嵌入式网关、采用该网关的铁路监测系统及其方法
【专利摘要】本发明提供一种铁路专用的嵌入式网关、采用该网关的铁路监测系统。该嵌入式网关，包括以太网接口，用于通过以太网与车站服务器通信；CAN接口，用于通过CAN总线从铁路的轨道上设置的多个传感器节点接收符合CAN总线协议的多个CAN帧；核心转换网关，用于基于与每个所述CAN帧相关的任务的优先级、由这些接收的CAN帧作为消息报文生成第一消息队列，并按该第一消息队列中预定的顺序，读出所述消息报文并将其转换成符合另一通信协议的数据报文以通过所述以太网接口发送给所述车站服务器。利用本发明的嵌入式网关，可以实现高速、实时、可靠地监测铁路设备如道岔转换设备的状态。
【专利说明】嵌入式网关、采用该网关的铁路监测系统及其方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及信号通信【技术领域】，特别涉及铁路轨道状态实时监测技术。
【背景技术】
[0002]随着列车运行速度的大幅度提高，列车运营系统对铁路道岔相关设备的要求越来越高。道岔转换设备是列车运行的重要基础设备，此设备能否正常工作将直接影响到列车运行安全和运营效率。随着铁路客运专线的建设和既有线的提速，特别是在高速铁路大号码道岔上，一旦出现故障将严重影响铁路的运营，甚至发生灾难性事故。为此，在铁路线上特别是道岔上布置了大量的传感器阵列并建立了道岔监测系统以监测轨道交通线路上关键道岔及其转换设备，以便实时、可靠地监测道岔转换设备，为维护，保养和维修提供决策支持。因此，需要在现场的数据采集中，对大量的现场传感器测量信号进行高速实时采集，并进行高速的滤波和去噪处理，从而获取相应道岔转换设备的具体工作参数。
[0003]在现有技术中，通常采用集中式数据采集和处理模式。图1示出了现有技术中道岔监测系统的示意图。如图1所示，现场的传感器节点I一 N负责测量现场道岔转换设备的工作参数，同时通过CAN总线直接接入一监测工控机，从而将所有的道岔转换设备的具体工作参数通过CAN总线发送给工控机，并由该工控机进行数据处理与分析；同时用户也是通过由工控机提供的诊断界面，操作工控机将控制命令发送给相应的传感器节点，如要求传送某一道岔的状态参数、变更传感器节点的采样频率等。然而上述集中式工作模式会极大的加重工控机的处理负担，轻则造成数据采集的延时和不同步，无法满足信号采集的精度和速度要求，严重时则会导致工控机的死机。
【发明内容】
[0004]在工业控制自动化领域，现场总线技术代表了控制系统向网络化、全开放、全分散的系统结构的发展方向，其中控制器局域网络(CAN)总线是目前应用最广泛的一种现场总线，而以以太网及TCP/IP协议为代表的信息网络则满足了社会各行业对更广泛的信息交换及共享的需求。本发明正是通过将这种控制网络与信息网络融合在一起，不仅可以实现整个铁路系统范围内的信息共享，而且提高了铁路设备如道岔状态的高速和实时监测。
[0005]本发明目的在于提出一种嵌入式网关和方法，特别适用于铁路系统，可以高速、实时、可靠地监测铁路设备如道岔转换设备的状态。通过使用嵌入式网关来实现上述CAN总线网络与以太网络的数据互连，不仅可以使管理深入到现场，而且还为系统组网带来非常大的方便。
[0006]按照本发明的一个方面，提供一种铁路专用的嵌入式网关，包括:
[0007]以太网接口，用于通过以太网与车站服务器通信；
[0008]CAN接口，用于通过CAN总线从铁路的轨道上设置的多个传感器节点接收符合CAN总线协议的多个CAN帧；
[0009]核心转换网关，用于基于与每个所述CAN帧相关的任务的优先级、由这些接收的CAN帧作为消息报文生成第一消息队列，并按该第一消息队列中预定的顺序，读出所述消息报文并将其转换成符合另一通信协议的数据报文以通过所述以太网接口发送给所述车站服务器。
[0010]优选地，所述核心转换网关通过所述以太网接口从所述车站服务器接收控制指令，将其转换为符合所述CAN总线协议的控制指令，将包含该控制指令的第二消息队列传递到所述CAN接口，以发送给由该控制指令中包含的传感器节点标识所确定的所述多个节点中的一个节点。
[0011]优选地，所述CAN接口包括分别用相互隔离的独立电源供电的CAN收发器和CAN控制器以及置于CAN收发器和CAN控制器之间的光耦。
