基于电力状态的火车监视装置和监视方法与流程

以下描述涉及用于安全火车操作的、测量火车中的装置的操作状态的无线传感器网络，并更具体地涉及用于控制通过使用能量收割机监视火车的无线传感器网络的操作的技术。

背景技术：

作为用于安全火车操作的方法，已使用了无线传感器网络，其实时测量行驶火车中的装置的操作状态，使得在异常情况下，可立即修复有关火车。为了安全火车操作，无线传感器网络可通过使用能量收割机实时传送火车的操作状态，其中可在不使用外部电源的情况下，从火车的振动能生成电力。

然而，当使用利用火车的振动能的能量收割机时，电源可取决于火车的操作状态变化，使得存在对于保证稳定电源的方法的需求。为了提供稳定电力，已使用了在发电装置中使用超级电容器的方法，但是由于生成的电力和无线传感器的通信模块中消耗的电力之间的不平衡引起的放电和充电，所以该方法可导致无线传感器中的链路质量的降级。特别是，在其中由于在无线传感器工作的同时电力不足、导致无线链路断开连接的情况下，应该在供应足以使能通信的电力之后，在无线传感器和协调器之间重新建立链路，由此需要附加电力消耗并促使传感器数据的传输延迟，这然后导致通信质量的恶化。

韩国专利第10-0877587号公开了用于检测在操作高速火车时生成的振动和振动的位置、并将其传送到控制服务器的方法。然而，该方法仅公开了通过无线通信传送所检测的信息，而没有关于稳定电源的问题或通信质量恶化的任何解决方案。

技术实现要素：

技术问题

本发明的目的是提供基于电力状态的火车监视设备和方法，其中无线传感器网络通过使用能量收割机来监视火车，使得不规则发电不会导致通信质量的恶化。

技术方案

在一个一般方面，提供了一种基于电力状态的火车监视设备，该设备包括：一个或多个无线传感器，配置为通过按照预定间隔测量火车的操作状态，来生成传感器数据；一个或多个自主电源，配置为通过使用火车的振动能生成电力，将生成的电力供应到所述一个或多个无线传感器，并将通过监视供应的电力所生成的电力状态信息传送到通信控制器；和该通信控制器，配置为基于该电力状态信息控制无线链路向所述一个或多个无线传感器分配专用信道或竞争信道，并通过外部通信网络传送从所述一个或多个无线传感器接收的传感器数据。

该通信控制器可通过基于该电力状态信息向所述一个或多个无线传感器分配信道和传输间隔，来构造超帧。该通信控制器可基于该电力状态信息，来确定所述一个或多个无线传感器的电力状态是否达到阈值，在该阈值处，改变建立无线链路的方法。此外，该通信控制器可以向所述一个或多个无线传感器之中的具有等于或大于方法确定阈值的电力状态的无线传感器分配竞争信道。另外，该通信控制器可以向所述一个或多个无线传感器之中的具有低于方法确定阈值的电力状态的无线传感器分配专用信道。为了向具有低于方法确定阈值的电力状态的一个或多个无线传感器之中的、具有等于或低于传输间隔扩展阈值的电力状态的无线传感器提供充电时间，该通信控制器可通过向无线传感器分配具有扩展传输间隔的专用信道，来改变采样频率。

在另一个一般方面中，提供了一种使用基于电力状态的火车监视设备的火车监视方法，该方法包括：将通过使用火车的振动能生成的电力供应到一个或多个无线传感器，并通过监视供应到所述一个或多个无线传感器的电力，而向通信控制器生成电力状态信息；和基于该电力状态信息向所述一个或多个无线传感器分配专用信道或竞争信道。然后，该方法包括通过外部通信网络传送从所述一个或多个无线传感器接收的传感器数据。

