一种轨道列车的运行数据采集传输系统及数据采集传输方法与流程

本发明涉及轨道列车运行控制技术领域，更具体地说，涉及一种轨道列车的运行数据采集传输系统及数据采集传输方法。

背景技术：

我国当前使用的高铁动车一般为8节车厢或者16节车厢，广泛应用于旅客运输场景中，相较于上百个车厢的货运列车，高铁动车算是短车厢场景，在日常铁路运输的场景中应用也更为广泛。随着我国轨道交通行业的蓬勃发展，轨道交通车辆的安全变得愈发重要。由于健康监测是列车安全运行的重要保障，因此需要采取相应的措施来实现列车核心部件的故障检测。传统的低效人工定期检查方式已无法满足当前的运营需求，因此亟需一种可以实时自动监测列车健康状况的系统，以解决人工定期检查效率较低，浪费人力资源的问题。

技术实现要素：

本发明提供一种轨道列车的运行数据采集传输系统及方法，以解决上述背景技术中存在的技术问题，

为实现上述目的，本发明所采用的具体技术方案如下：

一方面，本发明提供一种一种轨道列车的运行数据采集传输系统，包括

设置在所述轨道列车上的网关以及多个传感器节点，每一所述传感器节点包括：控制器、传感器、无线传输模块、可充电储能元件、振动能量收集器以及电池，其中：

所述振动能量收集器，用于将车轮轮轴振动产生的机械能转化为电能并传输给所述可充电储能元件进行存储；

所述控制器，用于在检测到所述可充电储能元件的电压大于预设电压阈值时选择所述可充电储能元件作为主供电源，在检测到所述可充电储能元件的电压小于等于预设电压阈值时选择所述电池作为主供电源；

所述传感器，用于在所述轨道列车运行的过程中采集所述轨道列车的运行数据；

所述无线传输模块，用于将所述运行数据传输至所述网关；

所述网关，用于将接收到的运行数据发送给服务器。

优选地，当所述控制器检测到所述轨道列车处于非运行状态，且所述可充电储能元件的电压小于等于预设电压阈值时，控制器控制相应的传感器节点进入休眠状态，并周期性的唤醒所述传感器节点，同时检测所述可充电储能元件的电压和所述轨道列车的运行情况，并根据所述可充电储能元件的电压与所述轨道列车的运行情况对所述传感器节点的工作状态进行控制。

优选地，当所述控制器检测到所述轨道列车处于运行状态，且所述可充电储能元件的电压大于预设电压阈值时，所述控制器控制所述传感器采集所述轨道列车的运行数据，并通过所述无线传输模块传输所述运行数据。

优选地，所述可充电储能元件为超级电容，所述传感器为三轴加速度传感器，所述电池为锂离子电池，所述无线传输模块为射频模块。

优选地，所述传感器节点按与所述网关之间的距离分区，除距离所述网关最近的分区以外，其他每一分区对应的传感器节点从该分区的目标邻区中选择至少一个传感器节点作为中继节点，接收并转发运行数据，直至将各传感器节点采集到的运行数据依次发送给相应的网关，每一分区的目标邻区为该分区的两个相邻分区中距离所述网关最近的分区。

优选地，所述轨道列车的车厢头和车厢尾各设置有一个网关，每一车轮位置处都设置有一个传感器节点，每个分区处于两节车厢交界处，轨道列车的预设分界线两侧的传感器节点用于分别向所述车厢头的网关和所述车厢尾的网关传输采集到的运行数据。

