磁阻元件、信号放大电路，滤波电路和偏置磁场组成，当火车车轮经过传感器上方时，与磁阻元件敏感轴方向一致方向的磁场发生变化，磁阻传感器的电桥电阻会发生变化，电桥上电压变化通过采用仪表放大器进行放大，低通滤波后，驱动三极管，将检测的磁场变化信号转化为数字输出，传感器的输出信号直接送入微处理器。

脱轨器控制电路主要由无线控制子节点连接脱轨器完成，其微处理器主要采用MSP430F149作为控制核心，通过微处理器I/O口电平来控制光电耦合器PC817的导通，PC817后面连接三极管增加电流驱动能力，控制继电器线圈，从而实现对24V电源导通的控制，通过设置微处理器I/O口电平时间的长短可以实现电源导通时间的控制。

监控中心主要由无线传输模块、RS232串口和工业控制计算机组成，RS232串口连接无线收发汇聚节点和工业控制计算机，无线收发汇聚节点采用查询模式完成对无线收发子节点采集信息的收集，无线收发汇聚节点通过RS232串口将接收的数据传输给工业控制计算机，工业控制计算机对接收的信息进行处理后，完成对溜车信息的监测和报警控制。

本发明采用无线传感器网络技术实现对铁路溜车的自动监测和报警控制，当监测到溜车信息后，对溜车状态进行不同等级的报警，通过无线传感器控制子节点自动启动脱轨器，防止车辆溜出后挤岔进入侧线和正线，与其他车辆相撞。传感器模块采用磁阻传感器，通过火车轮对存在的差异实现对机车和车辆的识别。火车机车的一个转向架由三对车轮组成，车辆的一个转向架由2对车轮组成，通过对同一转向架的车轮计数就可以实现对机车车头和车厢的识别。通过对所有车轮的计数就能够判断出车厢的节数和机车车头的个数。本发明每个传感器模块采用两个传感器来判断火车行驶的方向，微处理器判断两个传感器采集车轮信号的时间先后来完成车辆行驶方向的判断。在子节点发送数据包中，用01表示正方向数据，02表示反方向的数据。在轨道上采用多个无线传感器节点来完成对车轮数据的采集，微处理器采用中断的方式采集传感器数据，经过初步的信号处理后，将每一个无线收发子节点将采集到的车轮信息存储在本地存储器，无线收发汇聚节点通过轮询的方式接收子节点的数据，避免了信号的冲突碰撞。同时通过串口将接收到的数据传输给工业控制计算机，由工业控制计算机完成对溜车信号的检测和报警控制。当检测到没有机车车头而且车辆运行时，就认定是溜车，由计算机发出报警命令，控制无线控制子节点启动脱轨器使溜逸车辆脱轨。在传输的数据包中，对应于每一个传感器都有一个固定8位ID码，通过ID码，可以记录列车在轨道上的位置，就能够知道火车的位置变化信息，实现对火车在轨道上运行信息的综合管理。

本发明的有益效果有：

1、采用了无线传感器网络，避免了在编组场内进行走线，使得系统易于安装维护；

2、无线收发子节点在向无线收发汇聚节点传输数据时，只传输检测到车轮信息的特征量，如传感器的目的地址、源地地址、车轮数量、车厢车头标志和火车的速度值，减小了通信的数据量；

