专利名称：重载铁路轨道安全检测的无线传感网络结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及重载铁路轨道的无线传感监测网，属于传感网技术领域，尤其涉及一 种重载铁路轨道安全检测的无线传感网络结构。
背景技术：
重载运输最早始于北美地区，20世纪70年代末，美国一级铁路即开始了重载运 输。1978年第一届国际重载大会在澳大利亚佩斯召开，1985年国际重载运输协会成立。由 于重载运输显著的经济效益，使其在世界范围内的发展如雨后春笋般迅速，美国、加拿大、 澳大利亚、南非、巴西等国成为世界重载运输技术和应用比较领先的国家。我国的重载运输是以大秦铁路(大同-秦皇岛)为标志的，该线一、二期分别于 1988年和1992开通运营。大秦铁路是我国第一条双线电气化、开行重载单元式列车的运 煤干线，西起北同蒲线韩家岭站，东至秦皇岛柳村南站，全长636km。大秦线同时配套建设 了 19个装车基地和秦皇岛港三、四期码头。大秦线自开通十余年来，累计运送煤炭8. 2亿 吨多，对加强西部地区煤炭开发利用，缓解华东及沿海地区煤炭紧张局面，促进国民经济发 展发挥了举足轻重的作用。重载铁路运输的大力发展缓解了运量与运能之间的矛盾，取得了巨大的经济效益 和社会效益。然而，由于运量和轴重增加，轨道极易出现以下设备病害钢轨伤损和无缝线路焊缝断裂急剧增加。轨道稳定性破坏严重。扣件松动，轨枕偏移和出现裂缝甚至失效的数量增多，特别 是在曲线地段。因此，对现有重载铁路列车的在途安全状态进行监测十分必要。目前现有的检测技术主要有两种其一是传统人工检测，主要由铁道工务技术人 员靠看、听、摸等传统检测方法，该方法不仅费时费力效率低下，而且更容易出现误检、漏检 的现象；另一种方法是采用专用轨道检测车，但是该设备不仅造价高，且我国的干线日趋繁 忙，检测车无法实现实时、在线的监测，不能及时获取车辆运行状态信息。鉴于以上原因，开发重载铁路轨道的自动安全检测系统，实时反映轨道结构的安 全隐患，同时不影响铁路运输的正常进行，是十分必要的。
发明内容
(一)要解决的技术问题有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种重载铁路轨道安全检测的无线传感网 络结构，以在不影响铁路运输正常进行的前提下，实现对轨道结构安全进行实时监测。(二)技术方案为达到上述目的，本发明提供了一种重载铁路轨道安全检测的无线传感网络结 构，该结构包括传感器节点、汇集节点和基站节点，且传感器节点、汇集节点和基站节点构 成以基站节点为根、以汇集节点为簇的树状网络，每个基站节点连接有多个汇集节点，每个 汇集节点连接有多个传感器节点，与汇集节点连接的多个传感器节点只与该汇集节点进行通信，汇集节点将接收到的数据信息进行处理后，转发给基站节点，基站节点由网络协议转 换器将数据信息转发给远程计算机。上述方案中，所述传感器节点包括数据采集模块、数据处理模块、无线收发模块和 能量供应模块，其中数据采集模块用来采集轨道裂缝位移和轨枕偏移位移值的模拟电信号数据；数据处理模块将传感器采集的模拟电信号转换成数字信号并储存；无线通信模块负责与汇集节点之间进行数据通信；电源模块为传感器节点提供能量。上述方案中，所述数据采集模块包含有用于采集铁路轨道位移数据的传感器，该 传感器包括激光器1、光纤2和位移刻度板3，其中，激光器1安装于被测物体的主轴8上， 并沿被测物体的主轴8进行运动；激光器1产生的激光束通过光纤2照射到位移刻度板3 上；位移刻度板3用于感应通过所述光纤2传输的激光束，并产生光电流。上述方案中，所述位移刻度板3上的位移刻度由具有光电导效应的半导体材料制 成。上述方案中，所述位移刻度板3进一步通过数字逻辑电路模块9连接于数字显示 器4，数字显示器4用于接收所述位移刻度板3产生的光电流，并通过数字逻辑电路模块9 将光电流转换为相应的位移数字量进行显示。上述方案中，所述数据采集模块还包含有信号调整电路和A/D转换器。