基于无线自组网的铁路货车轴温、风压监测装置及方法

1.一种基于无线自组网的铁路货车轴温、风压监测装置，其特征在于该装置包括了一个车头单元（1）和一组车厢根单元（2），车头单元与各车厢根单元之间通过ZigBee无线电自组网络构建成一个具有路由功能的网络系统，其中，车头单元（1）由协调器模块、GSM通讯模块（1-2）、工控机（1-3）和读卡器（3）组成，车厢根单元（2）由根单元模块、参量采集传感器及电池（6）组成；
所述协调器模块为协调器ZigBee模块（1-1），它始终处于激活状态，并建立一个临时的ZigBee网络，用于向各根单元模块发出召唤信号进行点名排队、接收各根单元模块发来的报警信号或向各根单元模块采集数据；所述根单元模块为根单元ZigBee模块（2-1），其内部包含了主控CPU、通讯电路及存储器，根单元ZigBee模块与本车厢的各参量采集传感器相连接；
所述读卡器（3）经工控机（1-3）与协调器ZigBee模块（1-1）相连接，读卡器用于读出调度员提供的发车信息磁卡内的信息，该磁卡中写有本列货车各车厢根单元（2）的ID序列号及密码；
所述参量采集传感器包括轴温传感器（7），每节车厢的每个轮轴上安装一至两个轴温传感器，另外还安装一个环境温度传感器；
所述车头单元（1）中装有机头操作状态采集单元（9），所述机头操作状态包括制动、缓解及保压状态，该采集单元采集到的数据通过ZigBee网络传递给工控机（1-3）；
所述参量采集传感器包括风压传感器（8）或风压开关，安装于每节车厢的制动用风管装置上，用于检测制动用供风压力；
所述根单元ZigBee模块（2-1）和轴温传感器（7）均安装于金属质屏蔽盒内，根单元ZigBee模块（2-1）与盒体之间垫有绝缘衬垫，轴温传感器（7）采用金属片型温度传感器并固定于屏蔽盒的底部，屏蔽盒上部设有伞形天线，伞形天线与盒体之间垫有绝缘垫圈；
所述电池（6）外面加装太阳能电板（10）；
所述协调器ZigBee模块（1-1）接有显示器（4）和微型打印机（5）。
2.一种基于无线自组网的货车轴温、风压监测方法，其特征在于包括：
2.1、本方法对应的基于无线自组网的货车轴温、风压监测装置系在包括了ZigBee网络、WiFi网络或蓝牙网络在内的无线电自组网络下工作，并对网络通信进行加密，加密方式为AES的加密算法；
2.2、将列车车头单元设置为协调器模式，车头中设置了由协调器模块、GSM通讯模块（1-2）、工控机（1-3）和读卡器（3）组成的车头单元（1），另外还配置了显示器（4）和微型打印机（5），该协调器模块始终处于激活状态，并建立一个临时存在的无线电自组网络；
2.3、将列车的每一节车厢设置为根单元终端模式，每个车厢根单元（2）由根单元模块、参量采集传感器及电池（6）组成，所述根单元模块平时以休眠方式运行，参量采集传感器则全天候工作，唤醒根单元模块的方式有参量采集传感器报警唤醒及定时时钟唤醒两种；每个车厢根单元（2）都有一个唯一的ID序列号及密码；
2.4、组建一列新的铁路货车时，读卡器（3）先要读出由调度员提供的发车信息磁卡，根据每个车厢根单元（2）唯一的ID序列号及密码在海量的货车集群中找到属于本次列车的各个车厢，对各个车厢根单元（2）发出召唤信号进行排队点名，组成一个新的无线网络通信系统；
2.5、正常情况下，每个车厢根单元（2）的根单元模块内的定时器每隔1-5分钟苏醒一次，每次苏醒时间为1-3秒钟，与协调器模块进行时钟校对并自动上报ID序列号，如果苏醒时没有收到报警信号，则各根单元模块再进入休眠状态；
2.6、当有一个参量采集传感器输出异常时，该传感器输出的报警信号将唤醒其对应的根单元模块，该根单元模块利用无线网络搜索邻近苏醒状态的另一个根单元模块，并将报警信号传递给它，如此手拉手的传递直至将报警信号数据上报给协调器模块，如果该根单元模块在协调器模块的无线收发距离范围内，则直接将报警信号报送协调器模块；
