一种基于物联网技术铁路轨道振动监测系统及法的制作方法

本公开涉及监测
技术领域：
，特别是涉及一种基于物联网技术铁路轨道振动监测系统及法。
背景技术：
：随着我国经济社会的发展和人们生活水平的提高，铁路运输的需求变得越来越强。这使得铁路运输系统必须大幅提高列车行驶速度、载重和运输密度，来满足这种需求。列车行驶速度、载重和运输密度的提高使得机车车辆和轨道间的动力学作用力增强、冲击频率提高，影响钢轨安全的因素也变得越来越复杂。轮轨交互作用是铁路运输的本质特征，列车行驶速度的提高和载重的増大，使得轮轨交互作用増强，影响运行稳定性和乘坐舒适性；运输密度的提高，会使得轮轨交互作用频繁，促使钢轨表面接触疲劳。车体与铁轨的振动故障对公共财产及人身安全会构成严重的威胁。因此如何准确检测铁路的振动并判断故障是摆在铁路工作者面前刻不容缓的实际问题。发明人在研究中发现，在轮轨交互振动监测方面，目前主要采用测力轮对、测力钢轨、超声波测量法、声音放射法、x射线测量法等。这些方法采集数据多需要人工汇集和现场作业，受维护/维修时间窗口所限，也难用于大范围、全天候的轮轨交互检测。随着信息技术的发展，无线通讯技术和加速度传感器技术被应用到铁路监测系统中。但是，这种传统的铁路振动监测仪本身存在很多问题，例如：耗时长，未实时，精度低等问题。所使用的处理器通常为8位或16位的微控制单元，其作为控制核心部件，利用微处理器对加速度传感器采集到的铁路振动加速度信号进行数据处理分析，通过有线或者无线通信方式将数据发送到pc上位机进行实时显示，存储及特征值提取。这类设备的缺点包括：数据运算能力差、数据存储量小、处理器单元工作主频低、人机交互效果不满意。由于缺少高端的软硬件支持，波形图分辨率低并且无法进行实时数据显示。最大的问题在于系统的数据采集设备体积较大，不便于使用。技术实现要素：本说明书实施方式的目的是提供一种基于物联网技术铁路轨道振动监测系统，为高精度、高速、多通道的实时在线铁路轨道振动监测系统。本说明书实施方式提供一种基于物联网技术铁路轨道振动监测系统，通过以下技术方案实现：包括：多个铁轨振动监测节点、无线数据网关及后台监控中心；所述多个铁轨振动监测节点分成若干组，每一组的监测节点分别与各组对应的无线数据网关通信，无线数据网关分别与后台监控中心通信，所述后台监控中心实时分析接收到的轨道振动数据，对每个节点数据进行相应的数据处理，实时反映每个节点位置轨道的振动情况；其中，所述铁轨振动监测节点收到无线数据网关发来的命令指令，首先判断命令指令类型，如果是上报数据指令，则将当前数据通过无线lora网络发送给无线数据网关，并更新数据存储区；如果是修改采样周期指令，则将节点采样周期存储在铁轨振动监测节点中，同时修改节点的发送周期。本说明书实施方式提供一种基于物联网技术铁路轨道振动监测方法，通过以下技术方案实现：包括：无线数据网关通过无线lora网络与节点进行通讯，接收节点发送的数据，然后判断其类型，并进行数据分类存储；同时无线数据网关通过无线lora网络发送指令给节点，实现设置节点的采样周期、读取节点的实时数据；无线数据网关通过4g网络与后台监控中心进行通讯，定时发送节点采集的数据，同时无线网关在接收到后台监控中心指令后，判断指令类型，执行相应操作。与现有技术相比，本公开的有益效果是：本公开综合运用lora无线通讯技术、mems电容加速度传感器技术、4g无线通讯技术、gps/bd定位技术、微能量收集技术和无线充电技术等，为高精度、高速、多通道的实时在线铁路轨道振动监测系统。本公开铁路轨道振动监测节点，仅负责铁路轨道振动数据的采集和发送，不进行分析和处理，以使节点能耗降低，延长节点的工作寿命和维护周期。