專利名稱：用于鐵路凍土路基安全監(jiān)測的傳感器節(jié)點(diǎn)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及傳感器節(jié)點(diǎn)裝置，特別的涉及在鐵路凍土路基安全監(jiān)測中的 傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)備。
背景技術(shù)：
目前，在世界上已有諸如俄羅斯、美國、加拿大等國在多年凍土區(qū)修建了數(shù) 條鐵路。凍土是一種特殊的介質(zhì)，凍土路基隨時(shí)都可能出現(xiàn)嚴(yán)重的問題，目前世
界上的大多數(shù)凍土鐵路存在著很高的病害率，如1996年對后貝加爾鐵路的調(diào)查 表明，線路病害率達(dá)40.5%。因此，對鐵路凍土路基的狀況如何及時(shí)，可靠的檢 測并將異常信息快速準(zhǔn)確的發(fā)到監(jiān)控中心和正在高速行使的列車上顯得非常重 要。
鐵路凍土路基的監(jiān)測內(nèi)容包括三個(gè)方面
① 對凍土生存環(huán)境和路基傳熱過程有直接影響的氣象要素(氣溫、氣壓、相 對濕度、太陽輻射等)；
② 凍土載荷要素(列車通過時(shí)的壓力、振動(dòng)等)；
③ 凍土自身參數(shù)(凍土的溫度，形變，厚度等)。
在實(shí)際監(jiān)測中往往從三個(gè)方面內(nèi)容中各選擇一兩個(gè)主要因素進(jìn)行監(jiān)測，從而 在成本不高的情況下也能較全面的反映被測凍土路基的安全狀況。
凍土是一種對溫度特別敏感的特殊介質(zhì)，凍土的各種變化大都與溫度有直接 或間接的關(guān)系。因此，溫度是必不可少的監(jiān)測量。凍土路基溫度監(jiān)測的方法是在監(jiān)測斷面一定深度的監(jiān)測孔里布置多個(gè)溫度傳感器，來感測被測點(diǎn)的凍土溫度分 布。
凍土路基表面空氣的溫濕度與凍土與周圍空間的熱交換速度有很大關(guān)系，通 常也需要監(jiān)測凍土路基表面的空氣的溫濕度。
鐵軌的振動(dòng)強(qiáng)弱反映了凍土所受載荷的大小，通常也監(jiān)測凍土路基上鐵軌的 振動(dòng)。
其它要素在需要的情況下也應(yīng)加入。比如變形的監(jiān)測在凍土區(qū)的橋梁等的安 全監(jiān)測中就必不可少。
目前，在實(shí)際的鐵路凍土路基監(jiān)測中，主要采用的是基于有線傳輸介質(zhì)的監(jiān) 測系統(tǒng)。主要監(jiān)測量是溫度，采用的溫度傳感器主要是熱敏電阻，傳輸介質(zhì)主要 是光纖。這種監(jiān)測方案，采用熱敏電阻作為測溫傳感器，每個(gè)熱敏電阻都需要獨(dú) 立的連線和處理電路，而每個(gè)監(jiān)測孔內(nèi)要布置多個(gè)溫度傳感器，這就使整個(gè)數(shù)據(jù) 采集部分非常的龐大。另外，采用光纖作為傳輸介質(zhì)，通訊比較可靠，數(shù)據(jù)傳輸
率也高，但鋪設(shè)光纖所需人力物力都很大，而且系統(tǒng)維護(hù)也比較困難。
文獻(xiàn)"基于LPC2114處理器的遠(yuǎn)程地溫及沉降監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)"(徐飛，雷 斌.《電子元器件應(yīng)用》，2007， 9(2)， pp. 53-56， 60.)中，針對青藏鐵路沿線所 處的特殊高原環(huán)境，提出了能采集地溫和沉降數(shù)據(jù)并自動(dòng)上傳的遠(yuǎn)程地溫及沉降 監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)采用ARM7微處理器作為CPU處理單元，采用熱敏電阻作為溫度 傳感器，采集的現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)通過基于GPRS的GSM-R網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程上報(bào)給監(jiān)控中心。 這種方案同樣存在傳感器布線和采集電路復(fù)雜的問題，盡管采用GSM-R無線方式 進(jìn)行通訊能避免使用光纖等有線方式所帶來的人力物力消耗，但需要支付高額的使用費(fèi)用。