[0012]优选地，所述核心转换网关包括CAN通信模块、协议转换模块以及以太网通信模块，
[0013]其中所述CAN通信模块将所述多个消息报文发送进所述第一消息队列中，并将该消息队列中每个消息报文的指针传递给一接收缓冲器；所述协议转换模块通过读取所述接收缓冲区中的消息报文指针来读取第一消息队列中的消息帧，以便转换成符合所述另一通信协议的数据报文；以及所述以太网通信模块将转换后的数据报文通过以太网发送给车站服务器。
[0014]优选地，所述接收缓冲器是环形数据缓存器。
[0015]优选地，所述第一消息队列的长度是可变的，以接受具有可变长度的消息报文。
[0016]优选地，所述核心转换网关还包括调度器，用于确定所接收的消息报文所属的任务优先级，并基于该优先级确定该消息报文在所述第一消息队列中的排列位置。
[0017]优选地，所述另一通信协议是TCP/IP或UDP协议。
[0018]根据本发明的另一个方面，提供一种铁路信号通信方法，包括:
[0019]通过连接到CAN总线上的CAN接口从铁路的轨道上设置的多个传感器节点接收符合CAN总线协议的CAN帧；
[0020]生成第一消息队列，该第一消息队列包括作为其消息报文的CAN巾贞,该消息报文在该消息队列的排列位置取决于与所述消息报文相关的任务的优先级；
[0021]基于该第一消息队列中给定的顺序，读出所述消息报文并将其转换成符合另一通信协议的数据包以通过以太网接口发送给车站服务器。
[0022]优选地，该方法还包括:通过所述以太网接口从所述车站服务器接收控制指令，将其转换为符合所述CAN总线协议的CAN控制指令，发送包含该CAN控制指令的第二消息队列到所述CAN接口以控制由包含在指令中的传感器节点标识所确定的所述多个传感器节点中的一个节点。
[0023]优选地，该方法还包括:将第一消息队列中每个消息报文的指针传递给一接收缓冲器；通过读取所述接收缓冲区中的消息指针来读取第一消息队列中的消息数据，以便转换成符合所述另一通信协议的数据包。
[0024]优选地，所述接收缓冲器是环形数据缓存器。
[0025]优选地，所述第一消息队列的长度是可变的，以接受具有可变长度的消息报文。
[0026]优选地，所述生成第一消息队列的步骤包括确定所接收的消息报文所属的任务优先级，并基于该优先级确定该消息报文在所述第一消息队列中的排列位置。[0027]根据本发明的再一个方面，提供一种铁路专用的嵌入式网关，包括:
[0028]处理器，配置为:
[0029]通过连接到CAN总线上的CAN接口从铁路的轨道上设置的多个传感器节点接收符合CAN总线协议的CAN帧；
[0030]生成第一消息队列，该第一消息队列包括作为其消息报文的CAN巾贞,该消息报文在该消息队列的排列位置取决于与所述消息报文相关的任务的优先级；
[0031]基于该第一消息队列中给定的顺序，读出所述消息报文并将其转换成符合另一通信协议的数据包以通过以太网接口发送给车站服务器；以及
[0032]与该处理器耦合的存储器。
[0033]根据本发明的再一个方面，提供一种铁路监测系统，包括:连接到CAN总线的多个传感器节点，用于采集铁道设备的状态参数；嵌入式网关，连接到所述CAN总线以接收所述状态参数；以及通过以太网连接到所述嵌入式网关的车站服务器，用于分析通过所述嵌入式网关传送的来自传感器节点的状态参数并控制所述传感器节点的数据采集。
[0034]根据本发明的又一个方面，提供一种计算机程序产品，记录有机器可读的指令，在执行时使计算机执行如下操作:
[0035]通过连接到CAN总线上的CAN接口从铁路的轨道上设置的多个传感器节点接收符合CAN总线协议的CAN帧；
[0036]生成第一消息队列，该第一消息队列包括作为其消息报文的CAN巾贞,该消息报文在该消息队列的排列位置取决于与所述消息报文相关的任务的优先级；
[0037]基于该第一消息队列中给定的顺序，读出所述消息报文并将其转换成符合另一通信协议的数据包以通过以太网接口发送给车站服务器。
[0038]根据本发明实现的嵌入式网关优点还表现在:增大了铁路监测系统中CAN节点即传感器节点的数量。在无中继器的情况下，借助于该现场的嵌入式网关的电气驱动能力，所连接的传感器节点可达110个。同时可利用每个嵌入式网关连接一个CAN子网，并由多个嵌入式网关通过以太网网络方便地组建大型网络，将多个CAN子网联结在一起，增加了铁路监测系统可监测的节点数。
