无线传感器网络的列车弯道预警系统及其预警方法

1. 一种无线传感器网络的列车弯道预警系统，其特征在于该无线传感器网络的列车弯道预警系统主要由无线传感器汇聚节点和无线传感器节点组成，无线传感器汇聚节点由第一微处理器模块、MEMS加速度传感器、RF射频收发模块、第一 GPS模块、报警电路、LED显示单元、IXD显示单元和第一电源单元组成，MEMS加速度传感器、RF射频收发模块、GPS模块、 报警电路、LED显示单元、IXD显示单元和第一电源单元均连接第一微处理器模块；无线传感器节点由第二微处理器模块、无线收发模块、测倾角模块、加速度计、第二 GPS模块和第二电源单元组成，无线收发模块、测倾角模块、加速度计、第二 GPS模块和第二电源单元均连接第二微处理器模块，加速度计和MEMS加速度传感器装于列车车厢中。
2.根据权利要求1所述的无线传感器网络的列车弯道预警系统，其特征在于所述的无线传感器节点的加速度计模块的输出端与第二微处理器模块的输入端相连，第二 GPS模块采用串行通信的方式与第二微处理器模块相连，无线收发模块与第二微处理器模块采用 SPI方式或者串行方式进行通信。
3.根据权利要求1所述的无线传感器网络的列车弯道预警系统，其特征在于所述的无线传感器汇聚节点的第一微处理器模块和第一 GPS模块采用串口进行通信；RF射频收发模块和第一微处理器模块采用SPI或者串口进行通信；IXD显示单元的输入端和第一微处理器模块进行相连；报警模块采用高亮度的发光二极管和蜂鸣器进行声光报警。
4.根据权利要求1的无线传感器网络的列车弯道预警系统，其特征在于所述的测倾角模块是MEMS高精度的微机械三轴加速度计或者是多个低精度的加速度计联合使用进行测量角度信息，也可以是陀螺仪和专用侧角电路，其输出端口与第二微处理器模块的I/O输入端口相连。
5.根据权利要求1所述的无线传感器网络的列车弯道预警系统，其特征在于所述的第一和第二 GPS模块用来定位列车行驶的地理坐标，并且结合数据库中存储的该路段所允许的最大向心加速度，设置阈值可由安装在无线传感器节点的测倾角模块测量出轨道的倾斜角根据火车的受力分析计算出的侧翻阈值，也可由二者的共同信息来确定。
6.根据权利要求1所述的无线传感器网络的列车弯道预警系统，其特征在于所述的 MEMS加速度传感器为单轴、双轴、三轴的一个或多个加速度计，加速度的输出为模拟信号或数字信号，输出如果是模拟信号，通过A/D转换后和微处理器的输入端口相连，数字接口的加速度计直接与微处理器模块的输入接口相连。
7.根据权利要求1所述的无线传感器网络的列车弯道预警系统，其特征在于所述的报警电路由高亮度的发光二极管和蜂鸣器或语音电路组成，其驱动电路采用恒流的集成电路或分立电路，其输出分别与微处理器的输入相连接，该系统为三级报警系统，当检测到的加速度值接近设定的加速度阈值时，三级报警系统依次做出响应，前两级由发光二极管进行指示，当检测到的加速度值超过安全阈值时，蜂鸣器做出响应，以此来完成整个系统的报警。
8.根据权利要求1所述的无线传感器网络的列车弯道预警系统，其特征在于射频收发模块采用了功率放大电路，传感器采集的加速度信息和报警信息由射频收发模块经过功率放大发送给无线传感器汇聚节点。
9.根据权利要求1所述的无线传感器网络的列车弯道预警系统，其特征在于键盘输入模块和IXD显示单元分别与微处理器模块的输入端口相连接。
10. 一种无线传感器网络的列车弯道预警系统的预警方法，其特征在于系统由无线传感器汇聚节点和无线传感器节点组成，采用ARM作为核心的微处理器，采用MEMS微机械加速度传感器和GPS定位系统作为核心信息采集模块，其中倾角测量电路通过使用三轴加速度计进行测量，将加速度计装于列车车厢中，采用加速度传感器实时的采集列车的侧向加速度，将测得的向心加速度和报警信息通过无线传感器网络发送到机车的无线传感器主控汇聚节点中，同时GPS定位系统通过卫星定位将行驶路段信息传至ARM微处理器，通过已测得的倾角并结合车体的数据得出列车在该路段向心加速度al，同时由GPS确定的路段信息也会给出一个最大向心加速度a2，若实测的向心加速度大于al或a2中的任一个，列车就存在发生侧翻的危险性，当有危险时，将加速度信息和报警信息通过射频收发电路发送给无线传感器汇聚节点，汇聚节点采用声光的形式进行报警。

