一种基于ZigBee和GPRS的高速列车运行姿态测量系统技术方案

本实用新型专利技术公开了一种基于ZigBee和GPRS的高速列车运行姿态测量系统。包括:无线传感器终端节点，该节点上的传感器模块包含了惯性测量单元、温度传感器、测速传感器、风速传感器和风向传感器等；簇头节点用来负责管理当前簇内的簇成员节点即终端节点，接收终端节点发来的数据和本地数据进行融合处理并转发给协调器节点；协调器节点的作用是进行网络的初始化、组织网络节点和处理各个节点发送来数据并且将处理后的数据发送给GPRS无线通信模块；GPRS无线通信模块起着与上位机通信作用。该系统采用无线传感网与移动通信网相结合的组网方式，通过CC2530芯片采集并传送协调器节点，以协调器节点为核心单元对测量的数据汇总进行分析和报送，经由GPRS无线通信模块的MC35I芯片发送给上位机。这样可以更加精确地测量高速列车运行姿态参数。

A high speed train attitude measurement system based on ZigBee and GPRS

The utility model discloses a high-speed train operation attitude measurement system based on ZigBee and GPRS. Including: wireless sensor terminal node, the sensor module of the node includes inertial measurement unit, temperature sensor, speed sensor, wind speed sensor and wind direction sensor, etc.; cluster head node is used to manage the current cluster member node, that is, terminal node, to receive the data sent by the terminal node and local data for fusion processing and forwarding to the coordinator node; and The function of the modem node is to initialize the network, organize the network nodes, process the data sent by each node and send the processed data to the GPRS wireless communication module, which plays the role of communication with the host computer. In this system, wireless sensor network and mobile communication network are combined to form a network. CC2530 chip is used to collect and transmit the coordinator node. The coordinator node is used as the core unit to analyze and submit the measured data, which is sent to the upper computer via MC35I chip of GPRS wireless communication module. In this way, the attitude parameters of high-speed train can be measured more accurately.

