一种智能脱轨器状态监测系统及其组网通信方法与流程

本发明涉及机车站场安全技术领域，尤其是适用于实现对铁路脱轨器状态的实时监测及组网通信，具体地说是一种智能脱轨器状态监测系统及其组网通信方法。

背景技术：

脱轨器是一种轨道上的保护装置，用于保护轨道上的人员或者重要的机车车辆，一旦有机车或车辆进入轨道预设位置即行脱轨以保证被保护人员或重要设备对象的安全。货列到列检所里进行检车时，两端就需安置脱轨器，若机车滑动，或者别的机车冒进至该股道时，脱轨器会将机车强制脱离轨道，以保护人的生命安全，另外一些重要机车车辆两端也设置脱轨器，以保护这些重要机车车辆的安全。脱轨器的状态分为两种：其一是“下轨”状态，即定位状态，此时车辆可以正常通过；其二是“上轨”状态,即反位状态，此时说明该股道内有列车进行检修作业，其他车辆禁止通行。

目前，对于脱轨器的状态检测存在以下问题：采用人工操作或检测脱轨器状态，往往造成状态检测不及时，效率低下。部分智能脱轨器用较少传感器检测脱轨器状态，易受到外界干扰，检测状态不准，数据通信量大，通信效率不高。

技术实现要素：

本发明的目的是针对上述问题，提出一种智能脱轨器状态监测系统及其监测方法，实现对脱轨器状态的实时监测，对保障铁路安全运行具有非常重要的意义和实用价值。

本发明的技术方案是：

一种智能脱轨器状态监测系统，它包括若干智能脱轨器、由若干个中继器和一个网络协调器构成的无线传输单元和一个智能脱轨器状态监测上位机，

(1)所述的智能脱轨器包括脱轨器和智能盒；所述的智能盒以抱箍式固定于脱轨器的立杆上，

(2)所述的脱轨器分为水平式和垂直式两种，包括脱轨器本体、转动把手、立杆和警示牌，水平式脱轨器在“上轨”、“下轨”状态变化时，其立杆在水平方向旋转90度，垂直式脱轨器在“上轨”、“下轨”状态变化时，其立杆在垂线方向旋转90度，

(3)所述的智能盒包括盒体及其内部的智能脱轨器状态信号采集单元，

(4)所述的智能脱轨器状态信号采集单元均包括加速度传感器、陀螺仪、磁力计、温度传感器、中央处理器和无线收发模块，加速度传感器、陀螺仪、磁力计、温度传感器的信号输出端均与中央处理器的对应信号输入端相连，中央处理器的通信信号端通过无线收发模块与对应的中继器的下行通信信号端无线连接，各中继器的上行通信信号端均与网络协调器无线连接，网络协调器与脱轨器状态监测上位机之间通过rs485总线或者tcp/ip方式相连。

通过中继列表提高通信的可靠性，通过采集上级通信状态提高数据传输效率、降低功耗，具体步骤方法如下：

1)、智能脱轨器发出通信数据帧后，开启监听，接收中继器回复；

2)、判断智能脱轨器是否收到中继器回复；

若智能脱轨器接收到中继器回复，则按收到的各中继器信号强度rssi值进行中继器排序筛选，按照rssi值由大到小顺序选择记录三个中继器r1,r2,r3,并按顺序存入缓存列表，收到不足三个中继器回复时以实际接收数量按顺序存入，然后开始第n轮次命令发送，n初值为1；

若没有接收到中继器回复，则智能脱轨器重新开始广播；

3)、智能脱轨器向筛选出来的信号强度最高的中继器r1发送命令，获取r1与协调器的通讯状态s1，且s1＝1为通讯成功，s1＝0为通讯失败；

4)、判断s1是否等于1；

若s1＝1，则智能脱轨器进行数据检查，通过检查后向中继器r1发送业务数据；

若s1＝0，则向信号第二强的中继器r2发送命令，获取r2与协调器的通讯状态s2，且s2＝1为通讯成功，s2＝0为通讯失败；

5)、判断s2是否等于1；

若s2＝1，则智能脱轨器进行数据检查，通过检查后向中继器r2发送业务数据；

若s2＝0，则向信号第三强的中继器r3发送命令，获取r3与协调器的通讯状态s3，且s3＝1为通讯成功，s3＝0为通讯失败；

6)、判断s3是否等于1；

若s3＝1，则智能脱轨器进行数据检查，通过检查后向中继器r3发送业务数据；

若s3＝0，则n＝n+1，判断n是否超过3，若n不超过3则返回步骤3)；若n超过3则返回步骤1)。

具体的，智能脱轨器通信数据帧具体格式如下：

2个始端握手字符+1个控制字符+智能脱轨器数据帧+lrc校验字符+2个末端结束字符；其中，2个始端握手字符用于和接收端cpu进行发送防溜数据帧前的同步；控制字符指明了数据发送方式是广播、组播或点对点发送；智能脱轨器数据帧为：脱轨器mac地址+1个状态字符+11模拟量字符+5个中继节点代码字符；lrc校验字符是对智能脱轨器数据帧按16进制数相加并求和，丢弃进位并取反加1，所产生的1个校验字节，2个末端结束字符表示一个数据帧传输完成。