上述方案中，所述数据处理模块包含有微处理器和存储器，所述无线收发模块包 含有MAC网关河收发器。上述方案中，所述汇集节点包括无线通信模块、数据处理模块和电源模块，数据转 发路径是从群内传感器节点到汇集节点再到基站节点，汇集节点在向基站节点转发数据之 前，对群内的原始数据进行聚合处理，降低实际需要传输到基站节点的数据量。(三)有益效果本发明提供的这种重载铁路轨道安全检测的无线传感网络结构，在不影响铁路运 输正常进行的前提下，能够实时不间断地监测轨道结构安全，并向远程控制中心发布安全 警报，有效避免人工监测效率低、漏检误检高的缺陷。
图1是本发明提供的重载铁路轨道安全检测的树状结构无线传感网络结构的示 意图(其中，A表示汇集节点，也称簇节点；B表示传感器节点)；图2是传感器节点结构示意图；图3是光电位移传感器的结构示意图；图4是无线传感网络节点的软件设计主程序流程图；图5是协议转换的协议栈结构图。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照 附图，对本发明进一步详细说明。
铁路轨道的安全监测中，位移是重要的指标，包括轨道裂缝位移和轨枕偏移位移 等。将监测位移的传感器节点沿铁路轨道铺置，其尺寸非常小，不会影响铁路的正常行驶。如图1所示，图1是本发明提供的重载铁路轨道安全检测的树状结构无线传感网 络结构的示意图，该网络结构包括传感器节点、汇集节点和基站节点，传感器节点、汇集节 点和基站节点构成以基站节点为根、以汇集节点为簇的树状网络，每个基站节点连接有多 个汇集节点，每个汇集节点连接有多个传感器节点，与汇集节点连接的多个传感器节点只 与该汇集节点进行通信，汇集节点将接收到的数据信息进行处理后，转发给基站节点，基站 节点由网络协议转换器将数据信息转发给远程计算机。其中，传感器节点主要包括四个部分数据采集模块(传感器、信号调整、A/D转换 器)、数据处理模块(微处理器、存储器)、无线收发模块(无线网络、MAC、收发器)，以及能 量供应模块(电源、AC-DC)。数据采集模块用来采集轨道裂缝位移和轨枕偏移位移值的模 拟电信号数据；数据处理模块将传感器采集的模拟电信号转换成数字信号并储存；无线通 信模块负责与汇集节点之间进行数据通信；电源模块为传感器节点提供能量。传感器节点 的结构如图2所示。数据采集模块中的传感器采用光电位移传感器，用于采集铁路轨道的位移数据， 该传感器包括激光器1、光纤2和位移刻度板3，其结构如图3所示。所述激光器1安装于 被测物体的主轴8上，并沿被测物体的主轴8进行运动；所述激光器1产生的激光束通过所 述光纤2照射到所述位移刻度板3上；所述位移刻度板3上的位移刻度由具有光电导效应 的半导体材料制成，所述位移刻度板3用于感应通过所述光纤2传输的激光束，并产生光电 流。位移刻度板3通过数字逻辑电路模块9连接有数字显示器4，所述数字显示器4用于接 收所述位移刻度板3产生的光电流，并通过所述数字逻辑电路模块9将光电流转换为相应 的位移数字量进行显示。传感器节点的软件设计主程序流程图如图4所示。其中调用了多个子程序模块用 来处理相应的功能。初始化模块来初始化系统，使系统的工作频率保证在RF正常工作的晶 振频率；查询模块用来查询附近通信节点的信息；通信链路模块用来建立监测区域内节点 间的数据链路；数据通信模块用来接收并分析无线传感器网络节点发来的数据信息，处理 后将数据信息发送出去。汇集节点由无线通信模块、数据处理模块和电源模块组成。数据转发路径是从群 内传感器节点到汇集节点再到基站节点，汇集节点在向基站节点转发数据之前，对群内的 原始数据进行聚合处理，降低实际需要传输到基站节点的数据量。基站节点为了实现大规模无线传感器网络的组网与应用，通常需要借助其它网络设施来实 现不同网络之间的互联。节点布设在人员难以到达的地点，用户能够从远程对无线传感器 网络进行控制和访问是非常必要的，这就需要借助IP网络的支持。在铁路轨道监测系统 中，可以通过设置特定的网关，在不同网络的应用层之间进行协议转换，实现无线传感器网 络和IP网络之间的互联.