專利名稱：重載鐵路軌道安全檢測的無線傳感網(wǎng)絡結構的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及重載鐵路軌道的無線傳感監(jiān)測網(wǎng)，屬于傳感網(wǎng)技術領域，尤其涉及一 種重載鐵路軌道安全檢測的無線傳感網(wǎng)絡結構。
背景技術：
重載運輸最早始于北美地區(qū)，20世紀70年代末，美國一級鐵路即開始了重載運 輸。1978年第一屆國際重載大會在澳大利亞佩斯召開，1985年國際重載運輸協(xié)會成立。由 于重載運輸顯著的經(jīng)濟效益，使其在世界范圍內的發(fā)展如雨后春筍般迅速，美國、加拿大、 澳大利亞、南非、巴西等國成為世界重載運輸技術和應用比較領先的國家。我國的重載運輸是以大秦鐵路(大同-秦皇島)為標志的，該線一、二期分別于 1988年和1992開通運營。大秦鐵路是我國第一條雙線電氣化、開行重載單元式列車的運 煤干線，西起北同蒲線韓家?guī)X站，東至秦皇島柳村南站，全長636km。大秦線同時配套建設 了 19個裝車基地和秦皇島港三、四期碼頭。大秦線自開通十余年來，累計運送煤炭8. 2億 噸多，對加強西部地區(qū)煤炭開發(fā)利用，緩解華東及沿海地區(qū)煤炭緊張局面，促進國民經(jīng)濟發(fā) 展發(fā)揮了舉足輕重的作用。重載鐵路運輸?shù)拇罅Πl(fā)展緩解了運量與運能之間的矛盾，取得了巨大的經(jīng)濟效益 和社會效益。然而，由于運量和軸重增加，軌道極易出現(xiàn)以下設備病害鋼軌傷損和無縫線路焊縫斷裂急劇增加。軌道穩(wěn)定性破壞嚴重?？奂蓜?，軌枕偏移和出現(xiàn)裂縫甚至失效的數(shù)量增多，特別 是在曲線地段。因此，對現(xiàn)有重載鐵路列車的在途安全狀態(tài)進行監(jiān)測十分必要。目前現(xiàn)有的檢測技術主要有兩種其一是傳統(tǒng)人工檢測，主要由鐵道工務技術人 員靠看、聽、摸等傳統(tǒng)檢測方法，該方法不僅費時費力效率低下，而且更容易出現(xiàn)誤檢、漏檢 的現(xiàn)象；另一種方法是采用專用軌道檢測車，但是該設備不僅造價高，且我國的干線日趨繁 忙，檢測車無法實現(xiàn)實時、在線的監(jiān)測，不能及時獲取車輛運行狀態(tài)信息。鑒于以上原因，開發(fā)重載鐵路軌道的自動安全檢測系統(tǒng)，實時反映軌道結構的安 全隱患，同時不影響鐵路運輸?shù)恼＿M行，是十分必要的。

發(fā)明內容
(一)要解決的技術問題有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種重載鐵路軌道安全檢測的無線傳感網(wǎng) 絡結構，以在不影響鐵路運輸正常進行的前提下，實現(xiàn)對軌道結構安全進行實時監(jiān)測。(二)技術方案為達到上述目的，本發(fā)明提供了一種重載鐵路軌道安全檢測的無線傳感網(wǎng)絡結 構，該結構包括傳感器節(jié)點、匯集節(jié)點和基站節(jié)點，且傳感器節(jié)點、匯集節(jié)點和基站節(jié)點構 成以基站節(jié)點為根、以匯集節(jié)點為簇的樹狀網(wǎng)絡，每個基站節(jié)點連接有多個匯集節(jié)點，每個 匯集節(jié)點連接有多個傳感器節(jié)點，與匯集節(jié)點連接的多個傳感器節(jié)點只與該匯集節(jié)點進行通信，匯集節(jié)點將接收到的數(shù)據(jù)信息進行處理后，轉發(fā)給基站節(jié)點，基站節(jié)點由網(wǎng)絡協(xié)議轉 換器將數(shù)據(jù)信息轉發(fā)給遠程計算機。上述方案中，所述傳感器節(jié)點包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、無線收發(fā)模塊和 能量供應模塊，其中數(shù)據(jù)采集模塊用來采集軌道裂縫位移和軌枕偏移位移值的模擬電信號數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)處理模塊將傳感器采集的模擬電信號轉換成數(shù)字信號并儲存；無線通信模塊負責與匯集節(jié)點之間進行數(shù)據(jù)通信；電源模塊為傳感器節(jié)點提供能量。