具体的，中继器接收数据帧具体过程如下：

中继器检测到2个始端握手字符后，开始接收智能脱轨器数据帧，并对智能脱轨器数据帧与lrc校验字符形成的新帧相加并丢弃进位，验证余数是否为0：如果非0，则证明该智能脱轨器数据在传输过程中发生改变，中继器舍弃该脱轨器数据帧；如果余数为0，说明该智能脱轨器数据传输过程中没有发生异常，中继器结束对智能脱轨器数据通信数据帧的解析与校验，并接受智能脱轨器数据帧。

具体的，某中继器接收到数据帧后，将自身中继编码按实际中继链路顺序对5个中继节点代码字符内容进行更新，使得接收的数据帧含有最新中继器链路连接情况，5个中继节点代码字符初值为0，最后保存实际中继链路。

具体的，所述状态字符格式如下：

其中，m0.7：水平式脱轨器上轨状态，1表示水平式脱轨器处于上轨状态，0表示水平式脱轨器处于非上轨状态；m0.6：水平式脱轨器下轨状态，1表示水平式脱轨器处于下轨状态，0表示水平式脱轨器处于非下轨状态；m0.5：垂直式脱轨器上轨状态，1表示垂直式脱轨器处于上轨状态，0表示垂直式脱轨器处于非上轨状态；m0.4：垂直式脱轨器下轨状态，1表示垂直式脱轨器处于下轨状态，0表示垂直式脱轨器处于非下轨状态；m0.3：脱轨器电量报警状态，1表示脱轨器电量低，发生电量报警，0表示脱轨器电量正常，未发生电量报警；m0.2:脱轨器被盗报警状态，1表示被盗报警，0表示无被盗报警；m0.1：脱轨器处于唤醒或休眠状态，1表示脱轨器处于唤醒状态，0脱轨器处于休眠状态；m0.0：脱轨器开关状态，1表示脱轨器处于开机工作状态，0表示脱轨器发出关机状态信号，接着自行关机。

所述11个模拟量字符格式如下：

其中，m1表示脱轨器与轨道的夹角,单位是度；m2表示脱轨器与地面的夹角，单位是度；m3表示陀螺仪检测的角速度，单位是rad/s；m4表示x轴加速度,单位是重力加速度g；m5表示y轴加速度,单位是重力加速度g；m6表示z轴加速度,单位是重力加速度g；m7表示x轴方向磁力值，单位是高斯；m8表示y轴方向磁力值，单位是高斯；m9表示温度，单位是℃；m10表示电量，w*h；m11表示信号强度，单位是dbm。

具体的，智能脱轨器向中继器发送数据前进行数据检查，只有经过数据有效性检查、状态逻辑检查及关键状态确认，可以确认数据有效、状态符合逻辑、关键状态正确的业务数据才能进行发送，具体数据检查过程包括以下内容：

(3-a)、数据有效性检查：检查模拟量数据是否在传感器检测量程范围内，具体判断公式如下：

(3-b)、状态逻辑检查：检查各状态是否符合逻辑，具体判断公式如下：

其中，g(x)为逻辑取反函数，表示若x＝1，则g(x)函数值为0；若x＝0，则g(x)函数值为1；

(3-c)、关键状态确认：根据模拟量数据大小，确认状态是否正确，具体判断公式如下：

其中，f(x)为逻辑函数，表示若“x”为真，则函数值为1，若“x”为假，则函数值为0；

步骤(3-a)、(3-b)、(3-c)同时进行确认，各项均满足条件时智能脱轨器向中继器发送数据。

本发明的有益效果

本发明的智能脱轨器状态监测系统，设计的智能脱轨器状态信号采集单元采用多种类型传感器，融合多种信息获得的脱轨器状态更加精准；同时适用于水平式和垂直式脱轨器状态检测；基于信号强度比对、上级通信状态获取及数据检查等多种组网通信策略来提高业务数据传输效率、降低系统运行功率。本发明的智能脱轨器状态监测系统基于获得的通信数据帧可以明确展示业务数据从智能脱轨器到各中继器中转、最终到上位机的整个数据流向。本发明是一套基于高效、易操作、可靠性高的监测系统，可实现对脱轨器状态的实时监测，对保障铁路安全运行具有非常重要的意义和实用价值。