實(shí)用新型內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是提供一種用于鐵路凍土路基安全監(jiān)測的傳感器節(jié)點(diǎn)。本 新型所設(shè)計(jì)的用于鐵路凍土路基安全監(jiān)測的傳感器節(jié)點(diǎn)，傳感器連線和處理電路 簡單、數(shù)據(jù)傳輸方式先進(jìn)、監(jiān)測的凍土參量多而且有代表性，為鐵路凍土路基安 全監(jiān)測提供一種新的裝備。
實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型目的的技術(shù)方案如下
一種用于鐵路凍土路基安全監(jiān)測的傳感器節(jié)點(diǎn)，包括相互電連接的傳感器模 塊、處理通訊模塊和能量供應(yīng)模塊，所述傳感器模塊包括第一傳感器模塊和第二 傳感器模塊，所述第一傳感器模塊、第二傳感器模塊和所述處理通訊模塊直接與 所述能量供應(yīng)模塊電連接，且通過所述能量供應(yīng)模塊傳遞信息。
所述第一傳感器模塊的印制電路板上置有相互電連接的多個(gè)數(shù)字溫度傳感 器、 一個(gè)溫濕度傳感器、第一接口電路和第二接口電路、三腳接口和第一20腳 接口；所述多個(gè)數(shù)字溫度傳感器并聯(lián)在三芯線上，通過印制電路板上的三腳接口
和第一接口電路與所述能量供應(yīng)模塊電連接，用于凍土溫度的分布式測量；所述 溫濕度傳感器直接焊在上述印制電路板上，用于凍土表面空氣的溫濕度測量；第 一傳感器模塊通過所述第一 20腳接口與所述能量供應(yīng)模塊的第一接口電連接， 經(jīng)能量供應(yīng)模塊向所述處理通訊模塊傳遞信息。
所述第二傳感器模塊包括相互電連接的三軸加速度傳感器、調(diào)理電路及第二 20腳接口，所述三軸加速度傳感器為模擬電壓輸出型三軸加速度傳感器，它通 過所述調(diào)理電路和第二 20腳接口與所述能量供應(yīng)模塊的第二接口電連接，用于鐵軌振動(dòng)加速度的測量；所述調(diào)理電路包括由電阻R1、 R2、 R3和電容C1、 C2、 C3組成的三路RC低通濾波器和A/D變換器。
所述三軸加速度傳感器型號(hào)是MMA7260QT，其VDD引腳和VSS引腳之 間跨接濾波電容CO后，直接與第二 20腳接口相連接；管腳g-selectl和g-select2
為三軸加速度傳感器量程選擇引腳，它們直接與第二 20腳接口相連接；管腳
^!S M^為三軸加速度傳感器的工作模式選擇引腳，它直接與第二 20腳接 口相連接；管腳XOUT、 YOUT和ZOUT分別為三軸加速度傳感器的X、 Y、 Z
方向的電壓輸出引腳，它們分別經(jīng)過由Rl和Cl、 R2和C2、 R3和C3組成的三
路低通濾波器后與第二20腳接口相連接；電阻R1、 R2、 R3的一端分別與三軸
加速度傳感器的管腳XOUT、 YOUT、 ZOUT相連接，另一端分別與電容C1、
C2、 C3相連接；電容Cl、 C2、 C3的另一端則均與三軸加速度傳感器的管腳VSS
相連接，第二20腳接口與能量供應(yīng)模塊的第二接口相連接，實(shí)現(xiàn)第二傳感器模
塊與能量供應(yīng)模塊間的電連接。
