基於ZigBee的鐵路信號監測網絡系統的製作方法
2023-11-06 15:04:12
專利名稱：基於ZigBee的鐵路信號監測網絡系統的製作方法
技術領域：
基於ZigBee的鐵路信號監測網絡系統
技術籲域
本實用新型涉及鐵路信號監測兩絡系統，更具體地說是一種基於Zi^Bee 的無線鐵路信號監測網絡系統。 背聚技術
現有技術中鐵路信號監籌系統主要依拿有線方式或電力線載波方式傳輸 監鱅信息。有線方式傳輸監獼僨息霱要在室外鋪設大量的電綴，所以成本高， 且監糖項目單一。電力線,方式傳輸監獮信息可靠性差、且搡作不便。現有 技術中鐵路信號監測系統均不具備電子巡更功能和列車HM報警功能，監瀾項 目難於滿足現行鐵路信號維修體制的使用要求。
發明內容
本實用新型是為璩免上述現有技術所存在的不足之處，提供一種安裝便 利、價格適中、工作可靠、具備電子巡更功能和列車接近報警功能的罄於ZigBee 的無線皿信號臚翔兩絡系統。
本實用新型解決其技術問邋所採用的技術方案是
本實用新型基於ZigBee的M信號監翻網絡系統，其系統^^包括無線 鐵路信號監獮網絡模塊、無線監瀾網關和監糖控制器
所述無線鐵賂信號監獮網絡模塊包括信號設備探獮器、便攜維修報警裝 置、無線通信模塊及無線中繼器，完成鐵路信號信息數據的採集與網絡化傳輸,
其中
a、 所述信號設備探瀾器包括軌道電路補償電容器H騸器、道翁缺口探測 器、燈絲斷絲報警探瀾器、地面信息應答晷探測器，用於對信號設條當前區域 狀態進行捕捉；
b、 所述便,修報瞀裝置，用於接受發送電子巡更和列車接近搌警的信 號控制器的指令；
c、 所述無線通信模塊採用ZigBee通信模塊，與信號設備H钃li及便鑭維 修搌警裝置相連，以ZigBee協議構建無線通信網絡，實現,的lliHfc無線 傳輸；
d、 所述無線中繼器通過無線通信模塊接入無線通信網絡，實現無線信號 的放大轉發功能；
所述無線鐵蹯信號監測網關與所述信號控制器有線連接，並通過一個無線 通信模塊接入無線通信網絡由無線鐵路信號監瀾網關對網絡中的jRJgJt行收 集，同時接受來自控制器的巡檢和査詢。由所述信號控鑭器接收無扭自信號 監鑭網關收集的無線信號信息，根據不同的信號類型，輸出相應的處理信息。
信號控制器支持多個總線歸路，每條國路均為由該翻略中的無te盩鑭兩關
與無線通信網絡欞塊以及所述僚號控鑭暴共同構成的一個子網絡系統。
軌道電路補償電容器探糖器、遒岔缺口,器、燈絲斷餘報iF^S鑭器、地 面信息應答器探獮器採用磁感應裝置，從相應的信號設備引線處獲板感應電能量，並且將感應電齙量傳送至電容或電池中存儲，用於儎賴關通倚模
塊的電源。
便攜維修報拿裝置包括無線通信模塊、單片機、電池和報lil。便攜錐修 拫警裝置可以依據信號控制器的指令適時發出列車接近報警。自饞修報整裝
置在信號檢修人員巡檢過程中，向信號控制器傳送其在Zij^ee充線網絡的位 置信息，信號控翻器紀錄上述信息，實現電子巡更。 與現有技術相比，本實用新型有益效果體現在-
1、 基於最新的ZigBee技術的無線網絡結構
ZigBee技術是專門針對無線傳iilS網絡開發的一種近距離、低複雜度、低 功耗、低數據速率、低成本的雙向無線通信技術。本實用新型採用了最新的 ZigBee無線通信技術，構細^Mt號監剿網絡系統，與傳統的有線鐵雜號 監籌相比，系統安裝，調試的複雜度大大降低，對原有信號設備的被壞和改造 也幾乎不存在。對於國內眾多已投入使用的信號設備的監籌改造，有著很強的 針對性和實用性。
2、 靈活的自適應性
本實用新型所搭建的鐵路備號監瀾網絡系統，有著健,網lft^系，具有 強大的自通應性。控制器可以控^路由，増鵬探漏器節點，使網^il模可以依 據信號設備規模任意調整，且安裝與設置的複雜度沒有墦加，避兔了傳統有線 鐵路信號監獮系縑規模較小，靈活性弱的弊端。
3、 低廉的成本
本實用新型採用ZigBee技術具有低速率、低功耗、低^C賺點，使當 前系統成本已下降到遠低於傳統有線鐵路信號監瀾系統的程度，面且ZigBee 模塊的價格仍在進一步降低，本實用新型的系統成本將會非常低麋，易於市場 推廣。