本公开监测系统采用了三级结构，相较于传统的基于gprs传输的单个轨道振动监测节点，降低了运行费用，缩小了监测节点体积，降低了节点能耗。本公开监控中心的上位机软件实时分析接收到的轨道振动数据，对每个节点数据进行相应的数据处理，实时反映每个节点位置轨道的振动情况。这种做法利用了监控中心pc机的强大数据处理功能，降低了采集节点和无线网关的工作时间，有利于整个监控网络长期有效可靠的运行。附图说明构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。图1为本公开实施例子的基于物联网技术铁路轨道振动监测系统的结构图；图2为本公开实施例子的铁路轨道振动监测节点结构图；图3为本公开实施例子的无线数据网关的结构图；图4为本公开实施例子的铁路轨道振动监测节点工作流程图；图5为本公开实施例子的无线数据网关工作流程图。具体实施方式应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属
技术领域：
的普通技术人员通常理解的相同含义。需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。物联网技术的发展使得钢轨监测设备可以摆脱环境限制，能够布设在野外、高低温等恶劣环境处。利用物联网监测铁路钢轨具有长期性、实时性、无人为误差、全线路评估等优点，具有良好的应用前景。利用钢轨振动来评估钢轨安全状态，是铁路线路维护的一种重要手段。随着大型机械的日益增长，铁路系统也急需开发出一种满足高精度、高速度、多通道的实时在线加速度监测分析仪，来更加准确的检测铁路振动,进行故障判定。实施例子一该实施例公开了一种基于物联网技术铁路轨道振动监测系统，参见附图1所示，该系统由三级组成：铁轨振动监测节点、无线lora通讯网关及后台监控中心。在具体实施例中，铁轨振动监测节点的具体结构参见附图2所述，由加速度传感器、可充电电池、无线lora收发器、振动能量采集器、薄膜太阳能板和无线充电接口组成。加速度传感器采用硅mems的电容式加速度传感器，负责采集铁路轨道加速度数据，通过其模拟量输出接口将加速度数据发送给无线lora收发器。无线lora收发器通过无线lora网络，将数据发送给其所在网络的无线数据网关。振动能量采集器负责收集铁路轨道振动产生的能量，并通过能量管理芯片给可充电电池充电。薄膜太阳能板收集阳光产生的电能，并通过能量管理芯片给可充电电池充电。无线充电接口用于在节点完全没有能量时，通过无线充电装置给节点内部的可充电电池充电。可充电电池给节点提供工作时的能量，包括加速度传感器和无线lora收发器工作时所需要的能量。本公开实施例子中，采用电容式加速度传感器，实时监测轨道的振动情况。采用薄膜太阳能和振动能量收集技术，利用微能量技术收集能量存储在电池中。采用无线充电技术，当系统电池电量耗尽时，可以通过人工维护，利用无线充电技术为系统电池充电，使系统监测节点可以继续工作。利用lora无线通讯技术传输轨道振动的加速度信息，传输距离更远，功耗更低。本公开实施例子中，铁路轨道振动监测节点采用基于硅mems的电容式加速度传感器，适用于低频到中频的轨道振动测量，与传统的机械式振动测量装置相比，具有可靠性高、稳定性强、信号噪声低、尺寸小和功耗低等优点。本公开实施例子中，铁路轨道振动监测节点，采用可充电池供电，辅助以薄膜太阳能电池和振动能量采集器作为能量补充，延长了节点的工作寿命；同时提供了无线充电接口，便于进行人工充电维护。在具体实施例中，无线数据网关由无线lora收发器、数据存储模块、4g通讯模块、gps/bd定位模块、风光互补发电模块和ac/dc电源转换模块等组成。