上述方案中，所述數(shù)據(jù)采集模塊包含有用于采集鐵路軌道位移數(shù)據(jù)的傳感器，該 傳感器包括激光器1、光纖2和位移刻度板3，其中，激光器1安裝于被測物體的主軸8上， 并沿被測物體的主軸8進行運動；激光器1產(chǎn)生的激光束通過光纖2照射到位移刻度板3 上；位移刻度板3用于感應通過所述光纖2傳輸?shù)募す馐?，并產(chǎn)生光電流。上述方案中，所述位移刻度板3上的位移刻度由具有光電導效應的半導體材料制 成。上述方案中，所述位移刻度板3進一步通過數(shù)字邏輯電路模塊9連接于數(shù)字顯示 器4，數(shù)字顯示器4用于接收所述位移刻度板3產(chǎn)生的光電流，并通過數(shù)字邏輯電路模塊9 將光電流轉換為相應的位移數(shù)字量進行顯示。上述方案中，所述數(shù)據(jù)采集模塊還包含有信號調整電路和A/D轉換器。上述方案中，所述數(shù)據(jù)處理模塊包含有微處理器和存儲器，所述無線收發(fā)模塊包 含有MAC網(wǎng)關河收發(fā)器。上述方案中，所述匯集節(jié)點包括無線通信模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和電源模塊，數(shù)據(jù)轉 發(fā)路徑是從群內傳感器節(jié)點到匯集節(jié)點再到基站節(jié)點，匯集節(jié)點在向基站節(jié)點轉發(fā)數(shù)據(jù)之 前，對群內的原始數(shù)據(jù)進行聚合處理，降低實際需要傳輸?shù)交竟?jié)點的數(shù)據(jù)量。(三)有益效果本發(fā)明提供的這種重載鐵路軌道安全檢測的無線傳感網(wǎng)絡結構，在不影響鐵路運 輸正常進行的前提下，能夠實時不間斷地監(jiān)測軌道結構安全，并向遠程控制中心發(fā)布安全 警報，有效避免人工監(jiān)測效率低、漏檢誤檢高的缺陷。


圖1是本發(fā)明提供的重載鐵路軌道安全檢測的樹狀結構無線傳感網(wǎng)絡結構的示 意圖(其中，A表示匯集節(jié)點，也稱簇節(jié)點；B表示傳感器節(jié)點)；圖2是傳感器節(jié)點結構示意圖；圖3是光電位移傳感器的結構示意圖；圖4是無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點的軟件設計主程序流程圖；圖5是協(xié)議轉換的協(xié)議棧結構圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照 附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。
鐵路軌道的安全監(jiān)測中，位移是重要的指標，包括軌道裂縫位移和軌枕偏移位移 等。將監(jiān)測位移的傳感器節(jié)點沿鐵路軌道鋪置，其尺寸非常小，不會影響鐵路的正常行駛。如圖1所示，圖1是本發(fā)明提供的重載鐵路軌道安全檢測的樹狀結構無線傳感網(wǎng) 絡結構的示意圖，該網(wǎng)絡結構包括傳感器節(jié)點、匯集節(jié)點和基站節(jié)點，傳感器節(jié)點、匯集節(jié) 點和基站節(jié)點構成以基站節(jié)點為根、以匯集節(jié)點為簇的樹狀網(wǎng)絡，每個基站節(jié)點連接有多 個匯集節(jié)點，每個匯集節(jié)點連接有多個傳感器節(jié)點，與匯集節(jié)點連接的多個傳感器節(jié)點只 與該匯集節(jié)點進行通信，匯集節(jié)點將接收到的數(shù)據(jù)信息進行處理后，轉發(fā)給基站節(jié)點，基站 節(jié)點由網(wǎng)絡協(xié)議轉換器將數(shù)據(jù)信息轉發(fā)給遠程計算機。其中，傳感器節(jié)點主要包括四個部分數(shù)據(jù)采集模塊(傳感器、信號調整、A/D轉換 器)、數(shù)據(jù)處理模塊(微處理器、存儲器)、無線收發(fā)模塊(無線網(wǎng)絡、MAC、收發(fā)器)，以及能 量供應模塊(電源、AC-DC)。數(shù)據(jù)采集模塊用來采集軌道裂縫位移和軌枕偏移位移值的模 擬電信號數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)處理模塊將傳感器采集的模擬電信號轉換成數(shù)字信號并儲存；無線通 信模塊負責與匯集節(jié)點之間進行數(shù)據(jù)通信；電源模塊為傳感器節(jié)點提供能量。