2.7、协调器模块收到报警信号的数据后，通过微型打印机（5）打印出故障的车厢号，并在显示器（4）上发出报警声光，同时与协调器模块连接的GSM通讯模块（1-2）将报警数据上报地面的监控中心。
3.根据权利要求2所述的监测方法，其特征在于：步骤2.2中所述的协调器模式共有
3种工作模式，一种是定时的在各车厢根单元苏醒时进行校时，第二种是实时接收各车厢根单元发来的报警信号数据，第三种是在车厢根单元苏醒的状态下采集参量数据。
4.根据权利要求3所述的监测方法，其特征在于：在第三种工作模式中，当采集的数据是风压值时，首先要在车头单元中安装机头操作状态采集单元（9），所述机头操作状态包括制动、缓解及保压状态；分别对不同状态，安装在各车厢根单元的风压传感器（8）或风压开关将采集到的风压数据通过ZigBee网络传递给工控机（1-3）保存，对风压值进行处理后，对于风压值低于设定值时，工控机发出预警信号或风压传感器输出报警数据信号。

基于无线自组网的铁路货车轴温、风压监测装置及方法\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种基于无线自组网络的货车轴温度、风压实时监测装置及方法。主要适用于对具有巨大数量的铁路货车集群进行车轮轴温度、制动风压力等物理参量的实时监控，同样也适用于对其它集群化的货车队伍进行实时监控。\n背景技术\n[0002] 对运行之中的列车货车车厢车轮的轴温进行实时全天候监测，对铁路安全运行具有十分重意义，尤其是铁路提速后，对列车参数的监测要求变得更高，必须快速、实时、可靠地传送到机车司机及调度监控中心。\n[0003] 目前运行的铁路货车车厢，在车轮的轴承轴瓦上因为种种原因未能安装轴温检测的实时报警装置，主要靠铁路上定位定点安装的THDS红外线非接触式装置的测量，该系统的报警检测每隔30公里安装一套红外监测装置，报警间隔大约为半个小时，这种方式存在着非实时性和一定量可能的漏检，如果火车提速后，发生漏检可能性更大，将会造成热切轴等较大事故，后果不堪设想。\n[0004] 此外，对运行中的列车货车每一节车厢的制动风压力目前也尚未能实现实时监测，同样也是存在于目前铁路系统中的安全隐患。\n[0005] 经检索，专利号为200920259074.1的中国实用新型专利，公开了一种列车车载红外轴温监测装置，在列车车轴处安装有车载红外轴温监测装置，解决了不能实时监测的问题，但仍存在以下不足：1)针对货车车厢随机性挂靠的特点，该技术很难对应用于货车的监测上；2)采用有线的方式进行信号传输，出现机械故障的概率较大，且在货车上无法提供电源；3)机械式的连接方式，当需要监测的位置较多时，电缆将占用大量空间；4)发生故障时，要从大量电缆中找出存在故障的具体电缆，并不方便，而且当需要更换时，工序复杂，操作困难。\n发明内容\n[0006] 为解决货车车厢数量巨大，配车时具有流散性；每列货车在行驶途中因装卸的需要其节数会发生变化，途中某些车厢会被其它车厢所替换；货车车厢中无交流电源这些特殊的难题，本发明提供了一种基于无线自组网的铁路货车轴温、风压监测装置及方法，本发明目的之一是实现系统的随机组网方式，为每节车厢建立起一个智慧型的终端装置，每个智慧型终端装置以无线网络的方式听从车头的招唤并服从于车头的管理；目的之二是监测工作实时、准确，可对运行中每节车厢的物理参数24小时实时监控；目的之三是实现低功耗工作模式，该模式是具有定时苏醒校时功能，同时保证时钟精度，最大限度地延长电池的工作寿命；最后，本发明力图操作简单、维护成本低，维护简便。\n[0007] 本发明所采用的技术方案是：基于无线自组网的铁路货车轴温、风压监测装置，其特征在于该装置包括了一个车头单元和一组车厢根单元，车头单元与各车厢根单元之间通过ZigBee无线电自组网络、WiFi网络或蓝牙网络构建成一个具有路由功能的网络系统，其中，车头单元由协调器模块、GSM通讯模块、工控机和读卡器组成，车厢根单元由根单元模块、参量采集传感器及电池组成。