3、传感器采集车轮信息时，采用了多个传感器，在传输数据时也采用了数据冗余和奇偶校验，降低了系统的通信误码率，提高了系统工作的可靠性；

4、无线传输模块在数据传输时。采用了数据跳传，降低了系统的通信误码率，系统具有自检测的功能，子节点发生故障时，能够快速检测出故障的节点号；

5、通过无线控制子节点自动控制脱轨器，使溜逸的车辆在原线路上脱轨器，防止溜逸车辆继续溜走进入正线或侧线，与其它列车或车辆发生正侧面冲突。

本发明设计了一种基于无线传感器网络的铁路溜车自动监测和报警控制系统，有其内在的优势，采用无线传感器网络技术增强了系统的可靠性，系统易于安装维护，采用传感器网络相对于单传感器来说，保证了检测数据的可靠性。采用数据冗余处理和节点数据跳传技术，保证了系统通信的稳定性。系统能够对溜车状态信息进行自动监测，实时显示溜车的速度值。由于是根据传感器的ID号来进行判断机车车辆的位置信息的，为了提高判断的精度，可以在同一轨道增加传感器节点，减小每个节点之间的距离，提高判断火车位置信息的精度。为了简化系统，也可以在轨道的进口处和出口处安装两组子节点，监测火车进出轨道内的信息，由工业控制计算机来统一管理轨道上的车辆信息。

(四)附图说明

图1是本发明的系统工作原理框图；

图2是无线收发汇聚节点和无线收发子节点的电路原理框图；

图3是无线控制子节点的原理框图；

图4是车轮传感器的电路原理图；

图5是无线传感器的装配图；

图6是无线传感器节点系统工作流程图；

图7为无线传感器子节点发射程序流程图；

图8为无线传感器子节点接收程序流程图。

(五)具体实施方案

下面结合附图和具体实施例对本发明做更详细地描述：

结合图1-4，本实施例是由一组多个传感器模块2、无线传输模块和工业控制计算机5组成，无线传输模块包括无线收发汇聚节点3、无线收发子节点4和无线控制子节点6，传感器模块2连接无线收发子节点4并通过传感器安装夹具安装在铁轨1上，无线控制子节点6连接设置在铁轨1旁的脱轨器7，无线收发汇聚节点3通过RS232串口连接工业控制计算机5。结合图2，所述的无线收发汇聚节点3和无线收发子节点4主要由微处理器8作为核心控制元件，微处理器8与射频收发模块9(CC1020)采用SPI的方式进行连接，为了提高系统的发射功率，使用RF3146功率放大模块采用巴仑电路与CC1020射频收发模块9进行连接。在功率放大器11和天线15之间采用射频开关16实现发射链路和接收链路的分离与合并。微处理器8和功率放大器之间采用DAC模块10控制发射功率，电源模块13可以采用开关电源经过变压产生系统所需要的电源或者采用电池进行供电，电源模块经过电源管理模块12产生两路3.3V电压分别给未处理器和射频收发模块供电。

传感器模块主要用于采集火车的车轮信息，结合图4，传感器模块4包括两个磁阻传感器，每个磁阻传感器由磁阻元件17、信号放大电路18，滤波电路19和偏置磁场组成。磁阻元件17感应的微弱电压信号采用仪表放大器18进行放大后，经过二阶的通滤波器后去除系统噪声，驱动三极管得到微处理器8所需要的数字信号。由微处理器8控制传感器完成车轮信号的采集，采用两个传感器模块主要是用于火车方向的判别，两个传感器模块2分别连接到了微处理器的中断I/O口上，根据两个I/O口进入中断的时间先后来判断火车的行驶方向。结合图3脱轨器控制电路主要是由无线传感器网络节点来完成启动脱轨器控制电路，由微处理器8的I/O口的电平来控制光电耦合器20的导通和截止，光电耦合器20的电流经过9013三极管21进行驱动后，控制继电器22的关断和闭合，从而实现对24V电源23的控制。本系统采用两组脱轨器控制电路主要是用来控制脱轨器7的电机正转和反转，从而实现脱轨器的上轨和下轨，电机转动的时间由微处理器8来进行控制。

