基于无线传感器的火车铁轨温度与压力检测方法

1.基于无线传感器的火车铁轨温度与压力检测方法，包括温度传感器的选取[1]、温度传感器的安放[2]、压力传感器的选取[3]、压力传感器的安放[4]、火车铁轨物联网系统的搭建[5]五个步骤：
温度传感器的选取[1]：选取公知的红外温度传感器和电阻温度传感器作为检测火车铁轨温度的传感器，其中，红外温度传感器用来测量铁轨的粗糙面的温度，电阻温度传感器用来测量火车铁轨光滑面的温度；
温度传感器的安放[2]：一段铁轨的两端安装两个红外温度传感器、中间安装一个电阻温度传感器；
压力传感器的选取[3]：选取大吨位压力传感器来测量铁轨所受压力；
压力传感器的安放[4]：压力传感器安装在在铁轨的前后对称部位，用于均衡测量铁轨的所受压力；
火车铁轨物联网系统的搭建[5]：火车铁轨物联网系统的搭建分为第一级无线局域网系统[6]的搭建和第二级广域网系统[7]的搭建，它用来收集红外温度传感器、电阻温度传感器和大吨位压力传感器发送来的信息并对这些信息进行显示和处理。
2.根据权利要求1所述的基于无线传感器的火车铁轨温度与压力检测方法，其特征在于：温度传感器的选取[1]涉及红外温度传感器的选取，其温度范围是-40度——+125度、其精度是0.5度、其供电方式是3伏特纽扣电池供电、其芯片要求是自带热电堆探测器芯片和信号处理专用集成电路芯片。
3.根据权利要求1所述的基于无线传感器的火车铁轨温度与压力检测方法，其特征在于：温度传感器的安放[2]是在每段铁轨安装两个红外温度传感器和一个电阻温度传感器，其中红外温度传感器在距离铁轨两端三分之一处各有一个，电阻温度传感器安装在铁轨的二分之一处。
4.根据权利要求1所述的基于无线传感器的火车铁轨温度与压力检测方法，其特征在于：压力传感器的选取[3]涉及的传感器灵敏度为2.0mv/v、测量范围为1吨——25吨、材质为合金钢、综合精度0.05。
5.根据权利要求1所述的基于无线传感器的火车铁轨温度与压力检测方法，其特征在于：压力传感器的安放[4]是在每段铁轨上距离铁轨两端三分之一处各安装一个大吨位压力传感器。
6.根据权利要求1所述的基于无线传感器的火车铁轨温度与压力检测方法，其特征在于：火车铁轨物联网系统的搭建[5]需要搭建第一级无线局域网系统[6]和第二级广域网系统[7]；
第一级无线局域网系统[6]：通过公知的ZigBee协议和WiFi协议，将10公里内的红外温度传感器、电阻温度传感器和大吨位压力传感器组建成一个局域网，形成ZigBee协议和WiFi协议混合的组网方式；
第二级广域网系统[7]：通过3G和Internet网络将无线局域网的服务节点连接起来，以铁路分局为单位部署服务器，服务器汇集多个无线局域网采集到的信息并进行分析和处理。
7.根据权利要求1所述的基于无线传感器的火车铁轨温度与压力检测方法，其特征在于：服务器汇集多个无线局域网采集到的信息并进行分析和处理是指铁路分局的服务器汇集各个铁路站段服务器收集的传感器信息和铁路站段对本站段铁轨的处理意见，统一进行综合并做出铁轨的检修和维护决策。