\n[0008] 所述协调器模块为协调器ZigBee模块，它始终处于激活状态，并建立一个临时的ZigBee网络，用于向各根单元模块发出召唤信号进行点名排队、接收各根单元模块发来的报警信号或向各根单元模块采集数据；所述根单元模块为根单元ZigBee模块，其内部包含了主控CPU、通讯电路及存储器，根单元ZigBee模块与本车厢的各参量采集传感器相连接。\n[0009] 所述读卡器经工控机与协调器ZigBee模块相连接，读卡器用于读出调度员提供的发车信息磁卡内的信息，该磁卡中写有本列货车各车厢根单元的ID序列号及密码。\n[0010] 所述参量采集传感器包括轴温传感器，每节车厢的每个轮轴上安装一至两个轴温传感器，另外还安装一个环境温度传感器。\n[0011] 所述车头单元中装有机头操作状态采集单元，所述机头操作状态包括制动、缓解及保压状态，该采集单元采集到的数据通过ZigBee网络传递给工控机。\n[0012] 所述参量采集传感器包括风压传感器或风压开关，安装于每节车厢的制动用风管装置上，用于检测制动用供风压力。\n[0013] 所述根单元ZigBee模块和轴温传感器均安装于金属质屏蔽盒内，根单元ZigBee模块与盒体之间垫有绝缘衬垫，轴温传感器采用金属片型温度传感器并固定于屏蔽盒的底部，屏蔽盒上部设有伞形天线，伞形天线与盒体之间垫有绝缘垫圈。\n[0014] 所述电池外面加装太阳能电板。所述协调器ZigBee模块接有显示器和微型打印机。\n[0015] 本发明基于无线自组网的货车轴温、风压监测方法，其特征在于包括：\n[0016] 1、本方法对应的基于无线自组网的货车轴温、风压监测装置系在包括了ZigBee网络、WiFi网络或蓝牙网络在内的无线电自组网络下工作，并对网络通信进行加密，加密方式为AES的加密算法；\n[0017] 2、将列车车头单元设置为协调器模式，车头中设置了由协调器模块、GSM通讯模块、工控机和读卡器组成的车头单元，另外还配置了显示器和微型打印机，该协调器模块始终处于激活状态，并建立一个临时存在的无线电自组网络；\n[0018] 3、将列车的每一节车厢设置为根单元终端模式，每个车厢根单元由根单元模块、参量采集传感器及电池组成，所述根单元模块平时以休眠方式运行，参量采集传感器则全天候工作，唤醒根单元模块的方式有参量采集传感器报警唤醒及定时时钟唤醒两种；每个车厢根单元都有一个唯一的ID序列号及密码；\n[0019] 4、组建一列新的铁路货车时，读卡器先要读出由调度员提供的发车信息磁卡，根据每个车厢根单元唯一的ID序列号及密码在海量的货车集群中找到属于本次列车的各个车厢，对各个车厢根单元发出召唤信号进行排队点名，组成一个新的无线网络通信系统；\n[0020] 5、正常情况下，每个车厢根单元的根单元模块内的定时器每隔1-5分钟苏醒一次，每次苏醒时间为1-3秒钟，与协调器模块进行时钟校对并自动上报ID序列号，如果苏醒时没有收到报警信号，则各根单元模块再进入休眠状态；\n[0021] 6、当有一个参量采集传感器输出异常时，该传感器输出的报警信号将唤醒其对应的根单元模块，该根单元模块利用无线网络搜索邻近苏醒状态的另一个根单元模块，并将报警信号传递给它，如此手拉手的传递直至将报警信号数据上报给协调器模块，如果该根单元模块在协调器模块的无线收发距离范围内，则直接将报警信号报送协调器模块；\n[0022] 7、协调器模块收到报警信号的数据后，通过微型打印机打印出故障的车厢号，并在显示器上发出报警声光，同时与协调器模块连接的GSM通讯模块将报警数据上报地面的监控中心。\n[0023] 作为优选，所述无线电自组网络采用ZigBee网络，所述协调器模块为协调器ZigBee模块，所述根单元模块为根单元ZigBee模块，ZigBee网络的收、发距离不小于\n1.5～2公里。