协议转换的协议栈结构图如图5所示。以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详 细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡 在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种重载铁路轨道安全检测的无线传感网络结构，其特征在于，该结构包括传感器 节点、汇集节点和基站节点，且传感器节点、汇集节点和基站节点构成以基站节点为根、以 汇集节点为簇的树状网络，每个基站节点连接有多个汇集节点，每个汇集节点连接有多个 传感器节点，与汇集节点连接的多个传感器节点只与该汇集节点进行通信，汇集节点将接 收到的数据信息进行处理后，转发给基站节点，基站节点由网络协议转换器将数据信息转 发给远程计算机。
2.根据权利要求1所述的重载铁路轨道安全检测的无线传感网络结构，其特征在于， 所述传感器节点包括数据采集模块、数据处理模块、无线收发模块和能量供应模块，其中数据采集模块用来采集轨道裂缝位移和轨枕偏移位移值的模拟电信号数据；数据处理模块将传感器采集的模拟电信号转换成数字信号并储存；无线通信模块负责与汇集节点之间进行数据通信；电源模块为传感器节点提供能量。
3.根据权利要求2所述的重载铁路轨道安全检测的无线传感网络结构，其特征在于， 所述数据采集模块包含有用于采集铁路轨道位移数据的传感器，该传感器包括激光器(1)、 光纤⑵和位移刻度板(3)，其中，激光器⑴安装于被测物体的主轴⑶上，并沿被测物 体的主轴(8)进行运动；激光器(1)产生的激光束通过光纤( 照射到位移刻度板( 上； 位移刻度板C3)用于感应通过所述光纤( 传输的激光束，并产生光电流。
4.根据权利要求3所述的重载铁路轨道安全检测的无线传感网络结构，其特征在于， 所述位移刻度板C3)上的位移刻度由具有光电导效应的半导体材料制成。
5.根据权利要求3所述的重载铁路轨道安全检测的无线传感网络结构，其特征在于， 所述位移刻度板C3)进一步通过数字逻辑电路模块(9)连接于数字显示器G)，数字显示 器(4)用于接收所述位移刻度板C3)产生的光电流，并通过数字逻辑电路模块(9)将光电 流转换为相应的位移数字量进行显示。
6.根据权利要求2所述的重载铁路轨道安全检测的无线传感网络结构，其特征在于， 所述数据采集模块还包含有信号调整电路和A/D转换器。
7.根据权利要求2所述的重载铁路轨道安全检测的无线传感网络结构，其特征在于， 所述数据处理模块包含有微处理器和存储器，所述无线收发模块包含有MAC网关河收发ο
8.根据权利要求1所述的重载铁路轨道安全检测的无线传感网络结构，其特征在于， 所述汇集节点包括无线通信模块、数据处理模块和电源模块，数据转发路径是从群内传感 器节点到汇集节点再到基站节点，汇集节点在向基站节点转发数据之前，对群内的原始数 据进行聚合处理，降低实际需要传输到基站节点的数据量。
全文摘要
本发明公开了一种重载铁路轨道安全检测的无线传感网络结构，其特征在于，该结构包括传感器节点、汇集节点和基站节点，且传感器节点、汇集节点和基站节点构成以基站节点为根、以汇集节点为簇的树状网络，每个基站节点连接有多个汇集节点，每个汇集节点连接有多个传感器节点，与汇集节点连接的多个传感器节点只与该汇集节点进行通信，汇集节点将接收到的数据信息进行处理后，转发给基站节点，基站节点由网络协议转换器将数据信息转发给远程计算机。利用本发明，能够实时不间断地监测轨道结构安全，并向远程控制中心发布安全警报，有效避免人工监测效率低、漏检误检高的缺陷。
文档编号B61L23/00GK102107669SQ200910243740
公开日2011年6月29日 申请日期2009年12月23日 优先权日2009年12月23日
发明者吴茹菲, 张海英, 洪何清 申请人:中国科学院微电子研究所