[0039]这种嵌入式网关所带来的好处还表现在扩大了系统的组网范围。一般的在通信速率最高达IMbps的状况下，CAN的传输距离大约在40米，而根据本发明通过以嵌入式网关的以太网联系，实现CAN子网的互联，可突破区域和距离的限定。另外，正是借助于这种嵌入式网关，可允许不同的总线传输速度的CAN节点联结在一起，用户可以根据需要设置IP地址和CAN控制器的波特率。
[0040]根据本发明实现的铁路监测系统，具有通信实时性高，噪声环境中抗干扰能力强，可靠性高，故障状态检测及恢复迅速特点，适用于网络传感器以及实时系统的多节点网络执行机构，为铁路信号领域数据传输方面提供了一种高可靠性的技术方案。
[0041]而且，借助于本发明的嵌入式网关，在进行CAN和以太网的协议转换期间，具有协议转换数据解析的正确完整，响应迅速，耗时低，实时性好的优点。
【专利附图】
【附图说明】
[0042]图1是现有技术的铁路监测系统示意图；[0043]图2是根据本发明的铁路监测系统的示意图；
[0044]图3是根据本发明的铁路监测系统的处理流程图；
[0045]图4a和4b是本发明使用的消息队列的示例，其示出发送消息的情形；
[0046]图5是根据本发明实施例的嵌入式网关的结构示意图；
[0047]图6示出了根据本发明一个实施例的消息传送机制；
[0048]图7示出根据本发明的数据处理的示例性流程图；
[0049]图8示出根据本发明的嵌入式网关的硬件实现示意图。
【具体实施方式】
[0050]为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚，以下参照附图并举实施例，来对本发明进一步详细描述。在以下全文描述中，同一附图参考标号表示相同的部件或特征。
[0051]图2示出了根据本发明的铁路监测系统的架构示意图。如图所示，其包括车站服务器1、与车站服务器I通过以太网4通信的专用嵌入式网关3，嵌入式网关3通过CAN总线5与多个传感器节点2连接。如图所示，本发明的铁路监测系统通过设置多个嵌入式网关以及与每个网关连接的、由传感器节点构成的CAN子网，而扩展了可监测的铁路道岔的节点数，并可对这些节点进行远程管理。现场的传感器节点2采用基于微处理器的控制网络测控系统，负责测量现场道岔转换设备的工作参数，将测量结果通过CAN总线发送给嵌入式网关3。
[0052]根据本发明的一个方面，嵌入式网关3负责由传感器节点2通过CAN总线5传送的现场实时状态数据的缓存、预处理和转发，但不对这些状态数据进行分析，该现场实时状态数据符合CAN总线协议即以CAN帧形式传送。传感器节点2可接收车站服务器I通过嵌入式网关3下传的调控参数以监测现场的道岔转换设备。
[0053]根据预先设置的策略，传感器节点2定时采集道岔设备的状态参数，嵌入式网关3可以定时从CAN总线接收表示所述状态参数的CAN帧，然后对其进行预处理和打包，将符合CAN协议的CAN帧转换成符合TCP/IP或UDP协议的数据报文(这里，CAN与以太网协议转换主要是对源IP地址、目的IP地址以及TCP/IP或UDP数据帧的格式进行相应的映射)，在一定的间隔周期内再通过以太网接口(例如IOOMbps的高速接口)将封装好的数据报文送入车站服务器1，由车站服务器执行对数据的分析和处理。由此可实现大容量的传感器数据实时、准确地传输至车站服务器。同时嵌入式网关3也可实时接收车站服务器I发出的指令，分析该指令，解析出相应的控制数据，并向相应的道岔转换设备的传感器节点发出控制参数，例如改变传感器节点的定时采集频率等。
[0054]车站服务器I主要负责对监测到的现场传感器数据进行数据存储与管理，可分为数据存储与管理子系统，监测数据处理子系统和通信适配子系统，MMI用户工作界面。数据存储与管理子系统完成道岔监测数据的存储，日常数据管理和维护功能；监测数据处理子系统负责对监测分机上传的传感器监测的道岔状态数据进行失真判别、失真修复和噪声去除的数据净化功能；通信适配子系统负责与监测分机、应用系统平台和本系统内子系统间的通信与数据交互功能，而MMI用户工作界面负责将监测的数据及分析判断的结果通过MMI向用户显示，以便用户进行检测和做出相应的控制处理。四个子系统各负其责，相互配合组成一个有机的系统，构成了车站服务器的系统。上述各子系统均可以采用本领域已知的技术手段实现(例如在图1所示的工控机中实现的)，因此在此不再详述。