无线传感器网络的列车弯道预警系统及其预警方法 (-)技术领域\n[0001] 本发明涉及一种安全监测报警系统，具体涉及一种列车弯道预警系统。\n(二）背景技术\n[0002] 随着科学技术的不断发展，社会节奏的逐渐加快，人们对交通工具的快捷与否提出了更高的要求。然而对于列车这种交通工具，列车的可靠稳定一直被大众所信赖，但是列车事故一旦发生，将会给社会带来巨大的损失。近年来，由于铁路的不断提速，在提速前未出现的问题越来越多地被体现出来，给人民的生命和国家的财产造成了巨大的损失，譬如， 2008年4月观日，由北京开往青岛的T195次列车在周村附近由于弯道处速度过高，导致车厢脱轨，与另一列车相撞，造成72人死亡，416人受伤。2008年3月9日凌晨2时左右，一辆行进中的火车内燃机头在咸阳市区朝阳一路北侧咸（阳）铜（川）线上发生出轨侧翻事故，致铁道旁一处五六米长的院墙被毁。如何避免列车在行驶过程中的侧翻问题（亦称为划龙）成为保证列车安全需要考虑的首要问题。引起列车侧翻的原因主要有两种，一是客观上由于轨道年久失修铁轨老化引起的侧翻：另一种是主观上，由于司机驾驶过程中的疏忽或是列车通过弯道时加速度过大引起的侧翻。目前侧翻的研究还是基于实验室研究的理论阶段，建立了很多模型，分析了列车侧翻的条件。但是离车弯道自动报警系统并不成熟。\n(三）发明内容\n[0003] 本发明的目的在于提供一种能够实现对列车在高速行驶转弯时发生侧翻的现象进行报警，避免侧翻事故发生的无线传感器网络的列车弯道预警系统及其预警方法。\n[0004] 本发明的目的是这样实现的：该无线传感器网络的列车弯道预警系统主要由无线传感器汇聚节点和无线传感器节点组成，无线传感器汇聚节点由微处理器模块、RF射频收发模块、MEMS加速度传感器、GPS模块、测倾角电路、报警电路、LED显示、IXD显示和电源系统组成，RF射频收发模块、MEMS加速度传感器、GPS模块、测倾角电路、报警电路、LED显示、LCD显示和电源系统均连接微处理器模块，无线传感器节点由微处理器模块、无线收发模块、测倾角模块、加速度计模块、GPS模块和电源模块组成，无线收发模块、测倾角模块、加速度计模块、GPS模块和电源模块均连接微处理器模块，MEMS加速度传感器和加速度计模块装于列车车厢中。\n[0005] 本发明的预警方法为：系统采用ARM作为核心的微处理器，采用MEMS微机械加速度传感器和GPS定位系统作为核心信息采集模块，其中倾角测量电路通过使用三轴加速度计进行测量，将加速度计装于列车车厢中，将测得的向心加速度和报警信息通过无线传感器网络发送到机车的无线传感器主控汇聚节点中，同时GPS定位系统通过卫星定位将行驶路段信息传至ARM微处理器，通过已测得的倾角并结合车体的数据得出列车在该路段向心加速度al，同时由GPS确定的路段信息也会给出一个最大向心加速度a2，若实测的向心加速度大于al或a2中的任一个，列车就存在发生侧翻的危险性。\n[0006] 本发明的技术特点有：[0007] 1、系统由无线传感器汇聚节点和无线传感器节点组成，无线传感器节点采用加速度计实时的采集列车的侧向加速度，并与弯道处的阈值加速度进行对比，当有危险时，将加速度信息和报警信息通过射频收发电路发送给无线传感器汇聚节点，汇聚节点采用声光的形式进行报警。\n[0008] 2、所述的无线传感器节点主要由微处理器、GPS模块、加速度计模块和无线射频收发模块组成。加速度计模块的输出端与微处理器的输入端相连，GPS模块采用串行通信的方式与微处理器相连，无线收发模块与微处理器采用SPI方式或者串行方式进行通信。\n[0009] 3、所述的无线传感器汇聚节点由微处理、射频收发模块、GPS模块、LCD显示、电源模块、报警模块、LED驱动显示模块和键盘模块组成。微处理器和GPS模块采用串口进行通信；无线收发模块和微处理器采用SPI或者串口进行通信；IXD显示的输入端和微处理器进行相连；报警模块采用高亮度的发光二极管和蜂鸣器进行声光报警。