所述處理通訊模塊包括相互電連接的嵌入式微處理器、天線、射頻電路、 外圍電路和第三20腳接口和第四20腳接口，第三20腳接口和第四20腳均為 20腳雙排接口，第三20腳接口與嵌入式微處理器的I/O端口P0 口和P1 口相連 接，第四20腳接口與嵌入式微處理器的P2 口、電源引腳、復(fù)位引腳及編程引腳 相連接；嵌入式微處理器的內(nèi)部集成有2.4GHz無線收發(fā)芯片，其射頻引腳通過 射頻電路與天線相連接，用于無線收發(fā)數(shù)據(jù)，第三20腳接口和第四20腳接口分 別連接能量供應(yīng)模塊的第三接口和第四接口。
所述能量供應(yīng)模塊包括置放在印制電路板上的電池、電池盒及第一接口、第二接口、第三接口、第四接口，粘于印制電路板上的電池盒內(nèi)裝有電池，并通 過導(dǎo)線與印制電路板電連接，所述第一接口和第二接口分別與所述第一傳感器模
塊、第二傳感器模塊的第一20腳接口和第二20腳接口電連接，所述第三接口和 第四接口分別與所述處理通訊模塊的第三20腳接口 JP3第四20腳接口電連接。 所述溫度傳感器型號(hào)是DS18B20，所述溫濕度傳感器型號(hào)是SHT71。
相對于現(xiàn)有技術(shù)，本新型的有益效果是
其一，本新型所設(shè)計(jì)的傳感器節(jié)點(diǎn)，包括相互電連接并通信的第一傳感器模 塊、第二傳感器模塊、處理通訊模塊和能量供應(yīng)模塊。根據(jù)實(shí)際安裝中測振和測 溫測濕傳感器的安裝需要，在第-傳感器模塊中設(shè)置溫度傳感器DS18B20，采 用單總線數(shù)字式溫度傳感器DS18B20在一個(gè)監(jiān)測孔內(nèi)布置n個(gè)，n的值根據(jù)實(shí) 際監(jiān)測的需要而定，這n個(gè)DSlSB20通過唯一的條三芯線和共用的一個(gè)簡單 接口電路與處理通訊模塊電連接，來測量被測點(diǎn)凍土的溫度。不僅傳感器連線和 處理電路復(fù)雜度大大降低，而且所用溫度傳感器為數(shù)字量輸出，抗干擾能力強(qiáng)， 易于處理；
第二傳感器模塊中置有三軸加速度傳感器，用以檢測鐵軌的振動(dòng)強(qiáng)度，使 本傳感器接點(diǎn)的監(jiān)測結(jié)果能較全面地反映測點(diǎn)的凍土狀態(tài)；
第一傳感器模塊和第二傳感器模塊，通過專用接口及排線和傳感器節(jié)點(diǎn)相 連接，為傳感器在實(shí)際測量時(shí)的安裝帶來方便，所設(shè)計(jì)的傳感器節(jié)點(diǎn)各模塊采用 了外部被動(dòng)隔絕與內(nèi)部主動(dòng)溫、濕度控制相結(jié)合的封裝技術(shù)，從而使所述的用于 凍土鐵路路基安全監(jiān)測的傳感器節(jié)點(diǎn)能夠在凍土區(qū)高濕度、大溫差、頻繁暴風(fēng)雪、 超低溫等復(fù)雜環(huán)境中使用。其二，本新型的處理通訊模塊使用的嵌入式微處理器cc2430集成有無線收 發(fā)芯片cc2420，只需添加天線和少量射頻元件即能工作于2.4GHz國際ISM免費(fèi) 頻段，降低開發(fā)成本。采用工作于2.4GHz國際ISM免費(fèi)頻段附合IEEE 802.15.4
協(xié)議的無線通訊方式傳輸信息，即避免了鋪設(shè)光纖等線路的帶來的人力物力消 耗，又不用交納通訊使用費(fèi)。
其三，本新型設(shè)計(jì)的用于鐵路凍土路基安全監(jiān)測的傳感器節(jié)點(diǎn)采用了如下的 低功耗措施①選用了低功耗、集成度高的元器件；②采用了單電源、低電壓的 供電方式；③對傳感器和處理電路部分采用了分區(qū)、分時(shí)供電技術(shù)，只有當(dāng)模塊 工作時(shí)才供電，不工作的模塊不供電；④傳感器節(jié)點(diǎn)通常處于睡眠模式，只在有 任務(wù)時(shí)才進(jìn)入工作模式，任務(wù)完成后，立即進(jìn)入睡眠模式；⑤通信模塊采用盡可 能高的波特率，發(fā)送接收都采用中斷模式，通信結(jié)束馬上進(jìn)入低功耗狀態(tài)。


