基于无线LoRa网络的列车辅助驾驶系统的制作方法

本发明涉及轨道交通无线通信领域，具体涉及一种基于无线lora网络的列车辅助驾驶系统。

背景技术：

在轨道交通中，信号灯的使用保证了列车安全有序地行车，有效提高轨道交通的运输效率，降低运输成本。但通常情况下轨道交通沿线的信号灯数量较多，司机在行车过程中，可能出现因恶劣天气而导致误闯红灯的情况，造成险情。所以制定科学有效的预防机制是十分必要的，在列车通过红灯时，车载设备做出相应的提示，让司机注意到信号灯的状态，对确保轨道交通的安全运营有着重大的实际意义。另外，在列车行驶过程中，列车之间需要保持一定的安全距离，因此列车与列车之间实现距离提醒，防止发生碰撞同样具有十分重要的现实意义。

为了进行红灯提醒以及距离提醒，现已提出了结合zigbee技术实现地面信号机信息采集及列车与信号机间的车地实时通信的技术方案(参见：基于arm的地铁列车运行辅助系统的研究和设计作者：奚正波学位授予单位：浙江工商大学学位年度：2015)，但是该方案中zigbee设备组成复杂，由终端、协调器和路由器三种不同的单元构成，在施工现场部署有一定的难度；另外，zigbee技术是一种近距离的通讯技术，在轨道交通领域中，对于速度较快的列车不太适用。

技术实现要素：

针对现有技术存在的不足和缺陷，本发明提供一种基于无线lora网络的列车辅助驾驶系统。

本发明实施例提出一种基于无线lora网络的列车辅助驾驶系统，包括：

车载设备和信号机设备；其中，

所述车载设备包括第一lora模块、gps模块、第一微处理器和提示模块，其中，

所述第一lora模块有四个作用，一是用于接收对应列车所属接收范围对应的信号机设备发送的信号机状态信息和该信号机设备在整条线路中的位置编号；二是用于接收同一轨道上其它列车广播的询问信息和发送的地理位置信息；三是用于发送对应列车的地理位置信息；四是用于广播询问信息；

所述gps模块用于获得对应列车当前的地理位置信息，对所述地理位置信息进行编码，得到所述地理位置信息的编码，并将所述地理位置信息的编码发送给所述第一微处理器；

所述第一微处理器的作用有五个，一是解析所述gps模块发送的所述地理位置信息的编码，得到对应列车当前的地理位置信息；二是在接收到同一轨道上其它列车广播的询问信息时，将所述地理位置信息进行打包，形成固定的报文格式，并通过所述第一lora模块进行回复；三是解析所述信号机状态信息和位置编号，根据解析结果判断出对应列车运行前方信号机设备的信号灯状态；四是解析所述其它列车发送的地理位置信息，并与对应列车进行位置对比，得到所述其它列车与对应列车之间的距离信息；五是驱动提示模块，以使所述提示模块在对应列车前方信号机设备的信号灯为红灯时或在所述其它列车与对应列车之间的距离小于预设数值时进行提示；

所述信号机设备包括第二lora模块、第二微处理器和电流互感器，其中，

所述第二lora模块的作用有两个，一是用于接收驶入接收范围的列车广播的询问信息；二是将所述信号机设备的信号机状态信息和所述信号机设备在整条线路中的位置编号发送给所述列车；

所述第二微处理器的作用有三个，一是解析所述列车发送的广播询问信息；二是采集电流互感器的信息，得到所述信号机状态信息；三是将所述信号机状态信息和位置编号形成数据包；四是将所述数据包通过所述第二lora模块发送给所述列车，所述电流互感器挂接在所述信号机设备内部的电源线上，根据所述信号机设备的信号灯亮灭线缆电流的不同，识别出所述信号机状态信息。