\n[0010] 4、所述的列车弯道安全监测报警系统还包括了一个侧倾角电路，侧倾角电路其特征在于可以是MEMS高精度的微机械三轴加速度计或者是多个低精度的加速度计联合使用进行测量角度信息，也可以是陀螺仪和专用侧角电路，其输出端口与微处理器的I/O输入端口相连。\n[0011] 5、所述的列车弯道安全监测报警系统还在于包括了一个GPS模块，用来定位列车行驶的地理坐标，并且结合数据库中存储的该路段所允许的最大向心加速度，合理设置阈值。也可以由安装在无线传感器节点的侧角电路测量出轨道的倾斜角根据火车的受力分析计算出的侧翻阈值，也可以由二者的共同信息来确定。这就在最大程度上保证了列车行驶的安全性。\n[0012] 6、所述的MEMS微机械加速度计为单轴、双轴、三轴的一个或多个加速度计，加速度的输出是模拟信号或数字信号，输出如果是模拟信号，通过A/D转换后和微处理器的输入端口相连，数字接口的加速度计直接与微处理器的输入接口相连。\n[0013] 7、所述的列车弯道安全监测报警系统还包括一个报警电路，报警电路主要由高亮度的发光二极管和蜂鸣器或语音电路组成，其驱动电路采用恒流的集成电路或分立电路。 其输出分别与微处理器的输入相连接。该系统设计为三级报警系统，当检测到的加速度值接近设定的加速度阈值时，三级报警系统依次做出响应，前两级由发光二极管进行指示，当检测到的加速度值超过安全阈值时，蜂鸣器做出响应，以此来完成整个系统的报警。\n[0014] 8、所述的列车弯道安全检测报警系统应用了射频收发模块，所述的RF射频收发模块和无线收发模块均连接功率放大模块，功率放大模块连接天线；该射频收发模块采用了功率放大电路，保证了接收信号的强度，提高了系统的抗干扰性能，传感器采集的加速度信息和报警信息由射频收发模块经过功率放大发送给无线传感器汇聚节点。\n[0015] 9、所述的列车弯道安全检测报警系统还包括了键盘输入模块以及IXD显示模块， 利用键盘可以输入列车的相关信息，比如：载重量和自身重量信息，载重后车辆的重心高度，可更好的设定安全阈值，也可用于系统的自检测。而LCD模块的使用，增强了人机交互的功能，他们分别与微处理器的输入端口相连接。\n[0016] 为了解决列车在高速行驶转弯时易发生侧翻的技术问题，本发明采用的技术方案的基本构思是采用无线传感器网络为技术平台，利用双轴加速度实时的检测列车运行过程中的侧向加速度值。采用三轴加速度检测弯道处轨道倾角，并在本地处理器进行处理，通\n5过建立的列车弯道的数学模型分析数据，得出实际的侧向加速度阈值。同时在系统中存储有轨道弯道处的地理坐标信息和该弯道处的理论最大侧向加速度信息列表，采用安装在每节车厢的GPS定位系统实时检测列车的地理位置信息，通过查表得到该弯道处的理论最大加速值，将数学模型中计算该弯道处的加速度信息和理论最大加速度信息进行对比，当到达弯道时，选择两个阈值中最小值作为参考值，当列车的侧向加速度超过最小阈值时，将危险信息通过无线传感器网络发送到机车的主控节点，采用声光电的形式提醒驾驶员减速， 防止列车弯道侧翻现象的发生。本发明同时考虑了列车运行过程中的实测最大加速度和由列车在特定轨道弯道处的理论最大加速度，将两者的信息融合进行作为评价列车侧翻的条件，相对于传统的单一条件作为判断依据，具有更高的可靠性。\n[0017] 列车在行进的过程中，只受到垂直向下的重力和铁轨对列车的支持力这两个力。 在垂直面上，支持力的分力和重力相互抵消，而支持力的水平分力则提供列车转向所需的向心力。因为铁轨之间并没有无缝连接，这使得列车产生了垂直与铁轨的力的变化；同时前后节车厢对列车有着拉力。在模型分析中，因为这个力呈周期变化且对整体的影响并不大， 采用低通滤波器可以滤除。\n[0018] 利用物体的转动平衡计算最大向心加速度。经过转动支点的力矩不会影响物体的转动平衡。考虑到列车即将翻车的极限情况：由图2可知列车向左转动，此时列车左侧的车轮将与铁轨失去接触，故所有的支持力都将有右侧的铁轨提供，又因为列车将以右侧铁轨与列车结出处为支点，故支持力产生的力矩不会影响列车的转动平衡。由受力分析可知，列车在转动的过程中重力产生的力矩相平衡的力矩即为离心力的力矩。