所述分配专用信道或竞争信道的步骤包括向所述一个或多个无线传感器之中的具有等于或大于方法确定阈值的电力状态的无线传感器分配竞争信道。此外，所述分配专用信道或竞争信道的步骤包括向所述一个或多个无线传感器之中的具有低于方法确定阈值的电力状态的无线传感器分配专用信道。为了向具有低于方法确定阈值的电力状态的一个或多个无线传感器之中的、具有等于或低于传输间隔扩展阈值的电力状态的无线传感器提供充电时间，该通信控制器可通过向无线传感器分配具有扩展传输间隔的专用信道，来改变采样频率。

有利效果

基于电力状态的火车监视设备和方法使用从附加到火车车辆的传感器实时获取操作状态的火车无线传感器网络，其中通过基于无线传感器的生成的电力的状态来改变无线传感器网络中的无线链路的设置模式，可增加无线传感器的传输质量和操作周期。此外，在基于电力状态的火车监视设备和方法中，管理无线传感器网络中的无线传感器的电力状态，由此防止无线传感器的不必要操作以及干扰信号的生成所引起的能耗。

附图说明

图1a和1b是图示了根据示范实施例的基于电力状态的火车监视设备100的框图。

图2是图示了根据示范实施例的基于电力状态的火车监视设备的通信控制器200的图。

图3是图示了根据示范实施例的通信控制器200的超帧的图。

图4是图示了根据示范实施例的基于电力状态的火车监视设备100的另一示例的图。

图5是图示了根据示范实施例的基于电力状态的火车监视设备100的电力状态信息的格式的框图。

图6是图示了根据示范实施例的基于电力状态的火车监视设备100的电力状态信息的另一格式的框图。

图7是图示了根据示范实施例的自主建立基于电力状态的火车监视设备的无线链路的方法的流程图。

图8是图示了根据示范实施例的自主建立基于电力状态的火车监视设备的无线链路的方法中的传感器节点的操作的流程图。

具体实施方式

其后将参考附图更全面地描述本发明，其中示出了本发明的示范实施例。贯穿该说明书使用的术语考虑到本公开的实施例中的功能来定义，并且可根据用户或管理者的意图、或惯例等而变化。所以，以下实施例中使用的术语的含义应遵循定义，如果这里进行了定义的话。否则，这里使用的术语应被解释为具有与本公开所属领域的技术人员共同理解的含义相同的含义。

图1a和1b是图示了根据示范实施例的基于电力状态的火车监视设备100的框图。

参考图1a和1b，基于电力状态的火车监视设备100被安装在火车中以监视火车的操作状态，并且将监视的状态传送到传感器监视中心10。此外，基于电力状态的火车监视设备100通过使用能量收割机从在火车操作期间生成的振动能生成电力，以操作感测火车的操作状态的传感器。基于电力状态的火车监视设备100包括一个或多个无线传感器110、一个或多个自主电源120、和通信控制器130。

无线传感器110包括测量温度和振动的传感器，并且可测量在铁轨车辆转向架(bogie)的轮轴上安装的多个轴承的发热和振动，以基于这些测量生成传感器数据。此外，无线传感器110可通过通信控制器130所建立的无线链路，将传感器数据传送到通信控制器130。可基于作为低功率、低速度、和近场无线通信标准的ieee802.15.4标准，通过诸如zigbee通信的无线传感器网络，进行无线传感器110和通信控制器130之间的通信。

自主电源120可通过使用火车操作期间生成的振动能来生成(产生)电力，其中在火车运动的同时可生成许多振动。自主电源120可通过使用压电能量收割，而从这样的振动产生电力。

另外，自主电源120可监视向无线传感器供应的电力和/或通过振动能生成的电力。由于火车不按照恒定速度或加速度行驶，所以自主电源120所生成的电力可取决于行驶火车的加速度而变化。因此，本公开提供可通过连续监视电力状态而生成电力状态信息的自主电源120，由此使得无线传感器110能考虑到生成的电力的状态来建立无线链路。电力状态信息可包括自主电源120生成的电力的数量、以及电力数量的变化。此外，自主电源120可将生成的电力状态信息传送到通信控制器130，并且可将生成的电力供应到无线传感器110以操作无线传感器110。