4、 低功耗
本實甩新型可以採用E ber公司的BM2420晶片，在單一的晶片內包含了 802.15.4及ZigBee兼容系統中必備的組件，支持同歩睡,喚薩有效的降 低了功耗。,電蹐補償電窖,钃爨、遒岔缺口探鑭器、燈絲斷絲ji警探糖 器、地面信息應答SII測器採用磁感,置，從相應的信號設備引線處獲取感 應電能量，並且將感應電能愛傳送至電容或電池中存儲，用於傲相關Z一e 通信模塊的電源。如此一舉兩得，即監測了上述信號設備的狀態，又輦免了更 換電池。無線中饞器僅靠兩節標準5號電池就可持續工作6個月至兩年，從而 延長了各探籌器節點維護周期，節省了相應的人力和物力。
5、 及時準確的信息收集與傳輸
本實用新型通過採用高質量的軌道電路補償電容晷探剿器、道岔缺口探糖 器、燈絲斷絲報,瀾器、地面信息應答^lfSil爨，,及lWI&i:述設備的 故障信息；通過在其無線網IMI輸中採取8bit數據方式傳輸，以及定時發送、 巡檢和報罾輸出的三種傳輸方式進行協調工作，可以使信息 在第一時 間進行網絡傳輸；基於Zi^ee協議的兩^fe，包括嚴格的ltjg校驗，充分 保證了數據的準確性，有效避免了信號設備故障的誤報和漏報。6、 便攜維傪裉審裝置可以依據信號控制器的指令適時發凼列車接近拫 替。便攜維修報祭裝置在信號檢修人員巡檢過程中，向信號控制維傳送其在 ZigBee無線網絡的位置信息，信號控制器記錄上述信息，實現電子巡更。
7、 數據;^K齊全
本^用新型內部互相通訊的數據包括軌道電路補償電容器，性探鑭數 據、道岔缺口探漏數據、燈絲斷絲報曹探獮數據、地面儈息應答H完好性探測 數據、電子巡更和列車接近報警的指令等多種數據，並在信號控自資料庫內 統一存儲、調用和管理，同時在顯示屏上顯示。相關信息可以根據措令，由打 印機進行數據輸出。
附圉說明
圖1為本實用新型的系,成框圖。 圖2為本實用新型的網絡節點硬體框國。 圖3為本實用新型中所應用的Ember Zi^ee體系結構示意。 圖4為本實用新型中所應用的從相應的信號設備引線處獲取自電能量的 結構示意圖。
具體實施方式
參見圉1,本實鰌例的系統組成包括無線鐵路信號監灑網絡,、無線監 獮網關和監測控制器
所述無線鐵錄信號監獮網絡樓塊包括信號設備探籌器、便癱維修報警裝
置、無線通信模塊及無線中繼器，完成鐵路信號信息數據的採集與搏^4k傳輸,
其中
a、 所述信號設備探剿器包括軌遒電路補償電容器探騸器、遒貧缺口採測 器、燈,斷絲報警探糖器、地面信息應答SII瀾器，用於對信號設備當前區域 狀態進行捕捉；
b、 所述便攜錐修報瞥裝置，用於接受發送電子巡更和列車接近報警的信 號控制器的措令；
c、 所述無線通信模塊採用Zi^ee通信模塊，與信號設備探獮猓及便擁維
修搌曹裝置相連，以ZigB枕袖^議構建無線通信網絡，實現數據的闊絡化無線 傳輸；
d、所述無線中繼器通過無線通信模塊接入無線通信網絡，實現無線信號 的放大轉發功能；
所述無線鐵蹯信號監測網關與所述信號控制器有線連接，並通過一個無線 通信模塊接入無線通信網絡；由無線鐵路信號監籌網關對網絡中的i^t行收 集，同時接受來自控制器的巡檢和査詢。由所述信號控制器接牧無線鵬信號 監籌網關收集的無線信號信息，根據不同的信號類型，輸出相應的處理信息。
具體實施中，信號控制暴支持多個總線迴路，每條國鏘均為由該迴路中的 無線鐵路信號監漏網關與無線通信模塊以及所述信號控翻蕃共鬭構成的一個 子網絡系統。本實施例錄多可以支持加條總線迴路，每個總線回鼴上連接一 個無線鐵路信號監獮網關，並可暈大支持2腳個節點。無線中饞器為大規模網^H供信號放大與轉發。所以對於單個信號控制器，可條大支持4000個節點, 構成一個龐大的無線網絡系統。參見圉2，本實施例中的探測器節點主要由三部分構成，包括傳感器電路、主控電路和無線收發電路o其中，主控單片機採^AVR內核的8位單片機A加e^l28L,它採用先進 的RISC架構，提供豐富的I/0,並具有很低的功耗。同時，它具有啟動引導 功能，給程序的升級和維護提供了極大的方便。