[0055]图3示出了按照本发明一个实施例的系统流程图。如图3所示，在系统启动时初始化系统配置参数(步骤301)，这里的初始化包括系统时钟的初始化和启动，中断的启动，CAN控制器的初始化和启动，网关IP地址的初始化等，这里不再赘述。然而嵌入式网关3建立用于CAN网络通信的进程(步骤302)和用于TCP/IP通信的进程(步骤303)，进而系统进入等待状态。
[0056]按照本发明的一个方面，在定时数据采集情况下，嵌入式网关3内的CAN网络通信的进程按照预定的定时间隔轮循查询CAN总线接口(步骤304)，以检测是否有中断发生，该中断是在某一传感器节点采集到数据时产生中断请求信号。当存在中断时，嵌入式网关3接收从CAN总线采集到的CAN帧(步骤305)，并由TCP/IP通信进程来解析所采集的数据，包括从符合CAN协议的CAN帧DATAot提取有用数据和节点标识ID，并将之转换成符合TCP/IP协议的数据报文DATAtop (步骤306)。为了保证数据可靠，在这里还可以利用目前的算法判断数据包DATAra是否存在异常(步骤307)。当存在异常时，则终止数据传输并将任务挂起(步骤310);而在没有异常的情况下，将所述数据包DATAra通过以太网络发送到车站服务器I。
[0057]另一方面，当车站服务器I处的用户希望了解某组道岔的特定状态曲线或状态参数时，其可以在车站服务器I提供的用户界面MMI上“点播”该组道岔的特定状态曲线或状态参数而发出指令。作为紧急任务，嵌入式网关3可通过以太网接收到TCP/IP格式的紧急数据采集命令(步骤304’)。嵌入式网关3随后所接收到的指令予以解析提取相关命令，该命令包含与用户点播的道岔相关联的传感器节点的标识ID，该命令通过CAN接线被发送到所标识的传感器节点(步骤305’)。作为响应，该传感器节点返回实时的道岔状态参数，并按照前述的定时采集类似的过程，发送给车站服务器，从而完成紧急数据的采集分发。在本发明中，嵌入式网关3采用TCP/IP协议的形式接收车站服务器下发的控制指令，然后进行报文的解析，将有用的信息按规定的格式组合成CAN帧，送入CAN总线的发送缓冲区，然后启动其内部的CAN接口收发器进行发送。需要注意的是，本发明并不限于TCP/IP协议，还可以使用其它适合以太网通信的协议例如用户数据报协议UDP;而且在通过CAN发送缓冲区发送报文之前，必须先判断是否正在接收报文，上次发送是否完成以防发送冲突。
[0058]这里需要指出的是，由车站服务器I发出的命令既可以是要求立即获取道岔状态参数，也可以是对相关传感器采集的控制，例如控制采样频率。传感器节点接收到相应的采样频率指令后，例如通过调整传感器网络内的微控制器的采样时钟，即可实现重配传感器的采样频率。
[0059]在本发明中，通过利用嵌入式网关3的快速数据转发能力、车站服务器I的综合数据处理能力、以及以太网的高速带宽，因此可实现对现场传感器数据的快速、实时采集和处理。
[0060]根据本发明，嵌入式网关3具有实时多任务处理能力，并且可根据具体任务实时性和重要性要求而划分各任务的优先级。在本明中，对嵌入式网关3要实现的任务划分为7种并相应地设定了任务优先级。如下表所示:
[0061]
【权利要求】
1.一种铁路专用的嵌入式网关(3)，包括: 以太网接口(34)，用于通过以太网与车站服务器(I)通信； CAN接口(30)，用于通过CAN总线(5)从铁路的轨道上设置的多个传感器节点(2)接收符合CAN总线协议的多个CAN帧； 核心转换网关(37)，用于基于与每个所述CAN帧相关的任务的优先级、由这些接收的CAN帧作为消息报文生成第一消息队列，并按该第一消息队列中预定的顺序，读出所述消息报文并将其转换成符合另一通信协议的数据报文以通过所述以太网接口(34)发送给所述车站服务器(I)。
2.如权利要求1所述的嵌入式网关(3)，其中所述核心转换网关(37)通过所述以太网接口(34)从所述车站服务器(I)接收控制指令，将其转换为符合所述CAN总线协议的控制指令，将包含该控制指令的第二消息队列传递到所述CAN接口(30)，以发送给由该控制指令中包含的传感器节点标识所确定的所述多个节点中的一个节点(2)。
3.如权利要求2所述嵌入式网关(3)，其中所述CAN接口(30)包括分别用相互隔离的独立电源供电的CAN收发器(301)和CAN控制(302)器以及置于CAN收发器和CAN控制器之间的光耦(303)。
