一种基于ZigBee的高速列车运行自然环境监测装置的制作方法

本发明涉及环境监测技术领域，具体是一种基于zigbee的高速列车运行自然环境监测装置。

背景技术：

高速列车、又称高速火车，是指能以高速度持续运行的列车，最高行驶速度一般要达到200km/h之上。高速列车属于现代化的高速交通工具，是火车顶尖科学技术的集中体现，可以大幅提高列车旅行速度从而提高火车运输效率。高速列车快捷舒适、平稳安全、节能环保，深受当代人们的欢迎，世界各国都大力支持用新型高速列车来满足日益增长的出行需求。

高速列车的主要缺点有：全车造价昂贵、维护成本很高、技术难度极大、基本依赖电力、对铁路系统的要求苛刻，随着我国铁路运输业的快速发展，我国高速铁路总里程已经超过2.2万公里。高速铁路运营里程长，所经过的地域气候复杂多变，及时地了解高铁运行自然环境状况，为调度指挥及工务维护管理提供报警信息，可以有效防止沿线自然灾害对高铁行车安全及线路的影响；由于高速列车对铁路系统的要求非常苛刻，铁路系统若有问题会直接影响到高速列车的运行，因此对于高速列车沿途铁路系统的环境监测显得异常重要，目前已有的铁路沿线自然环境监测装置普遍采用有线监测站的方法，即各个监测终端之间采用地埋电线的方式连接，然而这种方法存在布线麻烦、监测范围窄、监测数据单一、监测终端灵活性差及维护成本高等局限性；另外，这种装置只能完成对环境数据的获取，而不能完成对数据后期的分析及处理，因此不能得到铁路沿线的环境安全评估等级，管理及服务水平较低，针对上述问题，特设计本发明加以解决。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于zigbee的高速列车运行自然环境监测装置，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于zigbee的高速列车运行自然环境监测装置，包括zigbee终端、zigbee协调器、数据传输模块、调度管理模块以及智能决策模块，zigbee终端连接信号放大模块，信号放大模块采用程控电压信号放大模块，信号放大模块分别连接风速监测模块、降雨量监测模块、基于可控光源的积雪深度监测模块以及pm2.5监测模块，信号放大模块连接主控单元，主控单元分别连接rf射频模块、lcd显示模块以及声光报警模块，信号放大模块连接zigbee协调器，zigbee协调器连接数据传输模块，数据传输模块连接调度管理模块，调度管理模块连接智能决策模块，rf射频模块无线连接zigbee终端，信号放大模块包括单片机、电压输入模块、信号可控放大器、电压输出模块、ad转换模块以及da转换模块，单片机连接da转换模块，da转换模块连接信号可控放大器，信号可控放大器的输入端连接电压输入模块，信号可控放大器的输出端连接电压输出模块，电压输入模块连接ad转换模块，ad转换模块连接单片机，智能决策模块包括灰色关联分析模块、若干个zigbee终端以及环境评估安全等级输出模块，灰色关联分析模块分别连接zigbee终端，灰色关联分析模块连接环境安全评估等级输出模块。

作为本发明进一步的方案：所述主控单元采用cc2530主控芯片。

作为本发明进一步的方案：所述单片机采用stm32单片机。

作为本发明进一步的方案：所述调度管理模块包括工区级调度管理模块、段级调度管理模块、局级调度管理模块以及环保部门调度管理模块。

作为本发明进一步的方案：所述zigbee终端包括风速监测模块、降雨量监测模块、基于可控光源的积雪深度监测模块以及pm2.5监测模块。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明底层监测网络采用zigbee无线传感网络，免去了布线的麻烦，降低了使用和维护成本，增大了监测面积；底层采用无线传感网络节点作为监测终端，使得节点的移动灵活性大大增加；增加了大气环境参数如pm2.5的监测，并且将所监测到的所以铁路沿线环境数据传送至当地环保部门调度管理中心，环保部门可以随时将该数据发布在web平台上，市民可以随时登录web平台对信息进行查看，使监测系统得到了充分利用；采用将环境数据传输至四级调度管理中心的方法，第一级将数据传输至相对应的工区指挥中心，第二级将数据传输至段机关指挥中心，第三级将数据传输至局机关调度指挥中心，第四级是当地环保部门调度管理中心，因此当发生安全突发事故时，可以迅速启动应急预案；在电压信号放大部分利用软件设置增益的方法对电压信号进行放大，改变了传统的人工调节放大档位的模式；在现有的自然灾害监测装置上面增加了智能决策单元，智能决策单元由数据融合模型构成，能对采集到的数据进行融合进而得到列车运行自然环境的安全评估等级，以供调度指挥人员所分析。

附图说明

图1为本发明的结构爆炸图；

图2为本发明的结构示意图。

图3为本发明的cc2530主控单元与其他模块的连接结构示意图；

图4为本发明的智能决策模块示意图。

具体实施方式

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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。