基于无线传感器的火车铁轨温度与压力检测方法\n技术领域\n[0001] 本发明属于物联网技术领域，来源于火车安全检测的工程实践。本发明既可用于火车铁轨温度和压力的检测也可以用于城市轨道交通的单轨温度和压力的检测。\n背景技术\n[0002] 火车是人类最重要的交通工具，在现代化建设和国民经济增长中起着举足轻重的作用。火车的安全性牵动着党和国家领导人以及全体人民的心，因此保障火车安全行驶是我们工程技术人员的重要职责。传统的安全保障方法是人工检测方法，这种方法通过工程技术人员在铁路上巡查火车铁轨的状况，凭经验决定修理或更换铁轨。显然，人工检测方法效率低下、准确性差。后来，电子技术的迅速发展并成熟，出现了人工+电子检测设备的方法，这种方法提高了检测的效率，然而需要投入大量的人力和物力，不适合于24小时不间断检测。随着物联网时代的到来，各种传感器和物联网技术在各行各业迅速普及并深入应用，因此，我们提出基于无线传感器的火车铁轨温度与压力检测方法。这种方法具有高效、低成本和适合于24小时与实时检测的优点。\n[0003] 火车在行驶过程中，导致火车铁轨出现故障的原因是火车铁轨的变形，变形的铁轨会使火车脱轨或翻到从而造成事故。而火车铁轨变形的直接因素是温度和压力，当铁轨的温度和压力超出其所能承受的变形临界温度和压力时，火车铁轨就会变形。因此我们应当及时检测火车铁轨的温度和压力，当它接近变形临界温度和压力时，及时发出报警，提醒人们采取措施来降低火车铁轨所受的温度和压力。\n[0004] 降低火车铁轨温度和压力的方法有火车减速法、人工直接降温法、更换轨枕道床法。其中，火车减速法最为常见，当火车经过温度和压力过高的铁轨时，降低行驶速度，会使铁轨的温度和压力上升幅度极大下降；人工直接降温法是指通过人工向铁轨喷射低温流体从而使铁轨温度迅速下降的方法，该方法具有降温快、效果明显的优点，然而操作起来极为不方便，因此实际中很少采用；更换轨枕道床法是指在温度和压力容易上升的路段采用弹性系数较大的轨枕和道床，这种方法成本较高，一般在其他方法不见效果时或大面积更新时采用。\n[0005] 铁路轨道必须经常维修以维持良好运作状态。路轨维修是繁重的工作，需要花费很多人力来完成，维修工作包括打磨钢轨、更换部分或全部铁轨、更换轨枕、捣固、清理、更换及补充道碴。因此及时报告铁轨的状态不仅能保障火车行驶的安全还能极大地节省维修的人力和物力资源。\n[0006] 我们的设计思路是：利用红外温度传感器和电阻温度传感器对铁轨不同部位的温度进行测量；利用大吨位压力传感器测量铁轨所受压力；然后融合铁轨所受温度和压力与铁轨的变形阈值进行比较，如果超过阈值则报警否则显示正常信息；报警信息和正常信息通过物联网系统实时传送到铁轨状态管理和维修中心。\n[0007] 总之，通过物联网技术在铁轨上适当的位置部署相关的传感器并通过物联网将铁轨的状态信息传送到管理维修中心，这种方法对于提高铁轨的维护的效率、保障火车安全行驶具有重要的意义。\n发明内容\n[0008] 本发明公开了一种基于无线传感器的火车铁轨温度与压力检测方法，该方法通过选取合适的传感器并安放在一定的位置，然后利用ZigBee协议和WiFi协议来组建无线局域网并形成ZigBee和WiFi混合的组网方式，最后通过Internet和3G网络将所有铁路的温度和压力状况汇集在铁路局服务器上，并通过铁轨分析系统来对铁轨状况进行检测和推断。\n[0009] 该方法包括温度传感器的选取和安放、压力传感器的选取和安放、火车铁轨物联网系统的搭建，下面详细描述这种方法。\n[0010] (1)温度传感器的选取\n[0011] 一种基于无线传感器的火车铁轨温度与压力检测方法选取红外温度传感器和电阻温度传感器作为检测火车铁轨温度的传感器。其中，红外温度传感器的原理是利用火车铁轨热运动向四周辐射0.75～100μm波长的红外线，这些红外线可以被传感器接收到。红外温度传感器具有非接触测量特点，用来测量铁轨的粗糙面的温度；电阻温度传感器是利用导体或半导体的电阻值随温度变化而变化的原理进行测温的一种温度计，电阻温度传感器用于测量-200℃——1000℃范围内的温度，用来测量火车铁轨光滑面的温度。