傳感器節(jié)點 的結構如圖2所示。數(shù)據(jù)采集模塊中的傳感器采用光電位移傳感器，用于采集鐵路軌道的位移數(shù)據(jù)， 該傳感器包括激光器1、光纖2和位移刻度板3，其結構如圖3所示。所述激光器1安裝于 被測物體的主軸8上，并沿被測物體的主軸8進行運動；所述激光器1產(chǎn)生的激光束通過所 述光纖2照射到所述位移刻度板3上；所述位移刻度板3上的位移刻度由具有光電導效應 的半導體材料制成，所述位移刻度板3用于感應通過所述光纖2傳輸?shù)募す馐?，并產(chǎn)生光電 流。位移刻度板3通過數(shù)字邏輯電路模塊9連接有數(shù)字顯示器4，所述數(shù)字顯示器4用于接 收所述位移刻度板3產(chǎn)生的光電流，并通過所述數(shù)字邏輯電路模塊9將光電流轉換為相應 的位移數(shù)字量進行顯示。傳感器節(jié)點的軟件設計主程序流程圖如圖4所示。其中調用了多個子程序模塊用 來處理相應的功能。初始化模塊來初始化系統(tǒng)，使系統(tǒng)的工作頻率保證在RF正常工作的晶 振頻率；查詢模塊用來查詢附近通信節(jié)點的信息；通信鏈路模塊用來建立監(jiān)測區(qū)域內節(jié)點 間的數(shù)據(jù)鏈路；數(shù)據(jù)通信模塊用來接收并分析無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)信息，處理 后將數(shù)據(jù)信息發(fā)送出去。匯集節(jié)點由無線通信模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和電源模塊組成。數(shù)據(jù)轉發(fā)路徑是從群 內傳感器節(jié)點到匯集節(jié)點再到基站節(jié)點，匯集節(jié)點在向基站節(jié)點轉發(fā)數(shù)據(jù)之前，對群內的 原始數(shù)據(jù)進行聚合處理，降低實際需要傳輸?shù)交竟?jié)點的數(shù)據(jù)量?；竟?jié)點為了實現(xiàn)大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡的組網(wǎng)與應用，通常需要借助其它網(wǎng)絡設施來實 現(xiàn)不同網(wǎng)絡之間的互聯(lián)。節(jié)點布設在人員難以到達的地點，用戶能夠從遠程對無線傳感器 網(wǎng)絡進行控制和訪問是非常必要的，這就需要借助IP網(wǎng)絡的支持。在鐵路軌道監(jiān)測系統(tǒng) 中，可以通過設置特定的網(wǎng)關，在不同網(wǎng)絡的應用層之間進行協(xié)議轉換，實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng) 絡和IP網(wǎng)絡之間的互聯(lián).協(xié)議轉換的協(xié)議棧結構圖如圖5所示。以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳 細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡 在本發(fā)明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種重載鐵路軌道安全檢測的無線傳感網(wǎng)絡結構，其特征在于，該結構包括傳感器 節(jié)點、匯集節(jié)點和基站節(jié)點，且傳感器節(jié)點、匯集節(jié)點和基站節(jié)點構成以基站節(jié)點為根、以 匯集節(jié)點為簇的樹狀網(wǎng)絡，每個基站節(jié)點連接有多個匯集節(jié)點，每個匯集節(jié)點連接有多個 傳感器節(jié)點，與匯集節(jié)點連接的多個傳感器節(jié)點只與該匯集節(jié)點進行通信，匯集節(jié)點將接 收到的數(shù)據(jù)信息進行處理后，轉發(fā)給基站節(jié)點，基站節(jié)點由網(wǎng)絡協(xié)議轉換器將數(shù)據(jù)信息轉 發(fā)給遠程計算機。