本发明实施例提供的基于无线lora网络的列车辅助驾驶系统，车载设备集成了第一lora模块、gps模块、第一微处理器和提示模块，利用gps模块实现列车定位，并借助于第一微处理器根据列车位置确定出列车与同一轨道上前后列车之间的距离，在所述距离小于预设数值时通过提示模块进行提示；信号机设备集成了第二lora模块、第二微处理器和电流互感器，能够获取信号机设备的信号机状态信息和信号机设备在整条线路中的位置编号，并发送给车载设备，使得第一微处理器能够根据所述信号机状态信息和位置编号判断出列车运行前方信号机设备的信号灯状态，在信号灯为红灯时通过提示模块进行提示，即通过上述方案可以实现提醒列车司机注意前方信号灯，进行闯红灯防护和列车与列车之间距离提醒，防止发生碰撞两项功能。另外，车载设备和信号机设备集成了lora模块，使列车之间以及列车与信号机设备之间可以实现远距离的无线通讯，且易于建设和部署，解决了因使用zigbee技术造成的部署难度大的问题，而且，因该系统通讯距离远，因此可以用于速度较快的列车。

附图说明

图1为本发明基于无线lora网络的列车辅助驾驶系统一实施例的结构示意图；

图2是本发明一实施例提供的车载设备的模块间的连接图；

图3是本发明一实施例提供的信号机设备的模块间的连接图；

图4是本发明一实施例提供的闯红灯防护功能结构示意图；

图5是本发明一实施例提供的列车防碰撞结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参看图1，本实施例公开一种基于无线lora网络的列车辅助驾驶系统，包括：

车载设备1和信号机设备2；其中，

所述车载设备1包括第一lora模块、gps模块、第一微处理器和提示模块，其中，

所述第一lora模块有四个作用，一是用于接收对应列车所属接收范围对应的信号机设备2发送的信号机状态信息和该信号机设备2在整条线路中的位置编号；二是用于接收同一轨道上其它列车广播的询问信息和发送的地理位置信息；三是用于发送对应列车的地理位置信息；四是用于广播询问信息；

所述gps模块用于获得对应列车当前的地理位置信息，对所述地理位置信息进行编码，得到所述地理位置信息的编码，并将所述地理位置信息的编码发送给所述第一微处理器；

所述第一微处理器的作用有五个，一是解析所述gps模块发送的所述地理位置信息的编码，得到对应列车当前的地理位置信息；二是在接收到同一轨道上其它列车广播的询问信息时，将所述地理位置信息进行打包，形成固定的报文格式，并通过所述第一lora模块进行回复；三是解析所述信号机状态信息和位置编号，根据解析结果判断出对应列车运行前方信号机设备2的信号灯状态；四是解析所述其它列车发送的地理位置信息，并与对应列车进行位置对比，得到所述其它列车与对应列车之间的距离信息；五是驱动提示模块，以使所述提示模块在对应列车前方信号机设备2的信号灯为红灯时或在所述其它列车与对应列车之间的距离小于预设数值时进行提示；

所述信号机设备2包括第二lora模块、第二微处理器和电流互感器，其中，

所述第二lora模块的作用有两个，一是用于接收驶入接收范围的列车广播的询问信息；二是将所述信号机设备2的信号机状态信息和所述信号机设备2在整条线路中的位置编号发送给所述列车；

所述第二微处理器的作用有三个，一是解析所述列车发送的广播询问信息；二是采集电流互感器的信息，得到所述信号机状态信息；三是将所述信号机状态信息和位置编号形成数据包；四是将所述数据包通过所述第二lora模块发送给所述列车，所述电流互感器挂接在所述信号机设备2内部的电源线上，根据所述信号机设备2的信号灯亮灭线缆电流的不同，识别出所述信号机状态信息。

本发明实施例提供的基于无线lora网络的列车辅助驾驶系统，车载设备集成了第一lora模块、gps模块、第一微处理器和提示模块，利用gps模块实现列车定位，并借助于第一微处理器根据列车位置确定出列车与同一轨道上前后列车之间的距离，在所述距离小于预设数值时通过提示模块进行提示；信号机设备集成了第二lora模块、第二微处理器和电流互感器，能够获取信号机设备的信号机状态信息和信号机设备在整条线路中的位置编号，并发送给车载设备，使得第一微处理器能够根据所述信号机状态信息和位置编号判断出列车运行前方信号机设备的信号灯状态，在信号灯为红灯时通过提示模块进行提示，即通过上述方案可以实现提醒列车司机注意前方信号灯，进行闯红灯防护和列车与列车之间距离提醒，防止发生碰撞两项功能。另外，车载设备和信号机设备集成了lora模块，使列车之间以及列车与信号机设备之间可以实现远距离的无线通讯，且易于建设和部署，解决了因使用zigbee技术造成的部署难度大的问题，而且，因该系统通讯距离远，因此可以用于速度较快的列车。