通信控制器130可通过无线链路与一个或多个无线传感器110形成无线传感器网络(wsn)。为此，通信控制器130可基于从自主电源120接收的电力状态信息建立一个或多个无线传感器110的无线链路，并且可通过建立的无线链路从一个或多个无线传感器110接收传感器数据。

电力状态信息可包括自主电源120生成的电力的数量、以及电力数量的变化。自主电源120通过使用能量收割机从火车操作期间生成的振动能生成电力，并由此生成的电力可取决于行驶火车的加速度而变化。因此，通信控制器130基于电力状态信息来检查自主电源120所生成的电力的状态，并且可根据电力状态建立或改变无线传感器110的无线链路。此外，通信控制器130可改变无线传感器110的测量周期。

通信控制器130可包括网关131和一个或多个协调器132，以建立无线传感器网络。一个或多个协调器132可基于电力状态信息来建立无线传感器110的无线链路，可从无线传感器110收集传感器数据，并且可将收集的传感器数据传送到网关131。协调器132可将传感器数据直接传送到网关131，或者可将传感器数据经由位于附近或位于某一层级的其他协调器132传送到网关131。网关131可将从一个或多个协调器132接收的传感器数据传送到传感器监视中心10，并且一个或多个无线传感器110连接到所述一个或多个协调器132之中的、具有高无线电波强度的协调器132。

一个或多个协调器132之间的、以及协调器132和无线传感器110之间的通信可使用各种无线通信方法来进行，包括诸如zigbee通信的近场无线通信标准(ieee802.15.4标准)、或诸如wi-fi的无线lan标准(ieee802.11)。此外，网关131和传感器监视中心10之间的通信可通过移动通信网络进行。

一个或多个无线传感器110可被布置在铁轨车辆转向架的轮轴上或铁轨车辆转向架的轮轴边缘(periphery)上，以测量发热和振动。一个或多个自主电源120也可以被安排在铁轨车辆转向架的轮轴边缘上以生成电力。此外，无线传感器110通过自主电源120产生的电力操作。在铁轨车辆的相同轮轴上操作的一个无线传感器110和一个自主电源120可作为一对操作。

即，通信控制器130可控制在铁轨车辆的相同轮轴边缘上安排的无线传感器110和自主电源120作为一对。例如，对于第一无线传感器111和第一电源121，通信控制器130可基于第一电源121的电力状态，来确定无线链路和第一无线传感器111的测量周期。

通过考虑基于电力状态信息的生成电力的数量，通信控制器130可执行以下操作以降低作为低功率无线传感器的无线传感器110的功耗。通信控制器130可向按照预定间隔传送传感器数据的无线传感器110分配专用信道。此外，在其中存在少量传感器数据、或者具有长传输间隔的无线传感器110具有好电力状态的情况下，通信控制器130向无线传感器110分配竞争模式的信道。此外，通信控制器130设置信道模式变换，以防止具有差电力状态的无线传感器在长时间段中占用专用信道。

另外，通信控制器130可基于无线传感器110的电力电平来确定超帧的周期，并且可估计传感器节点的充电时间，以确定其间维持专用信道的时间段。在其中标识具有非常差的电力状态的无线传感器110的情况下，通信控制器130取消用于无线传感器110的专用信道分配模式。此外，在其中无线传感器110返回到好电力状态的情况下，通信控制器130可设置用于无线传感器110的csma-ca。稍后将进一步详细地描述在通信控制器130中建立无线链路的方法。

此外，通信控制器130可通过基于电力状态信息考虑无线传感器110的电力状态，来改变无线传感器110的采样频率。响应于通信控制器130基于电力状态信息考虑到无线传感器110的电力状态不大于扩展传输间隔的阈值(其后称为传输间隔扩展阈值)，基于电力状态的火车监视设备确定当前电力状态不足以使能通信，并分配具有其间采样频率变化的扩展传输间隔的专用信道，使得无线传感器110可具有充电的时间。扩展传输间隔表示比基本传输间隔更长的传输间隔。