附图说明

图1是本发明的状态监测系统结构框图。

图2是本发明的状态检测系统组网通信方法流程图。

图3是本发明的智能脱轨器通信数据帧格式。

图4是本发明的1个状态字符格式。

图5是本发明的11个模拟量字符格式。

图6是本发明的5个中继节点代码字符格式。

具体实施方式

如图1所示，一种智能脱轨器状态监测系统，它包括若干智能脱轨器、由若干个中继器和一个网络协调器构成的无线传输单元和一个智能脱轨器状态监测上位机，所述的智能脱轨器包括脱轨器和智能盒。所述的智能盒以抱箍式固定于脱轨器的立杆上，用于检测脱轨器在水平方向或垂线方向上的转动角度，进而判断水平式和垂直式脱轨器的工作状态，所述的智能脱轨器状态信号采集单元均包括加速度传感器(选用adxl345)、陀螺仪(选用i3g4250d)、磁力计(选用mag3110)、温度传感器、中央处理器(cpu型号stm32f103)和无线收发模块(型号为f8l10d)，所述加速度传感器用于检测智能盒在x、y、z三个方向的加速度所述的陀螺仪用于检测智能盒设定面的法线在水平方向或垂线方向转动的角速度，磁力计用于检测智能盒在水平方向上与所在地磁场间的角度，加速度传感器、陀螺仪、磁力计、温度传感器的信号输出端均与中央处理器的对应信号输入端相连，中央处理器的通信信号端通过无线收发模块与对应的中继器的下行通信信号端无线连接，各中继器的上行通信信号端均与网络协调器无线连接，网络协调器与脱轨器状态监测上位机之间通过rs485总线或者tcp/ip方式相连。所述的智能脱轨器状态监测上位机用于显示各智能脱轨器状态信号采集单元采集的脱轨器的工作状态信息。

结合图2，具体实施时：本发明的智能脱轨器状态监测系统通信组网方法，包括以下步骤：

1)、智能脱轨器开始发出数据帧后，开启监听，接收中继器回复。

2)、判断智能脱轨器是否收到中继器回复。

若智能脱轨器接收到中继器回复，则按收到的各中继器信号强度rssi值进行中继器排序筛选，按照rssi值由大到小顺序选择记录三个中继器r1,r2,r3,并按顺序存入缓存列表，收到不足三个中继器回复时以实际接收数量按顺序存入，然后开始第n轮次命令发送，n初值为1。

若没有接收到中继器回复，则智能脱轨器重新开始广播。

3)、智能脱轨器向筛选出来的信号强度最高的中继器r1发送命令，获取r1与协调器的通讯状态s1，且s1＝1为通讯成功，s1＝0为通讯失败。

4)、判断s1是否等于1。

若s1＝1，则智能脱轨器进行数据检查，通过检查后向中继器r1发送业务数据。

若s1＝0，则向信号第二强的中继器r2发送命令，获取r2与协调器的通讯状态s2，且s2＝1为通讯成功，s2＝0为通讯失败。

5)、判断s2是否等于1。

若s2＝1，则智能脱轨器进行数据检查，通过检查后向中继器r2发送业务数据。

若s2＝0，则向信号第三强的中继器r3发送命令，获取r3与协调器的通讯状态s3，且s3＝1为通讯成功，s3＝0为通讯失败。

6)、判断s3是否等于1。

若s3＝1，则智能脱轨器进行数据检查，通过检查后向中继器r3发送业务数据。

若s3＝0，则n＝n+1，判断n是否超过3，若n不超过3则返回步骤3)；若n超过3则返回步骤1)。

如图3所示，一种智能脱轨器状态监测通信组网方法，智能脱轨器通信数据帧具体格式如下：

2个始端握手字符+1个控制字符+智能脱轨器数据帧+lrc校验字符+2个末端结束字符；其中，2个始端握手字符用于和接收端cpu进行发送防溜数据帧前的同步；控制字符指明了数据发送方式是广播、组播或点对点发送，这里控制字选取“ffh”指定数据发送方式为广播方式；智能脱轨器数据帧为：脱轨器mac地址+1个状态字符+11模拟量字符；lrc校验字符是对脱轨器数据帧按16进制数相加并求和，丢弃进位并取反加1，所产生的1个校验字节，2个末端结束字符表示一个数据帧传输完成。