圖1是用于鐵路凍土路基安全監(jiān)測的傳感器節(jié)點(diǎn)的原理框圖。 圖2是本新型第一傳感器模塊的原理框圖。 圖3是本新型第二傳感器模塊的原理框圖。 圖4是本新型處理通訊模塊的框圖。 圖5是本新型能量供應(yīng)模塊的框圖。
具體實(shí)施方式
圖1是用于鐵路凍土路基安全監(jiān)測的傳感器節(jié)點(diǎn)的組成框圖。所設(shè)計(jì)傳感器節(jié)點(diǎn)，包括第一傳感器模塊、第二傳感器模塊、處理通訊模塊和能量供應(yīng)模塊， 第一傳感器模塊、第二傳感器模塊、處理通訊模塊直接與能量供應(yīng)模塊電連接， 第一傳感器模塊、第二傳感器模塊通過能量供應(yīng)模塊與處理通訊模塊相互通信。
圖2是用于鐵路凍土路基安全監(jiān)測的傳感器節(jié)點(diǎn)的第一傳感器模塊的原理
示意圖。在圖2中，n個(gè)型號(hào)為DS18B20的數(shù)字溫度傳感器Sl Sn并聯(lián)連接在 一條三芯線上，通過三腳接口 Jl與印制電路板相連接，再經(jīng)印制電路板上的第 一接口電路與第一 20腳接口 JP1相連接；型號(hào)為SHT71溫濕度傳感器直接焊接 在印制電路板上，通過第二接口電路與第一20腳接口 JP1相連接；第一20腳接 口 JP1電連接能量供應(yīng)模塊的第一接口 Hl，實(shí)現(xiàn)第一傳感器模塊與能量供應(yīng)模 塊的電連接。
圖3是用于鐵路凍土路基安全監(jiān)測的傳感器節(jié)點(diǎn)的第二傳感器模塊的原理 示意圖。在圖3中，三軸加速度傳感器U1的型號(hào)是MMA7260QT，它為模擬電 壓輸出型三軸加速度傳感器。三軸加速度傳感器Ul的VDD引腳和VSS引腳分 別為電源引腳和接地引腳，它們之間跨接濾波電容CO后，直接與第二20腳接 口 JP2相連接；g-selectl和g-select2為三軸加速度傳感器Ul量程選擇引腳，它
們直接與第二 20腳接口 JP2相連接；gL，M55E為Ul的工作模式選擇引腳， 它直接與第二20腳JP2接口相連接；XOUT、 YOUT和ZOUT分別為三軸加速
度傳感器U1的X、 Y、 Z方向的電壓輸出引腳，它們分別經(jīng)過由R1和C1、 R2
和C2、 R3和C3組成的三路低通濾波器后與第二 20腳接口 JP2相連接。電阻
Rl、 R2、 R3的一端分別與三軸加速度傳感器Ul的XOUT、 YOUT、 ZOUT相
連接，另一端分別與C1、 C2、 C3相連接；Cl、 C2、 C3的另一端則均與三軸加
速度傳感器Ul的VSS相連接。第二 20腳接口 JP2與能量供應(yīng)模塊的第二接口H2相連接，實(shí)現(xiàn)第二傳感器模塊與能量模塊間的電連接。
圖4是用于鐵路凍土路基安全監(jiān)測的傳感器節(jié)點(diǎn)的第二傳感器模塊的原理 示意圖。在圖3中，cc2430為嵌入式微處理器，外圍電路是使cc2430能正常工 作的的基本元件及其相互連接所組成的電路；第三20腳接口 JP3和第四20腳接 口 JP4均為20腳雙排接口 ，第三20腳接口 JP3與cc2430的I/O端口 PO和Pl 相連接，第四20腳接口 JP4與cc2430的P2 口、電源引腳、復(fù)位引腳及編程引 腳相連接；cc2430的內(nèi)部集成有2.4GHz無線收發(fā)芯片cc2420，其射頻引腳通過 射頻電路與天線相連接，用于無線收發(fā)數(shù)據(jù)。第三20腳接口 JP3和第四20腳接 口 JP4還分別接到能量供應(yīng)模塊的第三接口 H3和第四接口 H4，實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)模 塊的電連接。