另一方面，本发明提供一种利用如上所述的轨道列车运行数据采集传输系统进行数据采集传输的方法，包括：

步骤s110：各所述传感器节点的控制器控制对应的传感器节点进入休眠状态；

步骤s120：在预设的第一唤醒时间周期到达后唤醒各传感器节点；

步骤s130：各传感器节点的控制器采集各自可充电储能元件的电压；

步骤s140：判断可充电储能元件的电压是否大于预设电压阈值，如是，转至步骤s150，否则，转至步骤s110；

步骤s150：判断轨道列车是否处于运行状态，如是，则转至步骤s160，否则，转至步骤s110；

步骤s160：各所述传感器节点对应的传感器分别采集所述轨道列车的运行数据，在通过各自对应的无线传输模块将各自采集的运行数据传送给所述网关后，再次进入步骤s110。

进一步的，在所述步骤s110之前，还包括：

初始化各个所述传感器节点；授时设备给各所述传感器节点同步rtc时钟，直至所有的所述传感器节点的rtc时钟一致。

进一步的，还包括：

在预设的第二唤醒时间周期到达后唤醒各所述传感器节点；各所述传感器节点选择各自的电池作为各自的rtc时钟的电源；各所述传感器节点发送广播包，所述光播包中包含对应传感器节点的rtc时钟信息，在完成rtc同步后，再次进入步骤s110。

进一步的，所述传感器节点按与所述网关之间的距离分区，除距离所述网关最近的分区以外，每一分区对应的传感器节点从该区的目标邻区中选择至少一个传感器节点作为中继节点，接收并转发运行数据，直至将各传感器节点采集到的运行数据依次发送给相应的网关，每一分区的目标邻区为该分区的两个相邻分区中距离所述网关最近的分区，各所述传感器节点基于tdma协议传输各自采集的运行数据，其步骤包括：

各所述传感器节点在各自对应的第一广播时隙内广播自身的地址信息和信号强度；

每一分区对应的传感器节点从该区的目标邻区中选择拥有最强接收信号值的传感器节点作为中继节点；

每个中继节点在各自对应的第二广播时隙内向选择该节点作为中继节点的传感器节点反馈其是否选择成功；

各所述传感器节点在各自对应的第三广播时隙内广播自身的地址信息和信号强度，以供上一次选择中继节点失败的传感器节点重新选择中继节点；

各所述传感器节点在各自对应的发送时隙发送对应的运行数据给对应的中继节点，从而将所有的运行数据传输给对应的网关。

发明有益效果：传感器节点可以及时的自动采集轨道列车的运行数据，并将其传输给网关，可以减少对轨道列车的运行情况进行监测的人力资源投入；控制器可以在轨道列车处于非运行状态，或检测到可充电储能元件的电压小于等于预设电压阈值时控制相应的传感器节点进入休眠状态，从而可以降低传感器节点的功耗；此外，所有的传感器节点在一起完成一次运行数据的传输后，也可以进入休眠状态，这种节能的方式为轨道列车的运行状态监测提供了能量保证，延长了传感器节点的使用寿命，有效降低了轨道列车的维修成本。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为本发明实施例一提供的轨道列车的运行数据采集传输系统的硬件结构示意图；

图2为本发明实施例一提供的传感器节点的一种硬件结构示意图；

图3为本发明实施例一提供的轨道列车的传感器网络拓扑示意图；

图4为本发明实施例一提供的时隙表分配示意图；

图5为本发明实施例二提供的轨道列车的运行数据采集传输系统的采集传输方法的流程示意图；

图6为本发明实施例二提供的传感器节点传输运行数据的流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例一

为解决现有技术中通常采用人工定期检查轨道列车的健康状况，导致检测效率低下，浪费人力资源的问题，本实施例提供一种轨道列车的运行数据采集传输系统，请参见图1所示，包括设置在轨道列车上的网关11以及多个传感器节点12，每一传感器节点12包括：控制器120、传感器121、无线传输模块122、可充电储能元件123、振动能量收集器124以及电池125，其中：