\n[0024] 步骤2中所述的协调器模式共有3种工作模式，一种是定时的在各车厢根单元苏醒时进行校时，第二种是实时接收各车厢根单元发来的报警信号数据，第三种是在车厢根单元苏醒的状态下采集参量数据。\n[0025] 对轮轴温度监测时，所述参量采集传感器采用超低功耗的轴温传感器和环境温度传感器，对温度的检测范围在-55℃～125℃之间，当车轮轴的温度超过85℃～90℃，或车轮轴温度与环境温度相差35℃～40℃时，采集数据通过ZigBee网络传递给工控机保存，工控机对采集的温度数据进行处理后，输出预警或报警数据。\n[0026] 在第三种工作模式中，当采集的数据是风压值时，首先要在车头单元中安装机头操作状态采集单元，所述机头操作状态包括制动、缓解及保压状态；分别对不同状态，安装在各车厢根单元的风压传感器或风压开关将采集到的风压数据通过ZigBee网络传递给工控机保存，对风压值进行处理后，对于风压值低于设定值时，工控机发出预警信号或风压传感器输出报警数据信号。\n[0027] 本发明的有益效果是：(一)本发明采用随机性的组网方式，可以随时组成一个临时性的无线电网络，在海量的铁路货车中召唤出属于本次列车的各个车厢，且各车厢服从于机头协调器的管理，实时24小时上报可能发生的故障情况；(二)监测工作快速、实时、准确，大大提高了火车提速后铁路运输的安全性，是一项利国利民的创造；(三)由于货车的车厢内没有交流电，本发明实现低功耗工作模式，该模式是具有定时苏醒校时功能，同时保证时钟精度，最大限度地延长电池的工作寿命；最后，本发明容易实施、操作简单，维护成本低，维护简便。\n附图说明\n[0028] 图1是本发明车头终端的结构示意图。\n[0029] 图2是本发明车厢根单元的结构示意图。\n[0030] 图3是本发明系统工作流程图。\n具体实施方式\n[0031] 如图1、图2所示，本实施例的监测装置，包括了一个车头单元1和一组车厢根单元2，车头单元与各车厢根单元之间通过无线电自组网络保持通信，可选的无线电自组网包括：ZigBee网络、WiFi网络或蓝牙网络。本实施例考虑到低能耗的要求，选择ZigBee网络来构建一个具有路由功能的网络系统，下面就以ZigBee网为例具体介绍装置的结构组成。\n监测装置包括了车头单元1和车厢根单元2，车头单元1由协调器ZigBee模块1-1(采用意法半导体ST公司的STM32W-EMZ-3118的芯片)、GSM通讯模块1-2(西安达泰电子公司DTD-S05CI)、工控机1-3(研华-MIC-2000)和读卡器3(广州荣士ID-05)组成，为显示和打印的需要，在车头还配备了显示器4和微型打印机5，这两个终端设备均与协调器ZigBee模块1-1连接。协调器ZigBee模块始终处于激活状态，并建立一个临时的ZigBee网络，用于向各根单元模块发出召唤信号进行点名排队、或实时接收各根单元模块发来的数据及报警信号、或主动向各根单元模块采集温度或风压数据。本例的车厢根单元2由根单元ZigBee模块2-1(采用意法半导体ST公司的STM32W-EMZ-3018的芯片)、轴温传感器7(采用美国达拉斯公司的型号为DSI8B20的芯片)、环境温度传感器、风压传感器8(可选用台湾铭动MD-PS001压力传感器芯片、CFBPT通用压力传感器或CFBM扩散硅压力传感器)或风压开关及电池6组成，根单元ZigBee模块其内部已经包含了主控CPU、通讯电路及存储器，根单元ZigBee模块与本车厢的各个传感器电连接。\n[0032] 所述读卡器3与协调器ZigBee模块1-1相连接，读卡器用于读出铁路货车调度员提供的发车信息磁卡内的信息，该磁卡中写有本列货车各车厢根单元2的ID序列号及密码。\n[0033] 所述轴温传感器7，每节车厢的每个轮轴上安装一至两个轴温传感器，另外每节车厢还安装一个环境温度传感器。