在前述实施例的基础上，所述提示模块，可以包括：

液晶屏和语音播报模块；其中，

所述第一微处理器，具体用于驱动所述液晶屏，使所述液晶屏显示信息，以及驱动所述语音播报模块，实现语音提醒的功能，所述液晶屏的作用有三个，一是显示所述对应列车运行前方信号机设备的信号灯状态信息；二是显示所述其它列车与对应列车之间的距离信息；三是显示提示信息，提示信息包括注意前方红灯的提示信息和前后车距离过近的提示信息，所述语音播报模块的作用有两个，一是用于语音提醒所述对应列车前方信号机设备的信号灯状态，二是用于提醒所述对应列车与同一轨道前后车距离。

图2为车载设备的模块间的连接图，图3为信号机设备的模块连接图，图4为闯红灯防护功能结构示意图，参见图2、图3和图4，闯红灯防护功能的具体实现方式如下：

第一微处理器的usart1接口连接gps模块，gps模块向第一微处理器发送nmea-0183格式的数据包，第一微处理器接收并解析这些数据包，得出当前列车的地理位置信息。第一微处理器的usart2接口连接第一lora模块，用于与外界进行无线通讯。第一微处理器的usart3接口与液晶屏连接，用于控制液晶屏显示信息。第一微处理器的usart4接口与语音播报模块连接，用于控制语音播报模块进行语音提示。

第二微处理器的adc1接口与电流互感器1连接，adc2接口与电流互感器2连接，当信号机的红灯亮时，电流互感器1会感应出电压信号，由第二微处理器的adc1采集；当信号机的绿灯亮时，电流互感器2会感应出电压信号，由第二微处理器的adc2采集。第二微处理器的usart2接口连接第二lora模块，用于发送该信号机的状态信息。

列车车载设备每间隔1秒会向外广播1次，当列车驶入信号机设备的接收范围后，信号机设备就会接收到广播信息，此时信号机设备将自己的在整条线路中的位置编号和信号机当前的状态发送给列车，列车车载设备收到信息后，经过解析和判断，通过液晶屏显示出提示信息，通过语音播报模块进行语音提示，起到闯红灯防护的作用。

列车防碰撞功能的具体实现方式如下：

列车防碰撞结构示意图如图5所示，列车1和列车2的车载设备每隔1秒会向外广播询问信息，当两辆列车之间的距离处于广播范围内时，就会互相收到对方发出的询问信息，然后将自己的地理位置信息发送给对方列车，列车收到信息后经过第一微处理器处理就会得出两车之间的距离，车载设备的液晶屏会将距离信息显示出来，同时车载设备的语音播报模块进行语音提示，列车司机根据提示进行加减速，起到防止列车碰撞的作用。

本实施例中，通过液晶屏显示和语音提醒两种手段与用户进行人机交互，保证了及时提醒。

下面结合具体的实施例对本发明基于无线lora网络的列车辅助驾驶系统进行说明。

实例1

基于lora网络的列车闯红灯辅助驾驶系统

以a列车车载设备与a信号机设备通讯为例：

1)a列车车载设备间隔1秒发送一次广播询问信号。

2)a信号机设备判断是否收到a列车车载设备的广播询问信号，如果收到则执行步骤3)，否则，继续保持接收状态。

3)a信号机设备收到a列车车载设备的广播询问信号后，检测该信号机的指示状态，将信号机的状态信息和信号机在整条线路中的位置编号发送给a列车车载设备，然后恢复接收状态。

4)a列车车载设备判断是否收到a信号机设备发送的回复信息，如果收到则进行步骤5)，否则保持间隔1秒发送一次广播询问信号的状态。

5)a列车车载设备收到a信号机设备发送的回复信息，进行解析，如果信号机此时为绿灯，液晶屏会显示“前方安全，请放心通行”，语音提示为“前方安全，请放心通行”；如果信号机此时为红灯，液晶屏会显示“前方危险，请减速慢行”，语音提示为“前方危险，请减速慢行”。