中继器检测到2个始端握手字符后，开始接收智能脱轨器数据帧，并对智能脱轨器数据帧与lrc校验字符形成的新帧相加并丢弃进位，验证余数是否为0：如果非0，则证明该智能脱轨器数据在传输过程中发生改变，中继器舍弃该脱轨器数据帧；如果余数为0，说明该智能脱轨器数据传输过程中没有发生异常，中继器结束对智能脱轨器数据通信数据帧的解析与校验，并接受智能脱轨器数据帧。

某中继器接收到数据帧后，将自身中继编码按实际中继链路顺序对5个中继节点代码字符内容进行更新，使得接收的数据帧含有最新中继器链路连接情况，5个中继节点代码字符初值为0，最后保存实际中继链路如图6所示。

结合图4，所述状态字符格式如下：

其中，m0.7：水平式脱轨器上轨状态，1表示水平式脱轨器处于上轨状态，0表示水平式脱轨器处于非上轨状态；m0.6：水平式脱轨器下轨状态，1表示水平式脱轨器处于下轨状态，0表示水平式脱轨器处于非下轨状态；m0.5：垂直式脱轨器上轨状态，1表示垂直式脱轨器处于上轨状态，0表示垂直式脱轨器处于非上轨状态；m0.4：垂直式脱轨器下轨状态，1表示垂直式脱轨器处于下轨状态，0表示垂直式脱轨器处于非下轨状态；m0.3：脱轨器电量报警状态，1表示脱轨器电量低，发生电量报警，0表示脱轨器电量正常，未发生电量报警；m0.2:脱轨器被盗报警状态，1表示被盗报警，0表示无被盗报警；m0.1：脱轨器处于唤醒或休眠状态，1表示脱轨器处于唤醒状态，0脱轨器处于休眠状态；m0.0：脱轨器开关状态，1表示脱轨器处于开机工作状态，0表示脱轨器发出关机状态信号，接着自行关机。

结合图5，所述11个模拟量字符格式如下：

其中，m1表示脱轨器与轨道的夹角,单位是度；m2表示脱轨器与地面的夹角，单位是度；m3表示陀螺仪检测的角速度，单位是rad/s；m4表示x轴加速度,单位是重力加速度g；m5表示y轴加速度,单位是重力加速度g；m6表示z轴加速度,单位是重力加速度g；m7表示x轴方向磁力值，单位是高斯；m8表示y轴方向磁力值，单位是高斯；m9表示温度，单位是℃；m10表示电量，w*h；m11表示信号强度，单位是dbm。

智能脱轨器向中继器发送数据前进行数据检查，只有经过数据有效性检查、状态逻辑检查及关键状态确认，可以确认数据有效、状态符合逻辑、关键状态正确的业务数据才能进行发送，具体数据检查过程包括以下内容：

(3-a)、数据有效性检查：检查模拟量数据是否在传感器检测量程范围内，具体判断公式如下：

mi(i∈{1,2})：分别表示脱轨器与轨道、地面夹角，单位为度，各占四个字节；mk(k∈{4,5,6})：分别表示x,y,z轴加速度，单位是重力加速度g，各占四个字节；m9：温度，单位是℃，四个字节；

(3-b)、状态逻辑检查：检查各状态是否符合逻辑，具体判断公式如下：

其中m0.7：水平式脱轨器上轨状态，1表示水平式脱轨器处于上轨状态，0表示水平式脱轨器处于非上轨状态；m0.6：水平式脱轨器下轨状态，1表示水平式脱轨器处于下轨状态，0表示水平式脱轨器处于非下轨状态；m0.5：垂直式脱轨器上轨状态，1表示垂直式脱轨器处于上轨状态，0表示垂直式脱轨器处于非上轨状态；m0.4：垂直式脱轨器下轨状态，1表示垂直式脱轨器处于下轨状态，0表示垂直式脱轨器处于非下轨状态；m0.2:脱轨器被盗报警状态，1表示被盗报警，0表示无被盗报警。g(x)为逻辑取反函数，表示若x＝1，则g(x)函数值为0；若x＝0，则g(x)函数值为1。

(3-c)、关键状态确认：根据模拟量数据大小，确认状态是否正确，具体判断公式如下：

其中m1表示脱轨器与轨道的夹角,单位是度；m2表示脱轨器与地面的夹角，单位是度；m10为脱轨器电量，大小为满电量的百分比，占四个字节；f(x)为逻辑函数，表示若“x”为真，则函数值为1，若“x”为假，则函数值为0。

步骤(3-a)、(3-b)、(3-c)同时进行确认，各项均满足条件时智能脱轨器向中继器发送数据。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神做举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。