温度传感器安装于车辆的车轴均衡梁上，位于轴头正上方\n10厘米左右，打孔用螺丝及弹簧垫片固定。在结构上，车厢的根单元ZigBee模块2-1和轴温传感器7均安装于金属质屏蔽盒内，根单元ZigBee模块2-1与盒体之间垫有绝缘衬垫，轴温传感器7采用金属片型温度传感器并固定于屏蔽盒的底部，屏蔽盒上部设有伞形天线，伞形天线与盒体之间垫有绝缘垫圈。为了进一步延长电池的使用寿命，在电池6外面加装太阳能电板6，在有阳光的时候进行浮充电可及时补充电量。\n[0034] 对于车厢动风压数据和采集，由于机车在不同的运行状态下，如制动状态、缓解状态、或保压状态下其制动风管的压力是不同的，因此对于检测风压来说，必须在车头单元中设置一机头操作状态采集单元9，该采集单元采集到的数据也通过ZigBee网络存储于工控机1-3中。而安装在各车厢根单元的风压传感器8或风压开关，使用三通接头安装于车辆走行部列车管接头处附近，尺寸按车型定，用于检测制动用供风压力。\n[0035] 下面通过本发明的实现方法并结合本发明装置作进一步的描述：\n[0036] 1、本方法所对应的监测装置可以在ZigBee网络、WiFi网络或蓝牙网络下工作，为了节电降低能耗，本实施方法选择了在ZigBee网络下运行，并对网络信号进行加密，加密方式为AES的加密算法。ZigBee网络的收、发距离不小于1.5～2公里。\n[0037] 2、将列车车头设置为协调器模式，车头中设置了由协调器ZigBee模块1-1、GSM通讯模块1-2、工控机1-3和读卡器3组成的车头单元1，另外还配置了显示器4和微型打印机5，该协调器模块始终处于激活状态，并建立一个临时存在的ZigBee网络。该车头的协调器模式主要负有以下几项任务：\n[0038] 2.1出发时组建出一辆新的货车列车，首先铁路货车调度员要交给司机一张发车信息磁卡，上面写有该次列车挂有车厢的总数，每节车厢唯一的ID序列号及通信密码，司机拿到该磁卡在先在读卡器3读卡操作，按ID号获取本列车厢的名单，并在微型打印机5上打出该名单供司机使用；与此同时，机头的协调器ZigBee模块1-1利用ZigBee网络同样按ID号及密码召唤名单上的分散在各处的车厢，将这些车厢聚集成一列新的货车，并且所有车厢与机头都在临时组建的ZigBee网络环境下保持通信。临时网络的服役期为至下一个站点，发生停车更换车厢后，再次读取磁卡上的信息为止，在行车路线上可以不断的重复。当与人工清点车厢数量一致后，则允许发车。\n[0039] 2.2运行途中定时唤醒校时，由于车头单元有市电，协调器ZigBee模块1-1可以全天候以收、发方式运行，各车厢单元2-3分钟苏醒一次与车头单元核对校时命令，下发校时命令，统一各车厢根单元的时钟。通常校时一次不超过2分钟，时钟要求在2分钟内的误差不超过0.0001秒。车头单元还负责测试各车厢根单元是否在线运行，防止死机、掉机。\n[0040] 2.3车头单元随时接收车厢根单元发来的报警信号，显示报警、打印报警信号，并通过GSM通讯模块1-2将报警数据发送给地面固定控制中心。外网还可以CDMA移动通信系统、WCDMA移动通信系统、TDS-CDMA移动通信系统、CDMA2000移动通信系统、GPRS或3G网络。\n[0041] 2.4在车厢根单元苏醒状态下，车头单元主动向车厢根单元收集温度或压力数据。\n[0042] 2.5行进途中变更车厢，如果在行进途中一些车厢到站离开，另一些新增车厢加入本次货车，则需要在读卡器3上重新读卡排队点名，形成新的组合关系。\n[0043] 3、将列车的每一节车厢设置为根单元终端模式，每个车厢根单元2由根单元ZigBee模块2-1、参量采集传感器(本例包括轴温传感器7、环境温度传感器、风压传感器8或风压开关)及电池6组成。所述根单元ZigBee模块平时以休眠方式运行，参量采集传感器则全天候工作。