实例2

基于lora网络的列车闯红灯辅助驾驶系统

以a列车车载设备与b列车车载设备通讯为例：

1)a列车和b列车车载设备间隔1秒都会发送一次广播询问信号。

2)a列车的车载设备判断是否收到b列车的车载设备发出的广播询问信号，如果收到则进行步骤3)，如果没收到则保持间隔1秒发送一次广播询问信号的状态；b列车的车载设备判断是否收到a列车的车载设备发出的广播询问信号，如果收到则进行步骤4)，如果没收到则保持间隔1秒发送一次广播询问信号的状态。

3)a列车的车载设备收到b列车的车载设备发出的广播询问信号后，将a列车的地理位置信息发送给b列车的车载设备，然后继续保持间隔1秒发送一次广播询问信号的状态。

4)b列车的车载设备收到a列车的车载设备发出的广播询问信号后，将b列车的地理位置信息发送给a列车的车载设备，然后继续保持间隔1秒发送一次广播询问信号的状态。

5)a列车或b列车的车载设备收到对方发来的地理位置信息后，经过微处理器处理后就会得出两车之间的距离，车载设备的液晶屏会将距离信息显示出来，车载设备的语音播报模块进行语音提示。

实例3

基于lora网络的列车闯红灯辅助驾驶系统

在现场应用中，可能会出现多车，多信号机通讯的情况，以a列车车载设备、b列车车载设备、a信号机设备、b信号机设备通讯为例：

1)a列车和b列车车载设备间隔1秒都会发送一次广播询问信号。

2)a列车的车载设备判断是否收到信号(信号来源可能为：1、b列车的车载设备发出的广播询问信号；2、b列车的车载设备发出的回复信号；3、a信号机或b信号机发出的回复信号)，如果收到则进行步骤3)，如果没收到则保持间隔1秒发送一次广播信询问号的状态；b列车的车载设备判断是否收到信号(信号来源可能为：1、a列车的车载设备发出的广播询问信号；2、a列车的车载设备发出的回复信号；3、a信号机或b信号机发出的回复信号)，如果收到则进行步骤4)，如果没收到则保持间隔1秒发送一次广播询问信号的状态；a信号机设备判断是否收到信号(信号来源为a列车或b列车车载设备的广播询问信号)，如果收到则执行步骤5)，否则，继续保持接收状态；b信号机设备判断是否收到信号(信号来源为a列车或b列车车载设备的广播询问信号)，如果收到则执行步骤6)，否则，继续保持接收状态。

3)a列车的车载设备收到信号后，对数据包进行解包，根据数据包中的标志位判断出信号的来源，如果信号来源为b列车的车载设备发出的广播询问信号，a列车的车载设备会将自己的地理位置信息发送给b列车的车载设备，然后恢复保持间隔1秒发送一次广播询问信号的状态；如果信号来源为b列车的车载设备发出的地理位置信息，经过微处理器处理后就会得出两车之间的距离，a列车车载设备的液晶屏会将距离信息显示出来，并进行语音提示，然后恢复保持间隔1秒发送一次广播询问信号的状态；如果信号来源于a信号机或b信号机发出的回复信号，首先根据信息中的信号机编号判断列车运行前方首先经过的信号机，如果此信号机此时为绿灯，液晶屏会显示“前方安全，请放心通行”，语音提示为“前方安全，请放心通行”；如果此信号机此时为红灯，液晶屏会显示“前方危险，请减速慢行”，语音提示为“前方危险，请减速慢行”，然后恢复保持间隔1秒发送一次广播询问信号的状态。