【技术实现步骤摘要】
一种基于ZigBee和GPRS的高速列车运行姿态测量系统
本专利技术涉及一种基于ZigBee和GPRS的高速列车运行姿态测量系统。
技术介绍
随着我国高速铁路不断的发展，铁路机车车辆的运行速度大幅提升、车体向轻量化发展，在大风环境下的气动特性急剧恶化。兰新二线前期试验表明，大风环境下动车组在部分地段运行时存在明显的晃车现象。南疆线途径的前百里风区属特大风区，该风区具有风速高，大风日数多，持续时间长，风速变化快的特点。目前南疆线开行的普速客车和货车在大风条件下行车办法按WLG/CW106-2014《乌鲁木齐铁路局普速铁路大风天气列车安全运行办法》执行，而动车组在大风天气列车安全运行办法尚不完善。另外动车组在自重、抗侧滚刚度等指标上和普速客车存在差异。因此，大风附加载荷作用下的车体横滚角和航向角姿态信息的检测获取，可为高速铁路运营管理，防风减灾设计提供有效的数据支持。
技术实现思路
为了解决现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种基于ZigBee和GPRS的高速列车运行姿态测量系统，能够在线实时的测量高速列车运行过程中的姿态参数和其它特性参数。本专利技术中，在每节车厢和转向架布置若干个无线传感器终端节点和一个簇头节点，在整列车的中间车厢布置一个协调器节点。簇头节点与终端节点组成一个星形结构网络定义为下层网络，簇头节点与协调器节点也组成一个星形结构网络定义为上层网络，这样形成一个分层的网络拓扑结构。本专利技术运用ZigBee与GPRS技术相结合的方式使测量的数据更加精确、全面，从而提高列车运行的安全性。本专利技术的一种基于ZigBee和GPRS的高速列车运行姿态测量系统包括：终端节点上的传感器模块有惯性测量单元、温度传感器、3144测速传感器、风速传感器和风向传感器。惯性测量单元用于获取各车厢及其转向架的姿态，温度传感器用于获取室内外温度，测速传感器用于获取列车行驶的速度，风速传感器和风向传感器分别用于获取外部环境的风速和风向；簇头节点用来负责管理当前簇内的簇成员节点即终端节点，接收终端节点发来的数据和本地数据进行融合并转发给协调器节点；协调器节点用来启动ZigBee网络内的各项传送设备的控制中心，对接收的数据进行处理发送给GPRS无线通信模块，协调器节点CC2530芯片也可以从GPRS网络中接收信息；GPRS无线通信模块是将ZigBee网络测量的参数通过MC35I芯片发送给远程的上位机；上位机模块是用来接收列车发送的行车信息。优选地，所述惯性测量单元采用MUP6050芯片，其集成了三轴陀螺仪和三轴加速度传感器；所述的温度传感器采用DS18B20，所述的测速传感器采用3144测速传感器，所述的风速传感器采用YGC-FX，所述的风向传感器采用YGC-FS；优选地，所述的系统采用CC2530微控制器芯片是一个集成芯片，包含微处理器8051和Zigbee无线射频模块，用于信息处理与采集。优选地，还包括上位机模块，用于显示所述信息采集与处理单元处理的结果、显示列车运行姿态参数曲线等；本专利技术高速列车运行姿态参数测量系统以ZigBee和GPRS技术传送信息和惯性测量为核心，有终端节点、簇头节点、协调器节点、GPRS无线通信模块和上位机模块组成。本专利技术通过上述单元能够在线实时全面测量、显示、记录以及分析高速列车运行时每一节车厢的姿态参数，如姿态角、加速度、温度、速度、风速和风向等，从而为高速列车安全平稳运行提供重要的参数信息。附图说明图1为本专利技术一种基于ZigBee和GPRS的高速列车运行姿态测量系统结构示意框图。图2为本专利技术一种基于ZigBee和GPRS的高速列车运行姿态测量系统无线传感器网络终端节点模块框图。图3为本专利技术一种基于ZigBee和GPRS的高速列车运行姿态测量系统无线传感器网络协调器节点模块框图。图4为本专利技术一种基于ZigBee和GPRS的高速列车运行姿态测量系统传感器与CC2530硬件连接图。具体实施方式如图1所示，本专利技术一种基于ZigBee和GPRS的高速列车运行姿态测量系统，其特征在于，它包括终端节点、簇头节点、汇聚节点、GPRS无线通信模块和上位机模块；将不同的测量单元安装在高速列车的不同位置，测量不同位置的相关参数，然后经过数据处理获取高速列车运行姿态参数。其中:终端节点上的MUP6050传感器读取各轴的角速度的分量、加速度分量后，经过DMP即可直接融合并输出四元数，采取q30格式，放大到230。此时，若转换位欧拉角，操作如下：q0＝quat[0]/q30q1＝quat[1]/q30q2＝quat[2]/q30q3＝quat[3]/q30Pitch＝arcsin(-2×q1×q3+2×q0×q2)×57.3；//俯仰角，绕Y轴转动Roll＝arctan2(2×q2×q3+2×q0×q1,-2×q1×q1-2×q2×q2+q3×q3)×57.3；//横滚角，绕X轴转动Yaw＝arctan2(2×(q1×q2+q0×q3),q0×q0+q1×q1-q2×q2+q3×q3)×57.3；//航向角，绕Z轴转动其中quat[0]～quat[3]为MUP6050的DMP解算后的四元数，q30格式；q30为常数，即230为1073741824；57.3为弧度转换为角度，即180/π，最终转换结果以度(°)为单位。利用温度传感器DS18B20来测量环境的温度，利用3144测速传感器来测量列车运行速度，利用风速传感器YGC-FX和风向传感器YGC-FS来测量风速和风向，从而分析温度、车速、风速和风向对列车运行姿态的影响。无线传感器终端节点测量的参数通过CC2530无线射频模块传送给协调器节点。协调器节点对参数进行处理，通过串口通信将参数传送给GPRS网络，最后在上位机上显示。本专利技术一种基于ZigBee和GPRS的高速列车运行姿态测量系统具有以下优点：1.本专利技术将ZigBee技术与GPRS技术相结合首次运用在高速列车运行姿态测量，能够实时、在线、全面地测量列车运行姿态参数；2.获得的高速列车运行姿态参数，指导完善高速列车设计，提高高速列车运行安全性、平稳性和稳定性。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于ZigBee和GPRS的高速列车运行姿态测量系统，其特征在于，它包括终端节点、簇头节点、协调器节点、GPRS无线通信模块和上位机模块；所述的终端节点上的传感器模块有惯性测量单元、温度传感器、测速传感器、风速传感器和风向传感器；惯性测量单元用于获取各车厢及其转向架的姿态，温度传感器用于获取室内外温度，测速传感器用于获取列车行驶的速度，风速传感器和风向传感器分别用于获取外部环境的风速和风向；簇头节点用来负责管理当前簇内的簇成员节点即终端节点，接收终端节点发来的数据和本地数据进行融合并转发给协调器节点；所述的协调器节点用来启动ZigBee网络内的各项传送设备的控制中心，对接收的数据进行处理发送给GPRS无线通信模块，协调器节点CC2530芯片能从GPRS网络中接收信息；所述的GPRS无线通信模块是将ZigBee网络测量的参数通过MC35I芯片发送给远程的上位机；所述的上位机模块是用来接收列车发送的行车信息。

【技术特征摘要】
1.一种基于ZigBee和GPRS的高速列车运行姿态测量系统，其特征在于，它包括终端节点、簇头节点、协调器节点、GPRS无线通信模块和上位机模块；所述的终端节点上的传感器模块有惯性测量单元、温度传感器、测速传感器、风速传感器和风向传感器；惯性测量单元用于获取各车厢及其转向架的姿态，温度传感器用于获取室内外温度，测速传感器用于获取列车行驶的速度，风速传感器和风向传感器分别用于获取外部环境的风速和风向；簇头节点用来负责管理当前簇内的簇成员节点即终端节点，接收终端节点发来的数据和本地数据进行融合并转发给协调器节点；所述的协调器节点用来启动ZigBee网络内的各项传送设备的控制中心，对接收的数据进行处理发送给GPRS无线通信模块，协调器节点CC2530芯片能从GPRS网络中接收信息；所述的GPRS无线通信模块是将ZigBee网络测量的参数通过MC35I芯片发送给远程的上位机；所述的上位机模块是用来接收列车发送的行车信息。2.根据权利要求1所述的一种基于ZigBee和GPRS的高速列车运行姿态测量系统，其特征在于，所述的终端节点、簇头节点和协调器节点通过CC2530芯片...

【专利技术属性】
技术研发人员：杭超，李刚，雷丽婷，梁壮，郭展宏，
申请(专利权)人：兰州交通大学，
类型：新型
国别省市：甘肃,62