\n[0012] 温度传感器的选取涉及的红外温度传感器的温度范围是-40度——+125度、精度\n0.5度、3伏特纽扣电池供电、自带热电堆探测器芯片和信号处理专用集成电路芯片。\n[0013] (2)温度传感器的安放\n[0014] 基于温度传感器的选取，我们将它们部署在铁轨的不同部位，其中红外温度传感器用来测量铁轨的粗糙面、电阻温度传感器用来测量铁轨的光滑面，其安装位置如图1所示。\n[0015] 在图1中，显示了一段铁轨安装红外温度传感器和电阻温度传感器的位置：在每段铁轨安装两个红外温度传感器和一个电阻温度传感器，其中红外温度传感器位于铁轨两端三分之一处，电阻温度传感器位于铁轨的二分之一处。\n[0016] (3)压力传感器的选取\n[0017] 一种基于无线传感器的火车铁轨温度与压力检测方法选取大吨位压力传感器测量铁轨所受压力。压力传感器是选用合金钢材料的传感器，它具有耐高温、耐高压、抗恶劣环境、价格便宜的特点，被广泛应用于铁路交通、水利水电、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、管道等众多行业。\n[0018] 压力传感器的选取涉及的传感器灵敏度为2.0mv/v、测量范围为1吨——25吨、材质为合金钢、综合精度0.05。\n[0019] (4)压力传感器的安放\n[0020] 基于压力传感器的选取，我们将它们部署在铁轨的前后部位，即，压力传感器的安放是在每段铁轨上距离铁轨两端三分之一处各安装一个大吨位压力传感器。其具体安装位置如图2所示。\n[0021] 在图2中，显示了一段铁轨安装两个大吨位压力传感器：在每段铁轨两端的三分之一处各安装了一个大吨位压力传感器。\n[0022] (5)火车铁轨物联网系统的搭建\n[0023] 火车铁轨物联网系统用来收集红外温度传感器、电阻温度传感器和大吨位压力传感器发送来的信息并对这些信息进行显示和处理。\n[0024] 火车铁轨物联网系统的搭建分为两级网络的搭建：第一级是无线局域网系统，第二级是广域网系统。\n[0025] 1)无线局域网的搭建\n[0026] 通过公知的ZigBee协议，将2公里内的红外温度传感器、电阻温度传感器和大吨位压力传感器组建成一个局域网。ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议，这个协议是一种短距离、低功耗的无线通信协议。考虑到边远地带火车站稀少，采用WiFi协议来组建2公里——10公里距离的无线局域网。形成ZigBee协议和WiFi协议混合的组网方式。\n[0027] 无线局域网的组网过程：\n[0028] 第一步：部署无线局域网服务节点。无线局域网服务节点又称协调节点，它的组建需要符合两个条件，一是该节点具有协调功能，二是该节点没有加入其他网络。每两段铁轨就需要设置一个无线局域网的服务节点。对于双轨铁路来说，一个服务节点与八个红外传感器、四个电阻温度传感器、八个大吨位压力传感器相连接。\n[0029] 第二步：信道扫描。服务节点发起建立一个新网络的进程后，将请求MAC子层对信道进行扫描。信道扫描包括能量扫描和主动扫描两个过程。首先对用户指定的信道或物理层所有默认的信道进行一个能量扫描，以排除干扰。接着在可允许能量值内的信道执行主动扫描，通过审查返回的设备描述符列表，确定一个用于建立新网络的信道。\n[0030] 第三步：配置网络参数。如果扫描到一个合适的信道，将为新网络选择一个设备描述符，该设备描述符可以是随机的，也可以是指定的，但必须满足设备描述符唯一性。