图2是图示了根据示范实施例的基于电力状态的火车监视设备的通信控制器200的图。

参考图2，基于电力状态的火车监视设备的通信控制器200包括用于确定无线链路连接方法的应用层210、mac层220和物理层230。此外，用于确定无线链路连接的应用层可包括无线传感器电力状态管理器211、超帧构造器212、无线链路连接方法确定器213。

无线传感器电力状态管理器211基于从每一自主电源120接收的电力状态信息，来标识一个或多个自主电源120所生成的电力的状态。此外，无线传感器电力状态管理器211可根据电力状态来确定无线传感器110的信道链路。无线链路包括基于竞争的竞争接入周期(cap)和基于非竞争的无竞争周期(cfp)。cap是竞争信道的周期，其中使用载波感测多接入冲突避免(csma-ca)，由此增加无线传感器110的功耗，并促使传输等待时间。此外，cfp是专用信道的周期，其中在按照规则间隔传送数据的情况下，无线传感器110可按照低功率传送数据。

无线传感器电力状态管理器211可根据每一无线传感器110的电力状态，来确定专用信道链路(gts)或竞争信道链路(csma-ca)。响应于任何一个无线传感器的电力状态充足的确定，无线传感器电力状态管理器211可分配基于竞争的信道(竞争信道链路)，然而响应于任何一个无线传感器的电力状态不充足的确定，无线传感器电力状态管理器211分配专用信道链路，并且可根据电力状态调整传输间隔。

超帧构造器212可根据无线传感器电力状态管理器211所确定的信道链路和周期，来构造无线传感器110的超帧。此外，超帧构造器212可将构造的超帧传送到无线传感器110。下面将参考图3来进一步描述超帧的结构。

无线链路连接方法确定器213可基于无线传感器电力状态管理器211和超帧构造器212的确定，来确定无线链路连接方法。

图3是图示了根据示范实施例的通信控制器200的超帧的图。

参考图1b和3，通信控制器130可根据基于电力状态信息所确定的信道链路和周期，来形成与每一无线传感器110对应的超帧310。无线链路包括基于竞争的竞争接入周期(cap)和基于非竞争的无竞争周期(cfp)。

cap是竞争信道的周期，其中使用载波感测多接入冲突避免(csma-ca)，由此增加无线传感器110的功耗，并促使传输等待时间。此外，cfp是专用信道的周期，其中在按照规则间隔传送数据的情况下，无线传感器110可按照低功率传送数据。即，在无线传感器110的无线链路中，在其中功率等于或大于预定的确定方法阈值，即电力充足，的情况下，分配竞争信道周期(cap)，而在其中功率低于预定的确定方法阈值，即电力不充足，的情况下，调整间隔以分配专用信道周期(cfp)。超帧适于低功率传感器网络，因为超帧包括其间进行无线传感器110和通信控制器130的协调器132之间的通信的活动部分(cap+cfp)、和其间不操作无线传感器110的停止部分。在其中使用cfp的情况下，专用信道(时隙)所分配到的每一无线传感器110可向协调器132传送传感器数据。

图3图示了其中当第一传感器(#1)具有低电力电平时、无线传感器等待直到充电为止的示例。因此，在图3中，当无线传感器110的第一传感器(#1)在cfp312中的两个超帧上传送传感器数据时，在同一cfp时隙中的基本传输间隔和扩展传输间隔之后传送数据。

图4是图示了根据示范实施例的基于电力状态的火车监视设备400的另一示例的图。

参考图4，基于电力状态的火车监视设备400包括一个或多个传感器节点410和通信控制器420。传感器节点410包括无线传感器411、自主电源412、和无线通信器413。传感器节点410的数目可随机确定，其可以是转向架的轮轴的数目。在图4中，为了便于解释图示了一个传感器节点410。

包括一个无线传感器411和一个自主电源412作为一对，使得通信控制器420通过无线通信器413与无线链路连接。此外，无线传感器411和自主电源412可通过有线连接(直接连接)与无线通信器413连接。

