一种货运列车无线传感监控系统及其使用方法

本发明具体涉及传感监控，具体为一种货运列车无线传感监控系统及其使用方法。

背景技术：

1、虽然铁路货运正逐渐成为运输部门去碳化的重要资产，但这一领域的新标准和新要求旨在提高货运车辆和基础设施的安全性和可靠性。从这个角度来看，通过使用在役仪表化车辆，状态监测和基于状态的维护正成为提高系统可靠性的重要工具。与高速应用相反，货运列车实际上没有配备任何能够进行这种分析的监控系统。通过仪表化车辆，实际上可以收集性能指标，如加速度rms，可用于进行趋势分析，从而了解数据中检测到的异常是否与列车机械部件问题或基础设施缺陷有关。

2、另一方面，由于交通量的增加以及对车辆和基础设施安全性和可靠性的更严格要求，基于状态的维护和状态监测在铁路部门变得越来越重要。关于这一主题的研究工作在文献中广泛存在，并且已经证明，相对于基于基础设施的系统，在列车上安装传感器对于监控车辆和基础设施而言如何更有效和更便宜。

3、因此，为货运列车提供智能且具有成本效益的监控系统的需求变得越来越重要，因为货运将代表了在不久的将来道路运输的更可持续的选择。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种货运列车无线传感监控系统及其使用方法，以解决上述背景技术中提出的货运列车实际上没有配备任何能够进行基于状态的维护和状态监测的监控系统的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种货运列车无线传感监控系统及其使用方法，包括轴箱发电系统、网关和无线传感节点，所述轴箱发电系统为网关电池供电，且设置有里程表计数，所述网关设置有计算机、4g调制解调器、ble主板、gps接收器和用于管理系统能耗的电子板组成。无线传感器节点与位于货车框架上的网关进行无线通信。网关由合适的电池供电，当列车运行时，该电池由轴箱发电机充电。网关的主要功能是从无线传感器节点收集数据，对数据进行后处理，并将综合信息发送到云端。该货运列车无线传感监控系统的使用方法包括适用于系统的地理位置算法和振动数据处理方法。

3、优选的，所述无线传感节点设置有pcb板焊接单片机、振动传感器、ble主板、蓄电池，且外壳设置上表面设置有太阳能板为蓄电池补充电能，底部设置有磁块用于磁吸在节点位置。

4、优选的，所述单片机优先选用搭载esp32处理芯片的开发板，振动传感器优先选用搭载mems系统的adxl345加速度传感器，蓄电池优先选用12580mwh容量的18650蓄电池组，外壳尺寸为91×70×38mm。

5、优选的，所述使用方法为每当列车开始移动时，采集过程自动开始，并且从传感器节点采集的每个数据包与里程计和gps信息在本地相关联。此外，网关还从安装在车架上的接收器获取gps信息，并从轴箱中的脉冲计数器获取里程计信息。该系统存在三种主要状态:“唤醒”、“运行”和“睡眠”。在“唤醒”状态下，传感器节点每30秒向网关发送一条唤醒消息。如果网关处于活动状态，它会向传感器节点发送一条包含时间跨度信息的消息，以便同步每个传感器节点采集。当节点接收到该同步消息时，它进入“运行”状态，并以200hz的采样频率连续采集加速度数据。

6、优选的，所述加速度数据的计算是在无线传感器节点上执行的，并且合成指数被传输到网关，发送的数据量不依赖于所选择的采样频率。具体而言，加速度均方根值是通过在1.28s(256个样本)的时间窗口内快速傅里叶变换(fft)来计算。

7、优选的，所述地理位置算法通过每个获取的点被投影到数字地图的对应部分上，从而不仅可以根据gps坐标，还可以根据里程碑位置来识别沿线的列车定位。然后通过杠杆法则计算对应于投影点的线路里程。在该过程结束时，初始gps位置被一组新的坐标所替代，该坐标表示沿着线路里程的列车定位的更好估计。在将地图匹配过程应用于由列车收集的gps信息之后，在算法中执行的第二步是提高线路里程的可靠性，即使在丢失gps信号的情况下，同时尽可能减少与固有gps设备精度相关的异常值的出现。这是通过引入里程计数据和从地图获得的结果之间的分析关系来实现的匹配程序。