振动能量收集器124用于将车轮轮轴振动产生的机械能转化为电能并传输给可充电储能元件123进行存储；控制器120用于在检测到可充电储能元件123的电压大于预设电压阈值时选择可充电储能元件123作为主供电源，在检测到可充电储能元件123的电压小于等于预设电压阈值时选择电池125作为主供电源；传感器121用于在轨道列车运行的过程中采集轨道列车的运行数据；无线传输模块122用于传输运行数据；网关11用于将接收到的运行数据发送给服务器，以供服务器对该运行数据进行分析，从而确定轨道列车的健康状况。

请参见图2所示，在一种实施例中，传感器节点12中的可充电储能元件为超级电容126，传感器为三轴加速度传感器127，电池可以为大容量锂离子电池128，无线传输模块为射频模块129。需要说明的是，主供电源可以为整个传感器节点供电，也可以只为传感器节点中的部分器件供电，具体的，可以由大容量锂离子电池单独维持控制器的rtc时钟，超级电容则为其他器件供电。本实施例中的控制器可以通过硬件切换方式进行主供电源的切换，具体的，可以通过图2中的硬件切换开关130进行主供电电源的选择。

本实施例中的预设电压阈值可以等于传感器节点正常工作时需要的电压，当可充电储能元件的电压小于传感器节点正常工作时需要的电压，说明可充电储能元件无法传感器节点的需求，所以控制器可以通过硬件切换的方式将vdd主供电来源从可充电储能元件转移至电池。

为便于理解，这里给出一种传感器节点的具体结构。

传感器节点中的控制器可以是stm32微控制器，stm32微控制器可以是stm32l452re型号的32位arm芯片。l系列的stm32芯片都是低功耗的，在深度休眠下芯片的功耗小于10μa，可以大幅度延长传感器节点的寿命。振动能量收集器可以采用电磁式振动能量采集器，当外界振动时，弹性机构感应外界的振动，使永磁铁和线圈产生相对运动，线圈将感应到变化的磁通，产生电能输出，同时产生的电能可给超级电容充电。另外，rtc由大容量锂离子电池通过vbat引脚单独供电，以此来维持rtc时钟永远处于工作状态，保证了所有传感器节点能够同时休眠和唤醒。除rtc以外，stm32所有外设都由超级电容或者大容量锂离子电池通过vdd引脚供电，并且优先选择超级电容供电。利用adc采集超级电容电压，当超级电容电压下降至3.0v时，通过硬件切换的方式将vdd供电来源从超级电容转移至大容量锂离子电池。另外，三轴加速度传感器可以采用亚德诺半导体公司的adxl372芯片，这是一种测量范围±200g的超低功耗加速度计，可测量x，y，z三轴的加速度值，支持最高3200hz的采样频率，完全满足轨道列车的车轮轮轴振动数据采样需求。最后，无线射频模块可以采用at86rf212射频芯片，它支持780mhz/868mhz/915mhz频段。我们使用的是780mhz频段，该芯片具有低功耗、高灵敏度和穿透力强等特点，支持ieee802.15.4协议，能将需要传输的数据按照ieee802.15.4协议封装成相应的数据包。根据数据包中的目的地址可准确地将数据发送给对应地址的传感器节点，因此可利用无线射频模块将传感器节点按照实际需求进行个性化的组网。

本实施例一中的控制器还可以用于在检测到轨道列车处于非运行状态，或检测到可充电储能元件的电压小于等于预设电压阈值时控制相应的传感器节点进入休眠状态，这样充分考虑了轨道列车的运行场景，可以很好的降低传感器节点的功耗。需要说明的是，传感器节点在进入休眠状态后，控制器需要周期性的唤醒传感器节点，具体的可以基于rtc时钟来唤醒，并在唤醒的时候检测可充电储能元件的电压和轨道列车的运行情况，并根据可充电储能元件的电压与轨道列车的运行情况对传感器节点的工作状态进行控制。具体的，控制器可以在检测到可充电储能元件的电压大于预设电压阈值，且确定轨道列车处于运行状态时，控制传感器采集轨道列车的运行数据，并通过无线传输模块传输该运行数据。