利用从自主电源412供应的电力操作的无线传感器411可通过测量转向架的轮轴的温度和振动来生成传感器数据，并且可将生成的传感器数据通过无线通信器413传送到通信控制器420。自主电源412可通过使用在火车操作期间生成的振动能来生成电力，并将生成的电力提供到无线传感器411。另外，自主电源412通过监视生成的电力来生成电力状态信息，并将电力状态信息通过无线通信器413传送到通信控制器420。

将从无线传感器411接收的传感器数据和从自主电源412接收的电力状态信息通过无线通信器413传送到通信控制器420。通信控制器420可基于接收的电力状态信息标识无线传感器411的电力状态，并且可分配与无线传感器411对应的信道，并通过考虑电力状态信息来设置传输间隔。无线通信器413可将无线传感器411的传感器数据通过通信控制器420所确定的无线链路传送到通信控制器420。

图5是图示了根据示范实施例的基于电力状态的火车监视设备100的电力状态信息的格式的框图。

参考图1a和5，图5图示了包括ieee802.15.4标准的mac管理消息的电力状态信息。通信控制器130或通信控制器130的协调器131可通过向现有ieee802.15.4标准的mac管理消息添加“电力状态请求”和“电力状态应答”，而获取电力状态信息(供应电力的状态)。在该情况下，协调器131将电力状态信息的请求(“电力状态请求”)传送到图1a中的自主电源120或图4中的传感器节点410。然后，响应于“电力状态请求”，自主电源120或传感器节点410将“电力状态应答”传送到通信控制器130。电力状态请求消息在有效载荷510中包括最小电力电平、最大电力电平、以及最小电力电平和最大电力电平之间的电力步长的数目。

图6是图示了根据示范实施例的基于电力状态的火车监视设备100的电力状态信息的另一格式的框图。

参考图1和6，电力状态信息表示在传感器节点410或自主电源120向通信控制器130或协调器131传送电力状态信息时所使用的数据帧。通过使用数据帧格式，传感器节点410可按照背负传输(piggyback)的形式同时传送传感器数据和电力状态信息。为此，指定数据的类型用于电力状态信息，并且电力状态信息包括代表背负传输状态信息的字段。该方法可适于其中按照规则间隔传送传感器数据的情况。

在示范实施例中，协调器131可通过使用mac管理消息向传感器节点410或自主电源120传送电力状态请求消息，以便管理传感器节点410或自主电源120的电力状态，其中协调器131可将无线传感器110和411的电力状态指定为电力状态请求消息中的最小值、最大值、和电力步长。

一旦从协调器131接收到电力状态请求消息，传感器节点410或自主电源120就向通信控制器130和420或协调器131传送通过使用数据帧所分类的包括电力步长的电力状态信息。

图7是图示了根据示范实施例的自主建立基于电力状态的火车监视设备的无线链路的方法的流程图。

参考图7，自主建立基于电力状态的火车监视设备的无线链路的方法包括：在s701中收集电力状态信息；以及在s702中检查无线传感器的电力状态。在本公开中，无线传感器利用使用在火车操作期间生成的振动能所生成的电力来操作。然而，由于生成的电力的状态可根据行驶火车的加速度频繁改变，这可影响无线传感器的操作和无线链路的性能。在本公开中，基于通过检查电力状态信息所标识的无线传感器的电力状态，来建立无线链路。

一旦标识了无线传感器的电力状态，基于电力状态的火车监视设备可比较标识的电力状态和方法确定阈值，以在s703确定电力状态是否低于方法确定阈值。方法确定阈值是在竞争信道和专用信道之间区分的参考值。基于电力状态的火车监视设备比较无线传感器的电力状态和方法确定阈值，以确定无线传感器的电力状态是否达到可改变建立无线链路的方法的阈值。在其中无线传感器的电力状态大于预定的方法确定阈值的情况下，基于电力状态的火车监视设备确定无线传感器的电力状态达到充足的电力电平(可用电力充足)，并且在s704向无线传感器分配竞争信道(cap)。cap适于其中电力电平充分高的情况、或者其中不需要无线传感器来周期性传送传感器数据(连续传送传感器数据)的情况。