2.根據(jù)權利要求1所述的重載鐵路軌道安全檢測的無線傳感網(wǎng)絡結構，其特征在于， 所述傳感器節(jié)點包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、無線收發(fā)模塊和能量供應模塊，其中數(shù)據(jù)采集模塊用來采集軌道裂縫位移和軌枕偏移位移值的模擬電信號數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)處理模塊將傳感器采集的模擬電信號轉換成數(shù)字信號并儲存；無線通信模塊負責與匯集節(jié)點之間進行數(shù)據(jù)通信；電源模塊為傳感器節(jié)點提供能量。
3.根據(jù)權利要求2所述的重載鐵路軌道安全檢測的無線傳感網(wǎng)絡結構，其特征在于， 所述數(shù)據(jù)采集模塊包含有用于采集鐵路軌道位移數(shù)據(jù)的傳感器，該傳感器包括激光器(1)、 光纖⑵和位移刻度板(3)，其中，激光器⑴安裝于被測物體的主軸⑶上，并沿被測物 體的主軸(8)進行運動；激光器(1)產(chǎn)生的激光束通過光纖( 照射到位移刻度板( 上； 位移刻度板C3)用于感應通過所述光纖( 傳輸?shù)募す馐?，并產(chǎn)生光電流。
4.根據(jù)權利要求3所述的重載鐵路軌道安全檢測的無線傳感網(wǎng)絡結構，其特征在于， 所述位移刻度板C3)上的位移刻度由具有光電導效應的半導體材料制成。
5.根據(jù)權利要求3所述的重載鐵路軌道安全檢測的無線傳感網(wǎng)絡結構，其特征在于， 所述位移刻度板C3)進一步通過數(shù)字邏輯電路模塊(9)連接于數(shù)字顯示器G)，數(shù)字顯示 器(4)用于接收所述位移刻度板C3)產(chǎn)生的光電流，并通過數(shù)字邏輯電路模塊(9)將光電 流轉換為相應的位移數(shù)字量進行顯示。
6.根據(jù)權利要求2所述的重載鐵路軌道安全檢測的無線傳感網(wǎng)絡結構，其特征在于， 所述數(shù)據(jù)采集模塊還包含有信號調整電路和A/D轉換器。
7.根據(jù)權利要求2所述的重載鐵路軌道安全檢測的無線傳感網(wǎng)絡結構，其特征在于， 所述數(shù)據(jù)處理模塊包含有微處理器和存儲器，所述無線收發(fā)模塊包含有MAC網(wǎng)關河收發(fā)ο
8.根據(jù)權利要求1所述的重載鐵路軌道安全檢測的無線傳感網(wǎng)絡結構，其特征在于， 所述匯集節(jié)點包括無線通信模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和電源模塊，數(shù)據(jù)轉發(fā)路徑是從群內傳感 器節(jié)點到匯集節(jié)點再到基站節(jié)點，匯集節(jié)點在向基站節(jié)點轉發(fā)數(shù)據(jù)之前，對群內的原始數(shù) 據(jù)進行聚合處理，降低實際需要傳輸?shù)交竟?jié)點的數(shù)據(jù)量。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種重載鐵路軌道安全檢測的無線傳感網(wǎng)絡結構，其特征在于，該結構包括傳感器節(jié)點、匯集節(jié)點和基站節(jié)點，且傳感器節(jié)點、匯集節(jié)點和基站節(jié)點構成以基站節(jié)點為根、以匯集節(jié)點為簇的樹狀網(wǎng)絡，每個基站節(jié)點連接有多個匯集節(jié)點，每個匯集節(jié)點連接有多個傳感器節(jié)點，與匯集節(jié)點連接的多個傳感器節(jié)點只與該匯集節(jié)點進行通信，匯集節(jié)點將接收到的數(shù)據(jù)信息進行處理后，轉發(fā)給基站節(jié)點，基站節(jié)點由網(wǎng)絡協(xié)議轉換器將數(shù)據(jù)信息轉發(fā)給遠程計算機。利用本發(fā)明，能夠實時不間斷地監(jiān)測軌道結構安全，并向遠程控制中心發(fā)布安全警報，有效避免人工監(jiān)測效率低、漏檢誤檢高的缺陷。
文檔編號B61L23/00GK102107669SQ200910243740
公開日2011年6月29日 申請日期2009年12月23日 優(yōu)先權日2009年12月23日
發(fā)明者吳茹菲, 張海英, 洪何清 申請人:中國科學院微電子研究所