需要说明的是，本实施例中的各传感器节点可以将采集到的运行数据直接传输给轨道列车上的网关；也可以通过多跳传输的方式传输给轨道列车上的网关，也即是传感器节点a可以将其运行数据传输给传感器节点b，传感器节点b将传感器节点a的运行数据与自身采集到的运行数据一起传输给传感器节点c，依次类推，直至将所有的运行数据传输给网关为止，应当理解的是，一个传感器节点应当将自己采集的运行数据以及接收到的其他传感器节点传输过来的运行数据一起向网关所在的位置方向传输，也即传感器节点a与网关之间的距离应当大于传感器节点b与网关之间的距离，传感器节点b与网关之间的距离大于传感器节点c与网关之间的距离。

所以本实施例中的传感器节点可以按与网关之间的距离分区，除距离网关最近的区以外，每一区对应的传感器节点从该区的目标邻区中选择至少一个传感器节点作为中继节点承担接收并转发运行数据的任务，直至将各传感器节点采集到的运行数据依次发送给相应的网关，每一区的目标邻区为该区的两个邻区中距离该网关最近的邻区，距离网关最近的区中的传感器节点则可以将自身采集到的运行数据直接传输给网关。

在一种示例中，轨道列车的车厢头和车厢尾各设置有一个网关，每一车轮位置处都设置有一个传感器节点，每个区处于两节车厢交界处，轨道列车的预设分界线两侧的传感器节点用于分别向车厢头的网关和车厢尾的网关传输采集到的运行数据。这里假设预设分界线为列车中心线，该分界线两侧的传感器节点可以通过多跳传输的方式分别向车厢头和车厢尾传输运行数据，实现组网和信息汇总，这里以分界线一侧的传感器网络拓扑来进行具体说明，请参见图3所示，图3为轨道列车的一种传感器网络拓扑图，图3中包括传感器节点和网关，每节车厢车轮位置均放置一个传感器节点用于振动数据采集，每节车厢都有8个传感器节点，传感器节点以多跳的方式将运行数据传输给网关。本实施例中按照传感器节点与网关之间的间距对传感器节点分区，将分为1、2、3、…、s、…、s区，用于组网时的位置识别，其中s表示总的区数。每个区处于两节车厢交界处，除1区和s区节点包含4个节点外，其余每个区包含8个节点。传感器节点可以按照1区到s区的顺序编号为1、2、…、n、…、n，并且可以将传感器节点的地址设置为其编号值，n表示传感器节点的总数目。数据的多跳传输将从s+1区传输到s区，直至传输至网关。

本实施例中的传感器节点可以基于tdma完成运行数据的传输，tdma是调度型mac协议中最为常用的机制，它将时间划分成周期性的帧，每个帧在内部又被细分为时隙，本实施例中的传感器节点可以在tdma机制下进行周期性的工作与休眠，以提高本实施例系统的可控性与实时性，使传感器节点尽可能地降低功耗，最终达到节能的目的。

本实施例中时隙表的分配如图4所示，t表示传感器网络运行在第t个活跃周期，每一个活跃周期的帧分为5个时隙段，分别用于邻居信息获取和中继节点初选、中继节点选择结果反馈、重新选择中继节点、数据传输和休眠。每个时隙段又分为hi个时隙，每个时隙的长度为lslot，则每个时隙段的长度为hilslot。时隙的具体分配如下：

邻居信息获取和中继节点初选时隙分配：此时隙段hi＝n，满足为每个节点分配一个单一的广播时隙，为便于区分，这里将该时隙段内分配的广播时隙称为第一广播时隙，设置n节点的编号为n的时隙为第二广播时隙。各传感器节点可以在各自的第一广播时隙内广播自己地址信息、信号强度信息和rtc时钟值。同时，在s+1区节点收到来自s区所有节点的信号强度信息后，s+1区中的各传感器节点可以分别为自己选择中继节点，具体的，各传感器节点可以选择拥有最强接收信号值的节点作为自己的中继节点。然后，在s+1区中所有节点广播完成之前，s区节点均处于接收状态，即s区节点会收到s+1区节点的带有中继节点初次选择信息的广播包。