在s703中的比较时，在其中无线传感器的电力状态低于预定的方法确定阈值的情况下，基于电力状态的火车监视设备确定无线传感器的电力状态达到方法确定阈值。然后，基于电力状态的火车监视设备比较无线传感器的电力状态和传输间隔扩展阈值，以在s705确定是否需要扩展无线传感器的传输间隔。在其中无线传感器的电力状态等于或低于传输间隔扩展阈值的情况下，基于电力状态的火车监视设备确定当前电力状态可以不使能通信，并在s706中分配扩展传输间隔用于专用信道，以便向无线传感器提供充电时间。扩展传输间隔表示比基本传输间隔更长的传输间隔。

在其中在s705中无线传感器的电力状态大于传输间隔扩展阈值的情况下，认为当前电力状态对于通信是充足的，并且基于电力状态的火车监视设备在s707中分配基本传输间隔用于专用信道。根据在s704、s706和s707中分配的信道。基于电力状态的火车监视设备在s708中构造超帧。将构造的超帧传送到无线传感器或传感器节点，以建立无线传感器和通信控制器之间的无线链路。

图8是图示了根据示范实施例的自主建立基于电力状态的火车监视设备的无线链路的方法中的传感器节点的操作的流程图。

参考图8，根据示范实施例的自主建立无线链路的方法可通过基于电力状态改变无线传感器的采样频率，来解决无线传感器的电力的问题。基于电力状态的火车监视设备在s801中收集电力状态信息，并在s802中检查无线传感器的电力状态。然后，基于电力状态的火车监视设备比较该电力状态和通信可用的阈值(其后称为通信可用阈值)，以在s803中确定无线传感器的电力状态是否超出通信可用阈值。通信可用阈值表示使得无线传感器能传送通信的最小电力。在其中电力状态不大于通信可用阈值的情况下，基于电力状态的火车监视设备确定通信不可用，并在s804中使得无线传感器进入睡眠模式。已进入睡眠模式的无线传感器等待，直到其电力状态返回到好状态为止。

在其中在s803中无线传感器的电力状态大于通信可用阈值的情况下，基于电力状态的火车监视设备比较该电力状态和采样阈值，以在s805中确定该电力状态是否超出采样阈值。采样阈值表示无线传感器测量火车的状态所使用的采样频率的阈值。基于电力状态的火车监视设备比较电力状态和采样频率，以确定通信是否不稳定。

在其中在s805中电力状态等于或低于采样阈值的情况下，基于电力状态的火车监视设备确定无线传感器的电力状态可使能通信但是不稳定，并在s806中降低无线传感器的测量速度。然后，基于电力状态的火车监视设备在s807中传送传感器数据。在其中在s805中电力状态超出采样阈值的情况下，基于电力状态的火车监视设备确定电力状态可使能通信但是不稳定，并传送传感器数据而不改变采样速度。

如图7和8中图示的，对于基于电力状态的火车监视设备中包括的一个或多个无线传感器的每一个或者一个或多个传感器节点的每一个，个别执行自主建立基于电力状态的火车监视设备的无线链路的方法。按照该方式，通过根据每一无线传感器的电力状态建立与个别无线传感器的无线链路，基于电力状态的火车监视设备可主动应答电力状态的改变，由此防止通信质量的恶化。

上面描述的示范实施例可被写作计算机程序。此外，用于实现这些计算机程序所需要的代码和代码段能由本领域的计算机编程人员容易地导出。此外，书写的程序可被存储在记录介质中或信息储存介质中，并且可由计算机系统读取和运行，以实现本发明。记录介质可包括所有类型的计算机可读记录介质。

上面已描述了多个示例。尽管如此，应理解可进行各种修改。例如，如果按照不同顺序执行描述的技术和/或如果所描述的系统、架构、装置、或电路中的组件按照不同方式组合和/或由其他组件或其等效替换或补充，则可实现合适结果。因此，其他实现在以下权利要求的范围中。