无线数据网关的结构图如附图3所示。无线数据网关采用220v/50hz交流电源供电，蓄电池作为无线数据网关的后备电源。交流电源通过ac/dc电源转换模块一方面给无线数据网关供电，一方面给蓄电池充电。风光互补发电模块采集风能和太阳能，并将能量存储到蓄电池中。dc/dc电源模块将ac/dc电源模块和蓄电池的输出直流电压转换为无线数据网关其他部分所需要的电压，这些部分包括gps/bd定位模块、mcu、数据存储模块、4g通讯模块和无线lora收发器。gps/bd定位模块负责提供无线数据网关所在位置的地理信息，并将信息发送给mcu。数据存储模块在4g网络信号出现异常时，负责存储无线数据网关接收到的关键数据信息，并在4g网络恢复正常时将数据通过4g网络发送出去。mcu负责接收gps/bd定位模块信息，接收无线lora收发器的数据，通过无线lora收发器向节点发送命令，通过4g通讯模块将节点的数据信息发送出去。4g通讯模块一方面接收到mcu指令，将数据信息通过4g网络发送到监控中心；另一方面通过4g网络接收监控中心指令，并将指令发送给mcu进行解析。本公开无线lora通讯网关：①选取铁路沿线易于取电位置，采用市电供电，风光互补发电装置作为补充，系统具有后备电池，以便数据出现问题时维持系统工作，保存相关数据。②采用无线lora技术向监测节点发出指令，接收铁路轨道振动监测节点发送的数据，进行本地存储和远程发送；远程发送通过4g通讯技术，发送到铁路振动监测服务器。③采用gps/bd模块，实时接收位置信息和时间信息。本公开采用辅助lora无线定位技术，可以估算每个节点相对于无线数据网关的位置，不需要每个节点配备定位模块，节约了系统成本，缩小了监测节点体积，降低了节点能耗。本公开无线数据网关具有数据存储功能，可在因4g网络故障无法发送数据时，将数据存储在本地，待4g网络恢复后，再将数据发送到后台服务器，避免出现因4g网络故障导致的数据丢失问题。在具体实施例子中，后台监控中心由数据服务器、pc机、监控软件、ups电源等构成。(1)数据服务器。存储由无线数据网关发送的铁路轨道振动数据。(2)pc主机。运行上位机软件，对轨道监控数据进行分析，通过是下发监控指令给无线数据网关，实时查询各个节点数据。(3)ups电源。为监控中心提供电源。本公开实施例子中，数据服务器即铁路振动监测服务器：①服务器存储各个无线lora网关发送的数据，按照节点地址、采集时间等分类进行存储。②每个检测节点的数据按照采集时间顺序自动生成报表，出现异常数据时，生成报警信息，及时检修。本公开实施例子中，监控中心的上位机软件实时分析接收到的轨道振动数据，对每个节点数据进行相应的数据处理，实时反映每个节点位置轨道的振动情况。这种做法利用了监控中心pc机的强大数据处理功能，降低了采集节点和无线网关的工作时间，有利于整个监控网络长期有效可靠的运行。实施例子二该实施例公开了一种基于物联网技术铁路轨道振动监测方法，该监测方法可以基于实施例子一中的监测系统实现，但不限于上述实施例子一中的具体监测系统。节点的工作流程如图4所示。节点平时处于低功耗休眠模式，当轨道发生振动时，节点被唤醒，采集加速度传感器数据并存储。同时每隔一个定时周期，对电池电压进行采样并将采样。如果电池电压低于设定阈值时，将电池电压数据发送到无线数据网关，告知其节点电压过低需要维护。节点收到无线网关发来的命令指令，首先判断命令指令类型：(1)如果是上报数据指令，则将当前数据通过无线lora网络发送给无线网关，并更新数据存储区。(2)如果是修改采样周期指令，则将节点采样周期存储在节点的非易失存储器中，同时修改节点的发送周期。