如果设备描述符分配失败，组网过程将终止。\n[0031] 第四步：运行新网络。网络参数配置好后，MAC层将运行新网络，并通知无线局域网的服务节点开始工作。\n[0032] 第五步：允许设备加入网络。服务节点开启一个定时器，在定时器的时间段内允许传感器设备加入网络。\n[0033] 通过以上五个步骤，可以把两段铁轨上的八个红外传感器、四个电阻温度传感器和八个大吨位压力传感器加入无线局域网。\n[0034] 2)广域网系统的搭建\n[0035] 通过3G和Internet网络将多个无线局域网的服务节点连接起来，以铁路分局为单位部署服务器，服务器的功能是汇集多个无线局域网采集到的信息并进行实时分析和处理。\n[0036] 广域网系统的组建过程：\n[0037] 第一步：在每个铁路站段设置独立的服务器。铁路站段的服务器用于收集本站段铁轨上安放的传感器的信息。\n[0038] 第二步：铁路站段的服务器通过3G和Internet网络连接至铁路局的服务器。选择\n3G网络和Internet网络的方法为：在偏远地区采用3G网络,在人口密集的地区采用Internet网络。如果这两种网络都没有覆盖，需要自建多个转接局域网并连接至最近的3G网络和Internet网络。\n[0039] 第三步：建设铁路局的服务器。铁路局的服务器用于汇集各个铁路站段服务器收集的传感器信息和铁路站段对本站段铁轨的处理意见，综合优化，进行铁轨的检修和维护。\n[0040] 图3显示了基于无线传感器的火车铁轨温度与压力检测物联网系统。在该系统中，最高层是铁路局服务器，中间层是铁路站段服务器，最下层是铁轨传感器。铁轨传感器直接感知铁轨的温度和压力并将信息送至最近的ZigBee网关，多个ZigBee网关的信息在铁路站段服务器上汇集。铁路站段服务器通过3G和Internet网络将本站段收集的铁轨信息传送至铁路局服务器。在铁路局服务器上运行的铁轨信息分析系统可以实时显示铁轨信息并进行报警。\n[0041] 铁路局服务器上的分析系统将铁轨的状态分析信息发送至各个站段和火车，其状态分析信息包括铁轨当前的温度、压力和正常允许的温度和压力、当前值超出允许值的百分比以及推荐的处理建议。铁路局的服务器汇集各个铁路站段服务器收集的传感器信息和铁路站段对本站段铁轨的处理意见，统一进行综合并做出铁轨的检修和维护决策。\n[0042] 不管跨省运送一整列散装产品，还是通过长长的双层集装箱列车运送的有毒化学制品，在经过繁忙的都市时都必须保证火车按照时刻表正常且安全地行驶。通过温度和压力传感器来检测火车铁轨的温度和压力进而推测火车的安全状况，这是保障火车正常行驶重要手段。\n[0043] 因此，本发明提出的基于无线传感器的火车铁轨温度与压力检测方法是一种传感器部署、信息收集以及信息分析的方法，本发明包含以下方法步骤：\n[0044] (1)部署红外温度传感器、电阻温度传感器和大吨位压力传感器；\n[0045] (2)通过ZigBee和WiFi网关将分布在铁轨上的传感器组成局域网；\n[0046] (3)在铁路站段部署服务器，用它来收集ZigBee和WiFi网关传送来的传感器信息；\n[0047] (4)在铁路局部署服务器，用它来汇集铁路站段发送来的传感器信息；\n[0048] (5)在铁路局服务器上运行铁轨状态分析系统，铁轨状态分析系统用来实时显示铁轨的状态、进行状况分析并将分析的结果和建议发送至各个铁路站段和火车。\n[0049] 图4是基于无线传感器的火车铁轨温度与压力检测系统工作流程图。\n[0050] 在图4中，我们绘出了从传感器的部署、无线局域网的组建、广域网的连接到铁路局分析系统的工作流程，由此构成了基于无线传感器的火车铁轨温度与压力检测方法。