参阅图1至3所示，一种基于zigbee的高速列车运行自然环境监测装置，包括zigbee终端、zigbee协调器、数据传输模块、调度管理模块以及智能决策模块，zigbee终端连接信号放大模块，zigbee终端包括风速监测模块、降雨量监测模块、基于可控光源的积雪深度监测模块以及pm2.5监测模块，信号放大模块采用程控电压信号放大模块，信号放大模块分别连接风速监测模块、降雨量监测模块、基于可控光源的积雪深度监测模块以及pm2.5监测模块，信号放大模块连接主控单元，主控单元采用cc2530主控芯片，主控单元分别连接rf射频模块、lcd显示模块以及声光报警模块，信号放大模块连接zigbee协调器，zigbee协调器连接数据传输模块，数据传输模块连接调度管理模块，调度管理模块连接智能决策模块，调度管理模块包括工区级调度管理模块、段级调度管理模块、局级调度管理模块以及环保部门调度管理模块，rf射频模块无线连接zigbee终端，信号放大模块包括单片机、电压输入模块、信号可控放大器、电压输出模块、ad转换模块以及da转换模块，单片机连接da转换模块，单片机采用stm32单片机，da转换模块连接信号可控放大器，信号可控放大器的输入端连接电压输入模块，信号可控放大器的输出端连接电压输出模块，电压输入模块连接ad转换模块，ad转换模块连接单片机，参阅图4所示，智能决策模块包括灰色关联分析模块、若干个zigbee终端以及环境评估安全等级输出模块，灰色关联分析模块分别连接zigbee终端，灰色关联分析模块连接环境安全评估等级输出模块。

本发明工作时，zigbee终端包括风速监测模块、降雨量监测模块、积雪深度监测模块以及pm2.5监测模块，分别用于对铁路沿线的风速、积雪深度、降雨量及pm2.5浓度进行采集，采集到的信号通过信号放大模块进行放大处理，并由zigbee协调器通过数据传输模块将数据传送至调度管理模块中，信号放大模块采用程控电压信号放大模块，程控电压信号放大模块主要用于对各个zigbee终端监测到的微小模拟信号进行自动增益放大，从而提高zigbee终端的测量精度，同时对各个zigbee终端监测的输出信号进行调理，减少监测环境所带来的误差，信号放大模块连接主控单元，主控单元采用cc2530主控芯片，主控单元分别连接rf射频模块、lcd显示模块以及声光报警模块，cc2530主控芯片主要起到通过输入输出口读取程控电压信号放大模块所输出的电压信号，通过校正算法得到真实的环境参数值，并且通过rf射频模块将环境参数值以无线的方式发送给zigbee协调器，将接收到的数据信息显示在lcd显示单元上，以供附件巡道的工务段工作人员查看，将数据信息通过dtu模块以gprs网络的形式发送至调度管理中心，以供工区级、段机关级、局机关级以及当地环保部门的调度指挥人员使用，cc2530主控芯片还用于对接收到的环境数据信息进行分析，当环境数据超过预设阀门值时，启动声光报警模块进行声光报警，从而提醒附近巡道的铁路工作人员，并负责整个zigbee网络的建立和启动，单片机连接da转换模块，单片机采用stm32单片机，da转换模块连接信号可控放大器，信号可控放大器的输入端连接电压输入模块，信号可控放大器的输出端连接电压输出模块，电压输入模块连接ad转换模块，ad转换模块连接单片机，由于电压输入模块的电压较小且变化幅度较大，因此首先采用ad转换模块对电压输入进行ad采样，然后stm32单片机根据ad采样值计算出合适的放大系数并通过da转换模块来控制信号可控放大器的放大倍数，zigbee终端的作用主要是通过输入输出接口从电压输出模块读取电压信号，智能决策模块包括灰色关联分析模块、若干个zigbee终端以及环境评估安全等级输出模块，灰色关联分析模块分别连接zigbee终端，灰色关联分析模块连接环境安全评估等级输出模块，智能决策单元通过灰色关联分析模块能对各个zigbee终端监测到的环境数据进行决策级的融合，从而得到高速列车运行自然环境的安全等级评估结果，本发明底层监测网络采用zigbee无线传感网络，免去了布线的麻烦，降低了使用和维护成本，增大了监测面积；底层采用无线传感网络节点作为监测终端，使得节点的移动灵活性大大增加；增加了大气环境参数如pm2.5的监测，并且将所监测到的所以铁路沿线环境数据传送至当地环保部门调度管理中心，环保部门可以随时将该数据发布在web平台上，市民可以随时登录web平台对信息进行查看，使监测系统得到了充分利用；采用将环境数据传输至四级调度管理中心的方法，第一级将数据传输至相对应的工区指挥中心，第二级将数据传输至段机关指挥中心，第三级将数据传输至局机关调度指挥中心，第四级是当地环保部门调度管理中心，因此当发生安全突发事故时，可以迅速启动应急预案；在电压信号放大部分利用软件设置增益的方法对电压信号进行放大，改变了传统的人工调节放大档位的模式；在现有的自然灾害监测装置上面增加了智能决策单元，智能决策单元由数据融合模型构成，能对采集到的数据进行融合进而得到列车运行自然环境的安全评估等级，以供调度指挥人员所分析。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。