中继节点选择结果反馈时隙分配：此时隙段hi＝n，同样满足为每个节点分配一个单一的广播时隙，这里称之为第二广播时隙。设置n节点的编号为n的时隙为第二广播时隙，中继节点在该时隙给子节点广播其是否选择成功。假设n节点在s区，则在s区中所有节点广播完成之前，s+1区节点均处于接收状态。1区所有节点的中继节点默认设置为网关，即1区直接传输数据给网关。

重新选择中继节点时隙分配：此时隙段hi＝n，同样满足为每个节点分配一个单一的广播时隙。设置n节点的编号为n的时隙为广播时隙，在上一次广播时隙，中继节点选择失败的传感器节点可以在该时隙重新选择中继节点。在每个区8个节点的轨道交通车辆场景下，一个中继节点最多能拥有两个子节点，因此第二次一定可以给每一个节点选择一个中继节点。假设n节点在s+1区，则在s+1区中所有节点广播完成之前，s区节点均处于接收状态，即s区节点会收到s+1区节点的带有中继节点第二次选择信息的广播包。

数据传输时隙分配：此时隙段hi＝n。所有节点在第一个时隙写入同一个rtc时钟值，完成节点间的rtc同步。设置n节点的编号为hi-n+1的时隙为发送时隙，节点在该时隙发送自己的数据给中继节点。每个中继节点在选择自己为中继节点的若干子节点的发送时隙处于接收状态，接收子节点数据。

休眠时隙分配：此时隙段hi可根据当前节点剩余电量自由选择。该时隙所有节点进入休眠状态，用于降低传感器节点的功耗，同时用于可充电储能元件的电量恢复。

实施例二

基于上述实施例提供的轨道列车运行数据采集传输系统，本实施例提供一种采集传输方法，请参见图5所示，包括：

s2：各传感器节点的控制器控制对应的传感器节点进入休眠状态。

s4:在预设的第一唤醒时间周期到达后唤醒各传感器节点。

第一唤醒时间周期可以是0.5小时，当然也可以是20分钟，1小时等等，具体的，可以通过rtc闹钟事件唤醒传感器节点。

s6:各传感器节点的控制器采集各自可充电储能元件的电压。

s8:判断可充电储能元件的电压是否大于预设电压阈值，如是，转至s10，否则转至s2。

s10：判断轨道列车是否处于运行状态，如是，转至s12，否则转至s2。

本实施例中可以通过传感器采集的轨道列车的振动数据来判断列车是处于静止状态还是运行状态。

s12：各传感器节点对应的传感器分别采集轨道列车的运行数据，在通过各自对应的无线传输模块将各自采集的运行数据传送给网关后，再次进入s2。

这里以传感器为三轴加速度传感器为例进行具体说明，三轴加速度传感器可以采集1s时长的数据，选择2048个数据点做傅里叶变换，求出频谱分量值最高的五个频率，将频率值作为负载数据，并按照ieee802.15.4协议的mac层格式和wirelesshart协议的网络层格式来封包，在一些实施例中，此时可以直接进入发送状态，但是在其他一些实施例中，传感器节点可以再次进入休眠状态，再经过第一唤醒时间周期之后，传感器节点被唤醒，如果可充电储能元件电压大于预设电压阈值且列车处于运行状态，传感器节点再进入发送状态。在发送过程中，传感器节点初始化时隙表，在时隙表安排的时隙中，首先完成邻居节点信息的获取，在规定的广播时隙发送广播告知邻居节点自身信息，在规定的监听时隙监听邻居节点的广播，在完成邻居节点信息的获取后，节点将按照接收信号的强度值选择中继节点，同时，在规定的时隙广播通知该中继节点自己数据传输的时隙标号，中继节点接收到该通知，记录该子节点的标号，完成整个中继节点选择流程，最后，在数据传输时隙，中继节点将在子节点的数据传输时隙处于接收状态，接收子节点发送的数据。数据将按照时隙安排经由多跳传送至网关，从而完成数据的传输。这一具体的过程中将在后面进行具体介绍。