圖5是用于鐵路凍土路基安全監(jiān)測的傳感器節(jié)點(diǎn)的能量供應(yīng)模塊的示意 圖。在圖5中，電池盒粘在印制電路板上，電池裝在電池合內(nèi)并通過導(dǎo)線與印制 路板相連，為傳感器節(jié)點(diǎn)供電。焊接在印制電路板上的四個(gè)接口H1、 H2、 H3、 H4中的，接口 Hl與第一傳感器模塊的接口 JP1相連接，接口 H2與第二傳感器 模塊的接口 JP2相連接，接口 H3和H4分別與處理通訊模塊的接口 JP3和JP4 相連。從而將各模塊連接成一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)整體。
顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對本新型的用于鐵路凍土路基安全監(jiān)測的傳感 器節(jié)點(diǎn)及工作方法進(jìn)行各種改動(dòng)和變型而不脫離本新型的設(shè)計(jì)思想和范圍。那 么，如果這些改動(dòng)和變型屬于本新型權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本新 型也意圖包含這些改動(dòng)和變型在內(nèi)。
權(quán)利要求1、一種用于鐵路凍土路基安全監(jiān)測的傳感器節(jié)點(diǎn)，包括相互連接的傳感器模塊、處理通訊模塊和能量供應(yīng)模塊，其特征在于所述傳感器模塊包括第一傳感器模塊和第二傳感器模塊，所述第一傳感器模塊、第二傳感器模塊和所述處理通訊模塊直接與所述能量供應(yīng)模塊電連接，且通過所述能量供應(yīng)模塊傳遞信息。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的用于鐵路凍土路基安全監(jiān)測的傳感器節(jié)點(diǎn)，其特征在于所述 第一傳感器模塊的印制電路板上置有相互電連接的多個(gè)數(shù)字溫度傳感器、 一個(gè)溫濕度傳感器、 第一接口電路和第二接口電路、三腳接口和第一20腳接口；所述多個(gè)數(shù)字溫度傳感器并聯(lián)在 三芯線上，通過印制電路板上的三腳接口和第一接口電路與所述能量供應(yīng)模塊電連接，用于 凍土溫度的分布式測量；所述溫濕度傳感器直接焊在上述印制電路板上，用于凍土表面空氣 的溫濕度測量；第一傳感器模塊通過所述第一 20腳接口與所述能量供應(yīng)模塊的第一接口電連 接，經(jīng)能量供應(yīng)模塊向所述處理通訊模塊傳遞信息。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的用于鐵路凍土路基安全監(jiān)測的傳感器節(jié)點(diǎn)，其特征在于所述 第二傳感器模塊包括相互電連接的三軸加速度傳感器、調(diào)理電路及第二20腳接口，所述三軸 加速度傳感器為模擬電壓輸出型三軸加速度傳感器，它通過所述調(diào)理電路和第二 20腳接口與 所述能量供應(yīng)模塊的第二接口電連接，用于鐵軌振動(dòng)加速度的測量；所述調(diào)理電路包括由電 阻R1、 R2、 R3和電容C1、 C2、 C3組成的三路RC低通濾波器和A/D變換器。
4、根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于鐵路凍土路基安全監(jiān)測的傳感器節(jié)點(diǎn)，其特征在于所 述三軸加速度傳感器型號(hào)是MMA7260QT，其VDD引腳和VSS引腳之間跨接濾波電容CO后， 直接與第二 20腳接口相連接；管腳g-selectl和g-select2為三軸加速度傳感器量程選擇引腳，它們直接與第二 20腳接口相連接；管腳^Iil M05^為三軸加速度傳感器的工作模式選擇 引腳，它直接與第二20腳接口相連接；管展卩XOUT、 