4.如权利要求1-3之一所述嵌入式网关(3)，其中所述核心转换网关包括CAN通信模块(31)、协议转换模块(32)以及以太网通信模块(33)， 其中所述CAN通信模块(31)将所述多个消息报文发送进所述第一消息队列中，并将该消息队列中每个消息报文的指针传递给一接收缓冲器； 所述协议转换模块(32)通过读取所述接收缓冲区中的消息报文指针来读取第一消息队列中的消息帧，以便转换成符合所述另一通信协议的数据报文；以及 所述以太网通信模块(33 )将转换后的数据报文通过以太网发送给车站服务器(I)。
5.如权利要求4所述嵌入式网关(3)，其中所述接收缓冲器是环形数据缓存器。
6.如权利要求1-3所述嵌入式网关(3)，其中所述第一消息队列的长度是可变的，以接受具有可变长度的消息报文。
7.如权利要求1-3所述嵌入式网关(3)，其中所述核心转换网关还包括调度器(35)，用于确定所接收的消息报文所属的任务优先级，并基于该优先级确定该消息报文在所述第一消息队列中的排列位置。
8.如权利要求1所述的嵌入式网关(3)，其中所述另一通信协议是TCP/IP或UDP协议。
9.一种铁路信号通信方法，包括: 通过连接到CAN总线上的CAN接口从铁路的轨道上设置的多个传感器节点接收符合CAN总线协议的CAN帧； 生成第一消息队列，该第一消息队列包括作为其消息报文的CAN帧,该消息报文在该消息队列的排列位置取决于与所述消息报文相关的任务的优先级； 基于该第一消息队列中给定的顺序，读出所述消息报文并将其转换成符合另一通信协议的数据包以通过以太网接口发送给车站服务器。
10.如权利要求9所述的铁路信号通信方法，还包括: 通过所述以太网接口从所述车站服务器接收控制指令，将其转换为符合所述CAN总线协议的CAN控制指令，发送包含该CAN控制指令的第二消息队列到所述CAN接口以控制由包含在指令中的传感器节点标识所确定的所述多个传感器节点中的一个节点。
11.如权利要求9或10所述的铁路信号通信方法，还包括: 将第一消息队列中每个消息报文的指针传递给一接收缓冲器； 通过读取所述接收缓冲区中的消息指针来读取第一消息队列中的消息数据，以便转换成符合所述另一通信协议的数据包。
12.如权利要求9或10所述铁路监测方法，其中所述生成第一消息队列的步骤包括确定所接收的消息报文所属的任务优先级，并基于该优先级确定该消息报文在所述第一消息队列中的排列位置。
13.一种铁路专用的嵌入式网关，包括: 处理器，配置为: 通过连接到CAN总线上的CAN接口从铁路的轨道上设置 的多个传感器节点接收符合CAN总线协议的CAN帧； 生成第一消息队列，该第一消息队列包括作为其消息报文的CAN帧,该消息报文在该消息队列的排列位置取决于与所述消息报文相关的任务的优先级； 基于该第一消息队列中给定的顺序，读出所述消息报文并将其转换成符合另一通信协议的数据包以通过以太网接口发送给车站服务器；以及与该处理器耦合的存储器。`
14.一种铁路监测系统，包括: 连接到CAN总线的多个传感器节点(2)，用于采集铁路的轨道设备的状态参数； 如前述权利要求1_8、14所述的嵌入式网关(3)，连接到所述CAN总线(5)以接收所述状态参数；以及 通过以太网连接到所述嵌入式网关(3)的车站服务器(1)，用于分析通过所述嵌入式网关(3)传送的、来自传感器节点(2)的状态参数并控制所述传感器节点(2)的数据采集。
15.一种计算机程序产品，记录有机器可读的指令，在执行时使计算机执行如下操作: 通过连接到CAN总线上的CAN接口从铁路的轨道上设置的多个传感器节点接收符合CAN总线协议的CAN帧； 生成第一消息队列，该第一消息队列包括作为其消息报文的CAN帧,该消息报文在该消息队列的排列位置取决于与所述消息报文相关的任务的优先级； 基于该第一消息队列中给定的顺序，读出所述消息报文并将其转换成符合另一通信协议的数据包以通过以太网接口发送给车站服务器。
【文档编号】H04L29/08GK103684944SQ201210332511
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2012年9月10日 优先权日:2012年9月10日
【发明者】陈立, 齐小民, 韩锐 申请人:西门子信号有限公司