4)b列车的车载设备收到信号后，对数据包进行解包分析，根据数据包中的标志位判断出信号的来源，如果信号来源为a列车的车载设备发出的广播询问信号，b列车的车载设备会将自己的地理位置信息发送给a列车的车载设备，然后恢复保持间隔1秒发送一次广播询问信号的状态；如果信号来源为a列车的车载设备发出的地理位置信息，经过微处理器处理后就会得出两车之间的距离，b列车车载设备的液晶屏会将距离信息显示出来，并进行语音提示，然后恢复保持间隔1秒发送一次广播询问信号的状态；如果信号来源于a信号机或b信号机发出的回复信号，首先根据信息中的信号机编号判断列车运行前方首先经过的信号机，如果此信号机此时为绿灯，液晶屏会显示“前方安全，请放心通行”，语音提示为“前方安全，请放心通行”；如果此信号机此时为红灯，液晶屏会显示“前方危险，请减速慢行”，语音提示为“前方危险，请减速慢行”，然后恢复保持间隔1秒发送一次广播询问信号的状态。

5)a信号机设备收到信号后，对数据包进行解包分析，根据数据包中的标志位判断出信号的来源，如果信号来源为a列车的车载设备发出的广播询问信号，则a信号机设备检测自己的指示状态，并将a信号机的状态信息和a信号机在整条线路中的位置编号发送给a列车，然后恢复接收状态；如果信号来源为b列车的车载设备发出的广播询问信号，则a信号机设备检测自己的指示状态，并将a信号机的状态信息和a信号机在整条线路中的位置编号发送给b列车，然后恢复接收状态。

5)b信号机设备收到信号后，对数据包进行解包分析，根据数据包中的标志位判断出信号的来源，如果信号来源为a列车的车载设备发出的广播询问信号，则b信号机设备检测自己的指示状态，并将b信号机的状态信息和b信号机在整条线路中的位置编号发送给a列车，然后恢复接收状态；如果信号来源为b列车的车载设备发出的广播询问信号，则b信号机设备检测自己的指示状态，并将b信号机的状态信息和b信号机在整条线路中的位置编号发送给b列车，然后恢复接收状态。

其中，列车发送广播询问信号的数据包封装格式如表1所示：

表1列车发送广播询问信号的数据包封装格式

表1中，第一帧头为固定值0xfe；第一长度域表示第一目的地址、第一信号机标志、第一列车标志和第一预留位所占用的字节数之和，为0x05；第一命令域占用两个字符，为0x24，0x5f，表示发送；第一目的地址占用两个字符，为0xff，0xff，表示全网广播；第一信号机标志为0xab，用于信号机设备解析的标志；第一列车标志为0xac，用于列车设备解析的标志；第一预留位用于功能扩展；异或和是第一长度域、第一命令域、第一目的地址、第一信号机标志、第一列车标志、第一预留位的数据异或和。

列车接收广播询问信号的数据包封装格式如表2所示：

表2列车接收广播询问信号的数据包封装格式

表2中，第二帧头为固定值0xfe；第二长度域是发送端地址、第二信号机标志、第二列车标志和第二预留位所占用的字节数之和，为0x05；第二命令域占用两个字符，为0x44、0x5f，表示接收；发送端地址指包含两个字节，低字节在前，高字节在后，在本系统中规定列车的地址为：0～32767，信号机地址为：32768～65535；第二信号机标志为0xab，用于信号机设备解析的标志；第二列车标志为0xac，用于列车设备解析的标志；第二预留位用于功能扩展；第二异或和是第二长度域、第二命令域、发送端地址、第二信号机标志、第二列车标志、第二预留位的数据异或和。

列车发送回复信号的数据包封装格式如表3所示：

表3列车发送回复信号的数据包封装格式

表3中，第三帧头为固定值0xfe；第三长度域是第二目的地址、gps信息所占用的字节数之和；第三命令域为发送命令标志，为0x24、0x5f；第二目的地址为表2中的发送端地址；gps信息为列车经度和纬度的信息；第三异或和是第三长度域、第三命令域、第二目的地址、gps信息的数据异或和。

信号机发送回复信号的数据包封装格式如表4所示：

表4信号机发送回复信号的数据包封装格式

表4中，第四帧头为固定值0xfe；第四长度域是第三目的地址、信号机状态所占用的字节数之和；第四命令域为发送命令标志，为0x24、0x5f；第三目的地址为表2中的发送端地址；信号机状态为0x55表示红灯或者为0xaa表示绿灯；第四异或和是第四长度域、第四命令域、第三目的地址、信号机状态的数据异或和。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。