YOUT和ZOUT分別為三軸加速度傳感器的X、 Y、 Z方向的電壓輸出引腳，它們分別經(jīng)過由R1和C1、 R2禾tlC2、 R3禾tl C3組成的三路低通濾波器后與第二20腳接口相連接；電阻R1、 R2、 R3的一端分別與三軸加速度傳感 器的管腳XOUT、 YOUT、 ZOUT相連接，另一端分別與電容C1、 C2、 C3相連接；電容C1、 C2、 C3的另一端則均與三軸加速度傳感器的管腳VSS相連接，第二20腳接口與能量供應(yīng)模 塊的第二接口相連接，實(shí)現(xiàn)第二傳感器模塊與能量供應(yīng)模塊間的電連接。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于鐵路凍土路基安全監(jiān)測的傳感器節(jié)點(diǎn)，其特征在于所 述處理通訊模塊包括相互電連接的嵌入式微處理器、天線、射頻電路、外圍電路和第三20腳 接口和第四20腳接口，第三20腳接口和第四20腳均為20腳雙排接口，第三20腳接口與嵌 入式微處理器的I/O端口 PO 口和Pl 口相連接，第四20腳接口與嵌入式微處理器的P2 口、 電源引腳、復(fù)位引腳及編程引腳相連接；嵌入式微處理器的內(nèi)部集成有2.4GHz無線收發(fā)芯片， 其射頻引腳通過射頻電路與天線相連接，用于無線收發(fā)數(shù)據(jù)，第三20腳接口和第四20腳接 口分別連接能量供應(yīng)模塊的第三接口和第四接口。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于鐵路凍土路基安全監(jiān)測的傳感器節(jié)點(diǎn)，其特征在于所 述能量供應(yīng)模塊包括置放在印制電路板上的電池、電池盒及第一接口、第二接口、第三接口、 第四接口，粘于印制電路板上的電池盒內(nèi)裝有電池，并通過導(dǎo)線與印制電路板電連接，所述 第一接口和第二接口分別與所述第一傳感器模塊、第二傳感器模塊的第一 20腳接口和第二 20 腳接口電連接，所述第三接口和第四接口分別與所述處理通訊模塊的第三20腳接口 JP3第四 20腳接口電連接。
7、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于鐵路凍土路基安全監(jiān)測的傳感器節(jié)點(diǎn)，其特征在于所 述溫度傳感器型號(hào)是DS18B20，所述溫濕度傳感器型號(hào)是SHT71。
專利摘要本實(shí)用新型涉及傳感器節(jié)點(diǎn)裝置，特別涉及在鐵路凍土路基安全監(jiān)測中的傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)備。目的是提供一種用于鐵路凍土路基安全監(jiān)測的傳感器節(jié)點(diǎn)。一種用于鐵路凍土路基安全監(jiān)測的傳感器節(jié)點(diǎn)，包括相互連接的傳感器模塊、處理通訊模塊和能量供應(yīng)模塊，所述傳感器模塊包括第一傳感器模塊和第二傳感器模塊，所述第一傳感器模塊、第二傳感器模塊和所述處理通訊模塊直接與所述能量供應(yīng)模塊電連接，且通過所述能量供應(yīng)模塊傳遞信息。本新型不僅傳感器連線和處理電路復(fù)雜度大大降低，而且所用溫度傳感器為數(shù)字量輸出，抗干擾能力強(qiáng)，易于處理；而且能夠在凍土區(qū)高濕度、大溫差、頻繁暴風(fēng)雪、超低溫等復(fù)雜環(huán)境中使用。
文檔編號(hào)G08C17/02GK201237836SQ20082004197
公開日2009年5月13日 申請日期2008年8月5日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月5日
發(fā)明者張志華 申請人:常州機(jī)械電子工程研究所