8、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

9、(1)无线传感节点体积小，能够自行供电，节省布置空间，方便布置，大幅度降低了监控成本；

10、(2)网关程序能够更精准的计算振动、位置的关系，且能够实现实时监控全车，处理大批量的监控数据；

11、(3)地理位置算法有效的将里程计数和gps信息融合处理，进一步提高位置信息的精准性、实时性；

12、(4)实现了基于无线传感器节点的货运列车监控，成本低，效率高，实现货运列车的状态维护和状态监测；

13、(5)通过仪表化车辆提高货运车辆和基础设施的安全性和可靠性。

技术特征：

1.一种货运列车无线传感监控系统及其使用方法，包括轴箱发电系统、网关和无线传感节点，所述轴箱发电系统为网关电池供电，且设置有里程表计数，所述网关设置有计算机、4g调制解调器、ble主板、gps接收器和用于管理系统能耗的电子板组成。无线传感器节点与位于货车框架上的网关进行无线通信。网关由合适的电池供电，当列车运行时，该电池由轴箱发电机充电。网关的主要功能是从无线传感器节点收集数据，对数据进行后处理，并将综合信息发送到云端。该货运列车无线传感监控系统的使用方法包括适用于系统的地理位置算法和振动数据处理方法。

2.根据权利要求1所述的一种货运列车无线传感监控系统及其使用方法，其特征在于：所述无线传感节点设置有pcb板焊接单片机、振动传感器、ble主板、蓄电池，且外壳设置上表面设置有太阳能板为蓄电池补充电能，底部设置有磁块用于磁吸在节点位置。

3.根据权利要求2所述的一种货运列车无线传感监控系统及其使用方法，其特征在于：所述单片机优先选用搭载esp32处理芯片的开发板，振动传感器优先选用搭载mems系统的adxl345加速度传感器，蓄电池优先选用12580mwh容量的18650蓄电池组，外壳尺寸为91×70×38mm。

4.根据权利要求1所述的一种货运列车无线传感监控系统及其使用方法，其特征在于：所述使用方法为每当列车开始移动时，采集过程自动开始，并且从传感器节点采集的每个数据包与里程计和gps信息在本地相关联。此外，网关还从安装在车架上的接收器获取gps信息，并从轴箱中的脉冲计数器获取里程计信息。该系统存在三种主要状态:“唤醒”、“运行”和“睡眠”。在“唤醒”状态下，传感器节点每30秒向网关发送一条唤醒消息。如果网关处于活动状态，它会向传感器节点发送一条包含时间跨度信息的消息，以便同步每个传感器节点采集。当节点接收到该同步消息时，它进入“运行”状态，并以200hz的采样频率连续采集加速度数据。

5.根据权利要求4所述的一种货运列车无线传感监控系统及其使用方法，其特征在于：所述加速度数据的计算是在无线传感器节点上执行的，并且合成指数被传输到网关，发送的数据量不依赖于所选择的采样频率。具体而言，加速度均方根值是通过在1.28s(256个样本)的时间窗口内快速傅里叶变换(fft)来计算。

6.根据权利要求1所述的一种货运列车无线传感监控系统及其使用方法，其特征在于：所述地理位置算法通过每个获取的点被投影到数字地图的对应部分上，从而不仅可以根据gps坐标，还可以根据里程碑位置来识别沿线的列车定位。然后通过杠杆法则计算对应于投影点的线路里程。在该过程结束时，初始gps位置被一组新的坐标所替代，该坐标表示沿着线路里程的列车定位的更好估计。在将地图匹配过程应用于由列车收集的gps信息之后，在算法中执行的第二步是提高线路里程的可靠性，即使在丢失gps信号的情况下，同时尽可能减少与固有gps设备精度相关的异常值的出现。这是通过引入里程计数据和从地图获得的结果之间的分析关系来实现的匹配程序。

技术总结
本发明公开了一种货运列车无线传感监控系统及其使用方法，包括轴箱发电系统、网关和无线传感节点，所述轴箱发电系统为网关电池供电，且设置有里程表计数，所述网关设置有计算机、4G调制解调器、BLE主板、GPS接收器和用于管理系统能耗的电子板组成，所述无线传感节点设置有PCB板焊接单片机、振动传感器、BLE主板、蓄电池，且外壳设置上表面设置有太阳能板为蓄电池补充点能，底部设置有磁块用于磁吸在节点位置。该货运列车无线传感监控系统的使用方法包括适用于系统的地理位置算法和振动数据处理方法。无线传感器节点与位于货车框架上的网关进行无线通信。网关由合适的电池供电，当列车运行时，该电池由轴箱发电机充电。网关的主要功能是从无线传感器节点收集数据，对数据进行后处理，并将综合信息发送到云端。该系统能够基于GPS信息进行诊断和预测性维护活动，对车辆和基础设施进行状态监控从而最大限度地减少对车辆的影响。

技术研发人员：周韶泽,谈智强,冯显锟
受保护的技术使用者：大连交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13