無線收發電路採用EmberCrop的EM2420,它在單一的晶片內包含了 抑2. 15. 4及ZigBee兼容系統中所有必備的組件，融合了 2. 4GHz的射頻收 發器，內嵌了 ZigBw的聯網堆棧和開發環境。基於本實施倆系統的控制方法為1、無線通信模塊將信號探瀕器的輸入信號按照固定報文格式化，通過直 接序列擴頻調製，然後按照Z妙ee無線通信協議進行無線網絡傳糖；在這一步驟中，信號探湖器的輸入信號包括軌道電路補償電容器完好性探 測數據、道岔缺口探瀾數據、燈絲斷絲報曹探澳數據、地面信息應答晷完好性 探獮數據、電子巡更和列車接近報警的措令模擬量和開關量，包含以下三種接 口a、 開關量信號輸入接口提供兩個1 / 0 口 ，所述I / 0 口通過10K電阻 接地，高電平輸入；b、 數位訊號輸入接口採用UART接口，協定波特率；c、 模擬電平信號輸入接口提供一路8位A/D輸入接口，其參考電壓可調節。報文頭報文類型(地址)淡型)凍據)鵬無線網^糖採取8bit數據方式傳輸，傳輸方式有三種定時發送、巡檢 和報曹輸出，其中巡檢某網絡節點對其發出査詢要求，則發送；定時發送定時向網絡節點發出狀態信息，供控制器記錄,；報警輸出當超過預警或報警閥值時，主動發送。2、 無線鐵路信號監測網關收集無線鐵路信號監測網絡中的數維信息，通 過串口將信息按照信號控制器兼容報文格式發送給信號控制器。具體實旌中，無線鐵路信號監測網關收集無線鐵路信號監糖網絡中的數據 信息是通過利用與其相連的無線通信模塊作為採集節點來實現的。3、 信號控制器對信息進行分析和做出相應的處理，包括 當無信號設備故降時a、 分析當前對間、探翻器地址、環境溫度、道岔缺口值；b、 將上述,各存入系癱資料庫供査詢； C、顯示屏同步顯示狀態信息； 當出現信號設備故降時a、分析當H時間、探鑭器地址、環境溫度、道岔缺口值；b、 啟動警笛，提示信號設備故陣出現；c、 啟動便攜維修報，1LS指引維修人員儘快修復故陣設備；d、 將^1述數據存^系統資料庫並列印；e、 顯示屏同步顯示狀態信息。4、信號控制器可以控制賂由，自動識別無線鐵路信號檢瀾通信網絡模塊， 任意增鵬網絡節點。圖3示出了i實用新型採用的Z&bee協議的分層模型以及其與OSI網絡 模型的對應關係。從結構上來說，如圖所示主機應用層和E鵬ber協議棧屬於 用戶自定義範圍，對應著OSI網絡模型的應用層到網絡層的五層協議，本實用 新型則通過A加e伊i28L單片機編程實現；然後通過SPI同歩串行接口與 EM2420晶片相連接，由EM2420完成傳輸中的差錯控制和流量控制，調製後 通過天線發射。本部分對應著OSI網絡模型中數據鏈路層Dateltok tayer和物 理層Physical teyer兩層協議。 其報文格式為(1) 報文結構報文頭+^文類型+(地址M類型)+(數據)+報尾(2) 具體報文類型及格式InfornwtkMi報文，指節點發送常規數據信息，拫文長度12B。4B數據指電量、溫度、濃度、開關量，下同。 New報文，指匯報新加入節點及數據，報文長度12B,Lost報文，指匯拫新加入節點及數據，報文長度12B,Ack拫文，應雜號，報文長度4B,正常應答，2—應答同時請求應應答數據為0~非正常應答，l-答o接收到對方發來的報文以後， 一般都鐮傲出應答以表示 成功接受, 正常應答也表示節點的生存，如中心節點與網關之間的通信保,手。Set報文，設置開關量模塊，報文長度9B。在收到Set報文後，除了正常應答之外，還必須在開關量變化後傳回實H1^點操作後的開關量值。Update報文，網關節點要求中心節點重新傳輸所有節點地址信息，報文長 度3BQuery報文，報文長度12B。當網關接收到不存在於路由表內節點的信息時，向中心節點査實該節點，同時該信息作廢。如中心節點査實存在，則在適宜的時候發送New指令。同時，傳感糖結點也可以充當路由節點，具有數據轉發功能。在主控電路 的控制下,無線收發電路將接收到數據通過SPI同步串行接口傳至主控單片機, 單片機再將數據從新處理，加上一些必要的路由信息，再通過SPI同步串行接 口傳回無線收發電路。