\n附图说明\n[0051] 以下参考附图是对本发明的原理、方法流程进行说明，其中：\n[0052] 图1是温度传感器的安装位置示意图\n[0053] 图2是大吨位压力压力传感器安装位置示意图\n[0054] 图3是基于无线传感器的火车铁轨温度与压力检测物联网系统图\n[0055] 图4是基于无线传感器的火车铁轨温度与压力检测系统流程图\n具体实施方式\n[0056] 下面结合附图来对本发明所述的“基于无线传感器的火车铁轨温度与压力检测方法”的实施方式作进一步的说明。\n[0057] (1)选取温度传感器\n[0058] 温度传感器的选取分为红外温度传感器的选取和电阻温度传感器的选取。\n[0059] 1)红外温度传感器的选取\n[0060] 选择红外温度传感器主要从性能指标和环境工作条件两方面来加以考虑。其中性能指标又包括温度范围、工作波长、测量精度、响应时间；环境工作条件则包括环境温度、通风条件、保护设备。\n[0061] 火车铁轨的温度范围在-50——200度、工作波长范围为8——15μm、测量精度为\n0.5度、响应时间为0.2s；火车环境的温度在-120度——40度、通风条件良好、铁轨周围设置有保护设备。\n[0062] 2)电阻温度传感器的选取\n[0063] 电阻温度传感器是用半导体材料制成的，其阻值随温度增加而降低。温度变化会造成大的阻值改变，电阻温度传感器的线性度极差，并且与生产工艺有很大关系。电阻温度传感器的体积非常小，对温度变化的响应也快，但需要使用电流源，小尺寸也使它对自热误差极为敏感。\n[0064] 火车铁轨上安装的电阻温度传感器用来测量光滑面的温度，需要选择时需要考虑火车铁轨的温度范围是-50——200度，测量精度为0.5度，自带纽扣电池供电，安装时需要通风安装以减少传感器的自热误差。\n[0065] (2)安装温度传感器\n[0066] 温度传感器的安装分为红外温度传感器的安装和电阻温度传感器的安装。\n[0067] 1)红外温度传感器的安装\n[0068] 红外温度传感器的安装应具有代表性，避免安装在温度死角。红外温度传感器的接线盒不可碰到被测介质的壁。红外温度传感器接线盒处的温度不宜超过100℃，并且选用抗震性能较好的铠装式红外温度传感器。\n[0069] 在火车铁轨上安装红外温度传感器时，每段铁轨上安装两个红外温度传感器，它们距离铁轨两端各三分之一处。安装时不可接触铁轨、不破坏铁轨的结构，可以固定在铁轨下方的枕木上。红外温度传感器的接线盒不可碰到铁轨，并使用抗震性能较好的铠装式红外温度传感器，抗震性达到SAEJ1378标准。\n[0070] 2)电阻温度传感器的安装\n[0071] 电阻温度传感器安装时要注意机械强度，特别是高温中保护管的变形。为了避免保护管的热损失对元件温度的影响，需要考虑保护管的外形、插入长度、保温、隔热等问题。\n为了防止野外环境对电阻温度传感器的影响需要考虑对电阻温度传感器进行铠装。\n[0072] 在火车铁轨上安装电阻温度传感器时，每段铁轨上安装一个电阻温度传感器，它位于铁轨的中间紧贴铁轨的光滑面，考虑到铁轨温度的影响需要对它加保护管并进行铠装。\n[0073] (3)选取压力传感器\n[0074] 压力传感器的选取需要考虑产生压力的类型、压力传感器工作的环境温度、测量灵敏度、是否需要固定、以及稳定性。\n[0075] 火车铁轨压力传感器产生的压力主要来自于火车的冲击，压力范围为1——25吨，测量灵敏度为2.0mv/v，选取大吨位压力传感器，其材料选用合金钢，压力传感器的综合精度为0.05，火车铁轨压力传感器需要固定在铁轨上，能够稳定地测量铁轨温度两年以上。