③节点发送的数据帧格式节点发送的数据帧分为以下几种(1)振动幅度采集数据帧其中帧头为十六进制数0x55，帧尾为0xaa，帧类型为0x01；地址码，采用两个字节十六进制数表示；三个方向的振动数据采用两个字节十六进制数表示；校验采用crc校验，校验和两个字节。(2)电池电压采集数据帧帧头帧类型地址码电池电压校验和帧尾0x550x02xxxxxxxxx0xaa其中帧头为十六进制数0x55，帧尾为0xaa帧类型为0x02；地址码，采用两个字节十六进制数表示；电池电压数据采用两个字节十六进制数表示；校验采用crc校验，校验和两个字节。(3)命令应答数据帧帧头帧类型地址码校验和帧尾0x550x03xxxxxx0xaa其中帧头为十六进制数0x55，帧尾为0xaa，帧类型为0x03；地址码，采用两个字节十六进制数表示；电池电压数据采用两个字节十六进制数表示；校验采用crc校验，校验和两个字节。此外，为了降低节点功耗，主要采用两方面的措施：(1)电源方面：采用高密度电池供电；振动能量采集模块和薄膜太阳能电池进行能量收集，将采集的能量存储到电池中。(2)节点耗电控制方面：降低发射数据频次，根据轨道振动情况，动态调整发射数据间隔时间。无线数据网关工作流程如图5所示。无线数据网关的工作流程如下：无线数据网关通过无线lora网络与节点进行通讯，接收节点发送的数据，然后判断其类型，并进行数据分类存储；同时无线数据网关通过无线lora网络发送指令给节点，这些指令可以是广播模式，也可以是寻址模式，通过指令可以实现设置节点的采样周期、读取节点的实时数据等功能。无线数据网关通过4g网络与服务器进行通讯，定时发送节点采集的数据。同时无线网关在接收到服务器指令后，判断指令类型，执行相应操作。③无线网关数据帧格式无线网关发送的数据帧分为以下几种(1)采集节点振动数据指令帧帧头帧类型地址码校验和帧尾0x550x01xxxxxx0xaa其中帧头为十六进制数0x55，帧尾为0xaa，帧类型为0x01；地址码，采用两个字节十六进制数表示；校验采用crc校验，校验和两个字节。(2)采集节点电池电压指令帧帧头帧类型地址码校验和帧尾0x550x02xxxxxx0xaa其中帧头为十六进制数0x55，帧尾为0xaa，帧类型为0x02；地址码，采用两个字节十六进制数表示；校验采用crc校验，校验和两个字节。(3)修改节点采样周期指令帧帧头帧类型地址码采样周期校验和帧尾0x550x03xxxxxxxxx0xaa其中帧头为十六进制数0x55，帧尾为0xaa，帧类型为0x03；地址码，采用两个字节十六进制数表示；采样周期采用一个字节十六进制数表示，单位为秒，设定范围1～255秒；校验采用crc校验，校验和两个字节。(4)无线网关发送数据帧帧头帧类型数据个数数据1数据2、、、数据n校验和帧尾0x550x04nxxxxxx、、、xxxxxx0xaa其中帧头为十六进制数0x55，帧尾为0xaa，帧类型为0x04；数据个数n，采用一个字节十六进制数，表示发送的数据组个数；数据1～数据n表示n个节点当前的数据，包含节点地址和节点振动数据；；校验采用crc校验，校验和两个字节。监控中心的上位机软件实时分析接收到的轨道振动数据，对每个节点数据进行相应的数据处理，实时反映每个节点位置轨道的振动情况。这种做法利用了监控中心pc机的强大数据处理功能，降低了采集节点和无线网关的工作时间，有利于整个监控网络长期有效可靠的运行。可以理解的是，在本说明书的描述中，参考术语“一实施例”、“另一实施例”、“其他实施例”、或“第一实施例～第n实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。当前第1页12