子节点采用图5所示的装备图安装在铁轨1上，24为铝制的金属外壳，用于安装传感器、电源和无线收发子节点，2为检测车轮的磁传感器，25为电木板，用于将铝制外壳和铁轨进行绝缘，26为铁轨夹具。所用的夹具不需要在铁轨上钻孔，安装方便，当火车的车轮经过传感器上方时，传感器上方的磁场发生变化，导致传感器的电阻发生变化，从而引起输出电压变化，传感器输出信号为脉冲信号，每一个脉冲对应一个车轮。图6为系统上电后的程序流程图，图7和图8分别为系统检测到车轮信号时发射和接收的程序流程图。无线收发子节点将检测到的车轮信息，经过微处理器处理后，将车轮的特征量经过路由的方式发送给无线收发汇聚节点，无线收发汇聚节点3将接收到的无线收发子节点的数据通过RS232串口发送给工业控制计算机5。工业控制计算机将接收到的数据经过信号处理，判断机车和车辆信息以及位置速度信息，当发现溜车后，通过计算机产生声光报警信号，采取三级报警，第三级报警后，如果编组场人员未采取防止溜车的措施，系统通过串口向无线收发汇聚节点发送控制信号，无线收发汇聚节点将控制信号通过子节点跳传给控制脱轨器6的无线控制子节点，启动脱轨器7，完成对溜车的自动控制。

本实施例采用无线传感器网络为技术平台，主要完成对编组场内溜车信息的自动监测控制报警。传感器采用非接触磁阻传感器，用于采集经过传感器上方的车轮信息，根据机车和车厢的车轮信息的差异来实现对机车和车厢的计数。在应用中，沿着铁轨内侧布置一系列的非接触磁阻传感器，传感器将检测的车轮信息，经过初步信号处理后，由无线收发子节点将车轮信息的特征量发送到无线收发汇聚节点，无线收发汇聚节点将传感器检测的数据通过串口分时发送到监控计算机，由计算机来完成对检测车辆信息的监测和报警。当检测到有溜车信息时，发出报警信号，在车辆溜出检测路段前，计算机通过串口给无线收发子节点发送命令，由无线控制子节点控制脱轨器，使溜逸车辆上脱轨器脱轨。采用无线传感器网络技术使得系统安装维护简便，采用多传感器数据融合技术增加了系统检测的可靠性。

Claims (5)

1.一种无线传感器网络的铁路溜车自动监测和报警控制系统，其特征在于它是由一组传感器模块、无线传输模块、电源模块和工业控制计算机组成，无线传输模块包括无线收发汇聚节点、无线收发子节点和无线控制子节点，传感器模块连接无线收发子节点并通过传感器安装夹具安装在铁轨上，无线控制子节点连接设置在铁轨旁的脱轨器，无线收发汇聚节点连接工业控制计算机。

2.根据权利要求1所述的无线传感器网络的铁路溜车自动监测和报警控制系统，其特征在于：所述的无线控制子节点包括微处理器、光电耦合器和电流驱动电路、继电器和连接各部分的24V电源，微处理器连接光电耦合器，电流驱动电路与光电耦合器和继电器连接，微处理器连接继电器，继电器连接设置在铁轨旁的脱轨器。

3.根据权利要求1所述的无线传感器网络的铁路溜车自动监测和报警控制系统，其特征在于：所述的无线收发汇聚节点和无线收发子节点均包括微处理器、DAC模块、电源管理模块、连接电源管理模块的电源模块、射频收发模块、功率放大器、射频开关和天线，微处理器模块与传感器相连接，电源管理模块分别与传感器模块、微处理器、射频收发模块和功率放大模块相连接，微处理器分别连接射频收发模块、DAC模块和射频开关，功率放大模块连接射频收发模块，射频开关连接收发天线。

4.根据权利要求1所述的无线传感器网络的铁路溜车自动监测和报警控制系统，其特征在于：所述的传感器模块包括两个磁阻传感器，每个磁阻传感器由磁阻元件、信号放大电路，滤波电路和偏置磁场组成，磁阻元件连接信号放大电路，信号放大电路连接滤波电路，滤波电路连接偏置磁场。

5.根据权力要求1所述的无线传感器网络的铁路溜车自动监测和报警控制系统，其特征在于：所述的电源模块为锂电池或将220V电源经过变压后得到系统所需的电压。

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