可选的，在步骤s2之前，还可以包括以下步骤：

s0：各传感器节点内部模块初始化；

s1：授时设备给各传感器节点同步rtc时钟，直至所有的传感器节点的rtc时钟一致。

可选的，在步骤s2之后，还可以包括以下步骤：

s3：在预设的第二唤醒时间周期到达后唤醒各传感器节点。

s5：各传感器节点选择各自的电池作为各自的rtc时钟供电源。

s7：各传感器节点发送广播包，光播包中包含对应传感器节点的rtc时钟信息，在完成rtc同步后，再次进入s2。

第二唤醒时间周期可以是24小时，也即是说，如果长达24小时传感器节点都处于休眠状态的话，传感器节点将被rtc闹钟事件唤醒。不管此时是超级电容供电还是大容量锂离子电池供电，不管列车当前处于静止还是运行状态，节点都需要发送带有自己rtc时钟信息的广播包，以此来实现所有传感器节点的rtc同步，避免由于晶振本身的误差导致的rtc时钟不一致的问题。所有传感器节点完成rtc同步后再次进入休眠状态，等待下一次被rtc闹钟事件唤醒。至此，传感器节点完成了一个周期的所有工作。

本实施例中的传感器节点可以按与网关之间的距离分区，除距离该网关最近的区以外，每一区对应的传感器节点从该区的目标邻区中选择至少一个传感器节点作为中继节点承担接收并转发运行数据的任务，直至将各传感器节点采集到的运行数据依次发送给相应的网关，每一区的目标邻区为该区的两个邻区中距离所述网关最近的邻区，各传感器节点基于tdma协议传输各自采集的运行数据，其步骤可以参见图6所示，包括：

s601：各传感器节点在各自对应的第一广播时隙内广播自身的地址信息和信号强度。

s602：每一区对应的传感器节点从该区的目标邻区中选择拥有最强接收信号值的传感器节点作为中继节点。

s602：每个中继节点在各自对应的第二广播时隙内向选择该节点作为中继节点的传感器节点反馈其是否选择成功。

s603：各传感器节点在各自对应的第三广播时隙内广播自身的地址信息和信号强度，以供上一次选择中继节点失败的传感器节点重新选择中继节点。

s604：各传感器节点在各自对应的发送时隙发送对应的运行数据给对应的中继节点，从而将所有的运行数据传输给对应的网关。

要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

综上所述，本发明实施例所述的系统通过传感器节点中的振动能量收集器将振动产生的机械能转化为电能并传输给可充电储能元件进行存储，对应传感器节点中的控制器根据可充电储能元件的电压大小选择可充电储能元件或电池作为主供电源进行供电，传感器在轨道列车运行的过程中采集轨道列车的运行数据，并将该数据通过无线传输模块传输给网关，以供网关将该运行数据传输给服务器进行分析，其中，多个传感器节点和网关都设置在轨道列车上，所以传感器节点可以及时的自动采集轨道列车的运行数据，并将其传输给网关，可以减少对轨道列车的运行情况进行监测的人力资源投入。

控制器可以在轨道列车处于非运行状态，或检测到可充电储能元件的电压小于等于预设电压阈值时控制相应的传感器节点进入休眠状态，从而可以降低传感器节点的功耗；此外，所有的传感器节点在一起完成一次运行数据的传输后，也可以进入休眠状态，这种节能的方式为轨道列车的运行状态监测提供了能量保证，延长了传感器节点的使用寿命，有效降低了轨道列车的维修成本。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质(如rom/ram、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端(可以是手机，计算机，服务器，空调器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。