\n[0076] (4)安装压力传感器\n[0077] 压力传感器安装时，需要考虑与压力传感器接触的腐蚀性或过热的介质的特性，考虑是否收到冲击的影响，考虑温度波动对压力传感器的影响。\n[0078] 在火车铁轨上安装压力传感器时，在每段铁轨上安装两个大吨位压力传感器，对称地分布在每段铁轨左右各三分之一处。压力传感器安装在温度波动小的地方，采取防冻措施，采取铠装措施。\n[0079] (5)搭建火车铁轨物联网系统\n[0080] 火车铁轨物联网系统的搭建分为火车铁轨无线局域网的搭建和火车铁轨广域网的搭建，前者是一个无线传感器网络，后者是一个信息分享的广域网网络。\n[0081] 1)搭建火车铁轨无线局域网\n[0082] 通过ZigBee协议和WiFi协议将火车铁轨上安装的各种传感器连接起来。在人口密集区用ZigBee协议连接传感器并组建成无线局域网；在人口稀少的偏远地区通过WiFi协议将传感器汇集起来组成无线局域网。\n[0083] ZigBee协议是一种公知的协议，按照公知的ZigBee协议组网方法并结合火车铁轨物联网的特点进行组网；WiFi协议也是一种公知的协议，按照其组网方法并结合火车铁轨物联网的特点进行组网。最终形成一种混合的组网方法，该方式较好地满足了火车铁轨信息的收集。\n[0084] 第一步：部署无线局域网服务节点。每两段铁轨就需要设置一个无线局域网的服务节点。对于双轨铁路来说，一个服务节点与八个红外传感器、四个电阻温度传感器、八个大吨位压力传感器相连接。\n[0085] 第二步：信道扫描。服务节点发起建立一个新网络的进程后，将请求MAC子层对信道进行扫描。信道扫描包括能量扫描和主动扫描两个过程。首先对用户指定的信道或物理层所有默认的信道进行一个能量扫描，以排除干扰。接着在可允许能量值内的信道执行主动扫描，通过审查返回的设备描述符列表，确定一个用于建立新网络的信道。\n[0086] 第三步：配置网络参数。如果扫描到一个合适的信道，将为新网络选择一个设备描述符，该设备描述符可以是随机的，也可以是指定的，但必须满足设备描述符唯一性。如果设备描述符分配失败，组网过程将终止。\n[0087] 第四步：运行新网络。网络参数配置好后，MAC层将运行新网络，并通知无线局域网的服务节点开始工作。\n[0088] 第五步：允许设备加入网络。服务节点开启一个定时器，在定时器的时间段内允许传感器设备加入网络。\n[0089] 通过以上五个步骤，可以把两段铁轨上的八个红外传感器、四个电阻温度传感器和八个大吨位压力传感器加入无线局域网。\n[0090] 2)搭建火车铁轨广域网\n[0091] 通过3G和Internet网络将多个无线局域网的服务节点连接起来，以铁路分局为单位部署服务器，服务器的功能是汇集多个无线局域网采集到的信息并进行实时分析和处理。\n[0092] 搭建火车铁轨广域网时，与公知的广域网搭建过程不同的是：\n[0093] 第一步：在每个铁路站段设置独立的服务器。\n[0094] 第二步：铁路站段的服务器通过3G和Internet网络连接至铁路局的服务器，其中\n3G网络用于偏远地区，Internet网络用于人口密集的地区。\n[0095] 第三步：建设铁路局的服务器，用于汇集各个铁路站段服务器收集的传感器信息和铁路站段对本站段铁轨的处理意见，综合优化，进行铁轨的检修和维护。\n[0096] 最后说明的是：本发明除了能够对火车铁轨的温度和压力进行监测和报警还可以用于城市轨道交通中来监测和报警单轨的温度和压力。