基于物联网的铁路货车行车状态在线监测系统

摘要

安全是铁路运输永恒的主题。随着我国铁路随着“高速、重载”的方向发展，对运行中的铁路货车进行实时监控、及时掌握车辆的运行安全状况十分必要。由于铁路货车需要频繁地解列编组，车辆间无通讯电缆，因此对无线监测提出了较高的要求;此外，由于铁路货车无车载供电装置，且难以通过电力线缆连接至机车进行集中供电，需解决供电问题。常规的地面监测模式需要在轨边进行大规模的联网建设，不仅设备成本高、维护不方便，而且难以实时在线监测车辆的运行状态。近年来，新兴的物联网技术凭借其诸多优势，在智能家居、智能电网、智能农业、智能交通等领域得到了广泛应用。将物联网技术应用到铁路货车，必将有力促进铁路运输安全事业的发展。
　　本文结合铁路货车的实际应用需求，设计了一套基于物联网的铁路货车行车状态在线监测系统。论文主要从ZigBee无线传感网络、机车监控平台和地面监控中心上位机三部分展开研究与设计。ZigBee无线传感网络以TI的CC2530射频芯片为核心，包括车厢节点和机车节点两种网络设备。其中，车厢节点作为网络路由器负责轴温、烟雾和温湿度传感器数据的采集和传输，并扩大ZigBee无线网络的通信范围;机车节点作为网络协调器负责ZigBee网络的建立、控制车厢节点的加入、接收各车厢节点发送的数据以及向或从机车监控平台上传或接收数据。为了满足铁路货车频繁解列编组环境对列车组网的需求，本文设计了ZigBee MAC地址白名单验证算法，以实现车厢节点入网的验证识别。
　　机车监控平台是整个监测系统运行的核心，主要负责收集ZigBee网络上传的各车厢监视项的所有信息，然后以人机界面的方式实时显示列车运行中可能出现的各种故障信息，使得司乘人员能够实时掌握整列车的运行状况。本文采用ARM+Linux技术构建了机车监控平台嵌入式软硬件开发环境;采用Qt/Embedded图形框架开发了一款嵌入式平台运行的机车监控软件，该软件可实现列车编组管理、串口数据接收处理、状态参数实时显示、GPRS数据发送、数据存储与查询、列车网络状态控制等功能。地面监控中心上位机基于Qt的TCP网络通信，实现了GPRS数据实时接收、处理、显示和存储等功能，便于地面专家对历史数据进行查询和故障诊断。
　　最后，本文对整个监测系统进行了联调测试。测试结果表明，在实验室环境下，该系统达到了较好的实时在线监测效果，在铁路货车行车安全监测领域具有广泛的应用前景。

目录

声明

摘要

1．1 论文研究背景与意义

1．2 国内外研究状况

1．2．1 地面监测方式研究现状

1．2．2 无线监测方式研究现状

1．3 论文研究的主要内容

第2章 系统总体设计与相关技术分析

2．1 系统监测对象和功能需求

2．2 系统总体架构

2．3 ZigBee无线传感网络技术

2．3．1 ZigBee技术概述

2．3．2 ZigBee技术特点

2．3．3 ZigBee网络拓扑结构

2．3．4 ZigBee协议体系结构

2．4 嵌入式技术

2．4．1 嵌入式系统概述

2．4．2 ARM处理器

2．4．3 嵌入式操作系统

2．4．4 嵌入式GUI

2．5 GPRS无线通信技术

2．6 本章小结

第3章 系统硬件电路设计

3．1 车厢节点和机车节点硬件设计

3．1．1 ZigBee无线通信模块

3．1．2 轴温采集电路

3．1．3 烟雾采集电路

3．1．4 温湿度采集电路

3．2 机车监控平台硬件设计

3．2．1 监控平台核心模块

3．2．2 电源及复位电路

3．2．3 串行通信接口电路

3．2．4 GPRS通信模块

3．2．5 USB接口电路

3．2．6 LCD触摸屏接口电路

3．2．7 声光报警电路

3．3 PCB设计与调试

3．4 本章小结

第4章 系统软件部分设计

4．1 车厢和机车节点无线网络软件设计

4．1．1 ZigBee软件开发环境

4．1．2 车厢节点软件设计

4．1．3 机车节点软件设计

4．2 嵌入式Linux开发环境的搭建

4．2．1 建立交叉编译环境

4．2．2 Bootloader移植

4．2．3 Linux内核移植

4．2．4 根文件系统构建

4．3 基于Qt／Embedded的机车监控软件设计

4．3．1 Qt开发环境搭建

4．3．2 软件工作流程与主要功能

4．3．3 软件UI设计与功能实现

4．4 地面监控中心上位机设计

4．5 本章小结

5．1 系统测试环境搭建

5．2 系统联调测试

5．3 本章小结

总结与展望

致谢

参考文献

附录

攻读学位期间发表的论文