無線鐵路信號監測網關主要起到數據聚集和轉發的作用收集無線鐵路 信號監測網絡中的數據信息，通過串口將信息按照信號控制器兼審拫文格式發送給信號控制器。信號控鑭器可以使用工業控鑭計算機。信號控制器接收,文，進行分析, 獲取信號設備故,等信息，並根據信息傲出處理。圖4為本實用新型中所應用的從相應的信號設備引線處獲取雄應電能量的 結構示意國。圖4中(1)是磁環，可以使用<D25X15X10的錳鋅截環。(2) 是軌道電路補償電容器的引線。(3)是軌道電路補償電,的塞釘連接頭。 (4)是電池，可以使用市售3.7V鋰電池，也可以採用法拉電容，(5)是諧 振電容，根據相應的軌道電路頻率設置其容量。(6)是整流二極體。可以採 用1N4001,也可以用BL8505升壓模塊代替。軌道電路補償電容《||鑭器、道岔缺口探糖器、燈絲斷絲報曹探糖器、地面信息應答器探籌iiipr以採用上述磁感應裝置，從相應的信號設備引線處獲取感應電能量，並且將感應電能量傳送 至電容或電池中存儲，用於做相關ZigBee通信模塊的電源。便攜維修報警裝置包括無線通信模塊、單片機、電池和報蕾器。便攜維修 報警裝置可以依據信號控制器的指令適時發出列車接近報籌。便攜維修報瞥裝 置在信號檢修人員巡檢過程中，向信號控制器傳送其在ZigBee無線網絡的位 置信息，信號控制器記錄上述信息，實現電子巡更。
權利要求1. 基於ZigBee的鐵路信號監測網絡系統，其特徵是系統組成包括無線鐵路信號監測網絡模塊、無線鐵路信號監測網關和鐵路信號監測控制器所述無線鐵路信號監測網絡模塊包括信號設備探測器、便攜維修報警裝置、無線通信模塊及無線中繼器，完成鐵路信號信息數據的採集與網絡化傳輸，其中a、所述信號設備探測器包括軌道電路補償電容器探測器、道岔缺口探測器、燈絲斷絲報警探測器、地面信息應答器探測器，用於對信號設備當前區域狀態進行捕捉；b、所述便攜維修報警裝置，用於接受發送電子巡更和列車接近報警的信號控制器的指令；c、所述無線通信模塊採用ZigBee通信模塊，與信號設備探測器及便攜維修報警裝置相連，以ZigBee協議構建無線通信網絡，實現數據的網絡化無線傳輸；d、所述無線中繼器通過無線通信模塊接入無線通信網絡，實現無線信號的放大轉發功能；所述無線鐵路信號監測網關與所述信號控制器有線連接，並通過一個無線通信模塊接入無線通信網絡；由無線鐵路信號監測網關對網絡中的數據進行收集，同時接受來自控制器的巡檢和查詢由所述信號控制器接收無線鐵路信號監測網關收集的無線信號信息，根據不同的信號類型，輸出相應的處理信息。
2、 根據權利要求1所述的系統，其特徵是所述信號控制蕃支錄多個總 線迴路，每條迴路均為由該隨路中的無線監瀾網關與無線通儕網絡模塊以及所述信號控制器共同構成的一個子網絡系統。
3、 根據權利要求1所述的系統，其特徵是所述軌道電賂補償電容器探 測器、道岔缺口探測器、燈絲斷絲報簪探謝器、地面信息應答器探漏器採 用磁感,置，從相應的信號設備引線處獲取感應電能量，並且將感應電 能量傳送至電容或電池中存儲，用於傲相關ZigBee通信模塊的電源。
4、 根據權利要求1所述的系統，其特徵是所述便攜維修報警裝置包括 無線通信模塊、單片機、電池和報警器。
專利摘要基於ZigBee的無線鐵路信號監測網絡系統組成包括無線鐵路信號監測網絡模塊、無線鐵路信號監測網關和鐵路信號監測控制器。無線鐵路信號監測網絡模塊包括信號設備探測器、便攜維修報警裝置、無線通信模塊及無線中繼器，完成鐵路信號信息數據的採集與網絡化傳輸。無線鐵路信號監測網關與所述信號控制器有線連接，並通過一個無線通信模塊接入無線通信網絡。由無線鐵路信號監測網關對網絡中的數據進行收集，同時接受來自控制器的巡檢和查詢。信號控制器接收無線鐵路信號監測網關收集的無線信號信息，根據不同的信號類型，輸出相應的處理信息。系統具有自適應特性、安裝維護方便、成本低。
文檔編號H04M11/00GK201097457SQ20072003114
公開日2008年8月6日 申請日期2007年1月31日 優先權日2007年1月31日
發明者佟元江 申請人:佟元江