\n[0019] g · cos Z 3 = a · sin Z 3\n[0020] 其中，mg为列车的质量，L为两根铁轨之间的距离，h为列车重心距离归道德高度， F'为列车的离心力。将公式进一步简化，可得：\n[0021] a = g · cot Z 3\n[0022] 其中，a即为列车所能承受的最大向心加速度％。同时，由GPS定位所能提供的最大阈值加速度为a2。当实际测得的加速度值大于上述两值中的任一个时，系统可以以蜂鸣或者光的形式进行报警，通知驾驶员采取相应的应急措施。该系统同时考虑了系统运行过程中的实测最大加速度和由系统数据库提供的理论最大加速度，将两者的信息融合进行作为评价列车侧翻的条件，相对于传统的单一条件作为判断依据，具有更高的可靠性。\n[0023] 本发明涉及一种列车弯道安全监测报警系统，该系统主要铁路交通领域，主要完成列车在高速行驶的过程中弯道限速和报警提示的功能，能够有效的避免列车侧翻现象的产生，提高铁路交通运输的安全性。\n[0024] 本发明是一种列车弯道安全监测系统，旨在列车高速行驶途中转弯时，列车发生侧翻危险之前进行报警，提醒驾驶员采取相应的措施，防止列车发生侧翻。系统主要采用无线传感器网络技术实现系统的安全预警。该系统主要由MEMS加速度计模块、数据采集模块、GPS定位系统、无线收发模块、危险报警模块和显示模块组成。无线传感器节点通过 MEMS微加速度计检测的列车向心加速度，该加速度同轨道弯道处的加速度阈值进行比较， 当列车行驶的过程中，测得的加速度大于警戒值或系统初设值时，将侧向加速度值发送给无线传感器汇聚节点，汇聚节点采用声光报警的形式，提醒列车司机进行减速，同时通过显示模块将列车的当前的地理位置、最大的侧向加速度值和列车在弯道处的极限行驶速度显示在液晶显示模块上，防止列车由于超速而发生侧翻。本发明系统体积小，可靠性高，能够适用于普通列车或动车，对于提高列车的行驶安全具有显著的作用。\n(四）附图说明 [0025] 图 1是本发明系统的硬件组成框图；[0026] 图 2是列车弯道处的受力分析图；[0027] 图 3是射频模块接口电路图；[0028] 图 4是RF射频收发模块电路原理图[0029] 图 5是系统电源原理图；[0030] 图 6是系统复位电路原理图；[0031] 图 7是加速度采集电路原理图；[0032] 图 8是IXD电路原理图；[0033] 图 9是LED电路原理图；[0034] 图 10是GPS接口电路原理图；[0035] 图 11是蜂鸣器电路原理图；[0036] 图 12是报警指示灯电路原理图；[0037] 图 13是键盘电路原理图；[0038] 图 14是系统下位机软件流程图。\n(五）具体实施方式\n[0039] 下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明：\n[0040] 结合图1，本实施例无线传感器网络的列车弯道预警系统主要由无线传感器汇聚节点和无线传感器节点组成，无线传感器汇聚节点由微处理器模块、RF射频收发模块、MEMS 加速度传感器、GPS模块、测倾角电路、报警电路、LED显示、LCD显示和电源系统组成，RF射频收发模块、MEMS加速度传感器、GPS模块、测倾角电路、报警电路、LED显示、IXD显示和电源系统均连接微处理器模块，无线传感器节点由微处理器模块、无线收发模块、测倾角模块、加速度计模块、GPS模块和电源模块组成，无线收发模块、测倾角模块、加速度计模块、 GPS模块和电源模块均连接微处理器模块，MEMS加速度传感器和加速度计模块装于列车车厢中。\n[0041] 结合图5，本实施例整个硬件电路系统采用LM7805或者LM2575三端稳压器获得 5V的工作电压和SPXl 117-3. 3或者U^950CZ_3. 3三端稳压器获得3. 3V工作电压。系统采用MAX708SCSA或者CAT1025JI-30复位芯片对系统输出复位信号，如图6。在数据采集电路和主处理器模块中设计JTAG接口，以便于根据实际需要在线对处理器编程。