唤醒根单元模块的方式有参量采集传感器报警唤醒及由定时器的时钟唤醒两种。每个车厢根单元2都有一个唯一的ID序列号及密码。\n[0044] 4、通过步骤2和步骤3组建成一列新的铁路货车后，接下去就是读卡器3读出调度员提供的发车信息磁卡，根据每个车厢根单元2唯一的ID序列号及密码在海量的货车集群中找到属于本次列车的各个车厢，对各个车厢根单元2发出召唤信号进行排队点名，形成一个临时性的无线网络通信系统。\n[0045] 5、在正常情况下，每个车厢根单元2的根单元ZigBee模块2-1每隔1-5分钟苏醒一次，最好是2分钟苏醒一次(即心跳苏醒功能)，每次苏醒时间为1-3秒钟(作为运行的脉博参数)，苏醒后与协调器ZigBee模块1-1进行时钟校对并自动上报ID序列号及数据采集工作，如果苏醒时没有收到传感器发来的报警信号，则各根单元ZigBee模块再次进入休眠状态。车厢根单元以“工作——待机——工作——待机”的循环方式运行。\n[0046] 6、当有一个参量采集传感器输出异常时，该传感器输出的报警信号将唤醒其对应的根单元ZigBee模块2-1，该根单元ZigBee模块利用ZigBee网络搜索邻近苏醒状态的另一个根单元ZigBee模块，并将报警信号传递给它，如此手拉手的传递直至将报警信号数据上报给协调器ZigBee模块1-1，如果根单元ZigBee模块距离协调器ZigBee模块的位置较近，即在协调器的无线收发距离范围内，则不通过相邻单元传输，而直接报送协调器；\n[0047] 7、协调器ZigBee模块收到报警信号的数据后，通过微型打印机5打印出故障的车厢号，并在显示器4上发出报警声光，同时与协调器ZigBee模块连接的GSM通讯模块1-2将报警数据上报地面的监控中心。\n[0048] 在实施例的2.4中，当协调器ZigBee模块1-1定期(温度和压力的时间间隔不同)对各车厢根单元进行采集数据时，采集的数据通过串口UARP或WIFI送到工控机中。工控机先采集车厢根单元中存储的上一次车辆运行的相关数据，新的数据采集到后由工控机的系统数据库专用软件对数据进行分析、比较，如发现差值较大者，即进行提示。同样，在根单元ZigBee模块2-1的存储器上，也留存有上一个运行批次的数据，新的数据会自动覆盖老的数据。\n[0049] 对车轴轴温的采集，每节车厢有8个超低功耗的轴温传感器7和一个环境温度传感器，对温度的检测范围在-55℃～125℃之间。一种情况是当车轮轴的温度超过85℃～\n90℃，传感器输出报警数据，当车轮轴温度与环境温度相差35℃～40℃时，传感器也输出报警数据。另一种情况是，由协调器ZigBee模块1-1每隔10-20分钟采集一次，采集完成后送入工控机上进行存储分类，工控机使用相关的数据库软件对采集的数据进行分析比较，一是各车厢之间轴温的比较，相邻车厢轴温差绝对值超过25％(具体量化值由铁路技术管理部门制定)，则工控机提示预警，二是与前一次留存的数据进行比较，如果平均值相差不多，则认为是正常，如个别车厢有超限，则提示预警并由软件设定做跟踪比较，设定为追踪该车厢轮轴的运行情况。\n[0050] 对于车厢制动风压数据的采集，同样也有两种情况，一种情况是安装在车厢根单元的风压传感器8或风压开关发现参数超标，将通过ZigBee网络自动向车头单元报警。另一种情况是由协调器ZigBee模块1-1每隔10-30分钟采集一次，如上所述，由于机车在不同的运行状态，如制动状态、缓解状态、或保压状态下其制动风管的压力是不同的，因此对压力参数的采集应在同一状态下进行(对运行状态数据的采集由装在车头的机头操作状态采集单元9完成)，采集到的数据由工控机实现对各个车厢的风压值与相邻车厢的进行绝对值比较，如果有特别突出的不一致性，例如第五节车厢的风压值与相邻车厢的差值超过25％(具体量化值由铁路技术管理部门制定)，则认为该车厢的制动风管风压异常，工控机提示预警，等待处理。