\n[0042] 结合图1右边的框图所示为加速度计及数据采集模块，该模块采用ARM7LPC213X 作为微处理器，加速度计采用美新公司具有标准I2C接口的双轴加速度计MXC62020M，美新公司的I2C接口的双轴加速度计及其I2C驱动电路原理图如图7所示，I2C驱动采用两片 Philips公司的P82B96来实现，加速度计模块连接到LPC213X的I2C1 口 -P0. Il(SCL)和 P0. H(SDA)0如图微处理器通过读写加速度计MXC62020M相应的寄存器来完成数据的传输，并且通过偏差补偿和相应的数字滤波提高了系统测量的精度。微处理器将采集到的数据通过串口-Po. O(TX)和PO.l(RX)发送到RF射频模块，如图4所示，由RF收发模块将数据发送回主处理器模块进行处理。在该模块中四个LED灯-LED2、LED3、LED4、LED5分别用于指示RF射频收发模块的工作状态。该模块中包含一个GPS模块，用来采集火车车厢的具体方位，同时将采集到的数据通过RF模块发送回主处理器。\n[0043] 图1左边部分框图所示为主处理器模块，该模块为主处理器模块，模块采用 LPC213X作为处理器，其硬件电路主要由图4〜5以及图7〜13构成。该模块提供了 RF 射频收发模块的接口以及指示射频前端工作状态的四个独立的LED灯。系统还设计了标准 RS232串口，用以连接GPS模块，同时通过IXD实时显示火车的具体方位，电路结构见图8。 LED数码管提供了直观的数字输出，主要用于显示键盘的数据输入，电路图如图9。LED驱动采用74LS245来驱动四位静态共阳LED数码管，CS1、CS2、CS3、CS4分别作为四位数码管的片选端。系统中六个独立的了 LED灯-DSl、DS2、DS3、DS4、DS5、DS6采用共阳极的接法， 当连接的LPC213X的相应的I/O 口输出低电平的时候，LED灯被点亮，当输出高电平时，LED 灯熄灭，如图12所示，电路采用了 I/O 口灌电流的驱动方式来驱动LED，保证了 LED的显示亮度，LED阵列由一组高亮度或超高亮度、单基色或双基色或三基色发光二极管组成，并排放置成列。根据火车侧倾程度，发光二极管依次点亮，点亮的发光二极管越多，表明车辆侧倾程度越严重。当车辆侧倾度处于预警临界（加速度阈值的70%)时，其中两个开始LED 闪烁，当检测到的加速度值继续增加时，相应的，剩余LED灯也开始闪烁，如果加速度值超过加速度阈值的90%，蜂鸣器会报警，通过这种方式，可以将列车的安全行驶程度第一时间告知驾乘人员。蜂鸣器控制电路使用PNP三极管Ql进行驱动控制，电路结构原理图如图11 所示，当P0. 14控制电平输出“0”时，Ql导通，蜂鸣器蜂鸣；当P0. 7控制电平输出“1”时， Ql截止，蜂鸣器停止蜂鸣。本系统使用了 4X4的矩阵键盘，其行线为R1、R2、R3、R4，分别连接到 LPC213X 的 P0. 26、Pl. 18、Pl. 19、P0. 22，其列线为 Li、L2、L3、L4，分别连接到 LPC213X 的P0. 15,P0. 16,Pl. 20,P0. 19，其中行线作为按键的输入，电路结构见图13。由于I/O 口做输入端使用时，其内部无上拉电阻，所以在外部使用了 R5-R8的上拉电阻。按键识别采用扫描法，检测I/O 口的低电平输入，所有的I/O 口都使用GPIO功能。按键的功能分部如下：\n[0044] 1. 0到9的数字按键；\n[0045] 2.小数点输入“·，，;\n[0046] 3.键盘启动 START ；\n[0047] 4.数字清零键CLEAR ；\n[0048] 5.系统自检测CHECK。\n[0049] 整个系统程序流程图如图14所示。系统首次安装时，需由用户输入车火车的相关参数，如空载质量、载重、重心高度等，根据已经建立好的数学模型，程序会计算出与加速度阈值有关的参数，再结合列车运行过程中采集到的相关数据，可以计算出加速度的安全阈值。通过传感器实时的采集火车的侧向加速度和倾角信息，将其转换为火车综合侧翻因子， 来作为判断火车侧翻的条件，当侧翻因子达到火车侧翻阈值时，进行报警，这样就能够避免侧翻现象的发生，能够有效的减少侧翻引起的交通事故。由与系统中采用了多种功能模块 GPS和MEMS加速度计，因此对处理器编程时要做到分时复用，这样才能保证数据传输的正常进行。\n8