專利名稱：動車組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)及其多功能混合網(wǎng)關的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種車輛運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，尤其涉及一種動車組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)及其 多功能混合網(wǎng)關，屬于傳感器及網(wǎng)絡技術領域。
背景技術：
動力分散的列車組稱為動車組，動車組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)用于對全列車的牽引傳動系 統(tǒng)、轉向架、制動系統(tǒng)、空調系統(tǒng)、車廂環(huán)境、車廂輔助等各系統(tǒng)部件的運行狀態(tài)以及故障信 號的實時采集、處理和上傳，對機車的安全運行起著至關重要的作用?，F(xiàn)有的動車組沒有獨立的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，部分部件的少量狀態(tài)監(jiān)測，如牽引變流 器、牽引電機等，是借助于列車通信網(wǎng)絡CTrain communication network，簡稱TCN)，TCN將 絞線式列車總線(Wire Train Bus，簡稱WTB)和多功能車輛總線(multifunction vehicle bus，簡稱MVB)作為列車總線和車輛總線。隨著應用需求的多樣化，Wor 1 dFIP、Lonfforks、控 制器局域網(wǎng)絡(Controller AreaNetwork，簡稱CAN)及工業(yè)以太網(wǎng)等網(wǎng)絡技術已應用于列 車通信網(wǎng)絡。網(wǎng)關用于協(xié)議轉換和數(shù)據(jù)轉發(fā)，是列車通信網(wǎng)絡中承上啟下的樞紐環(huán)節(jié)。目 前已經(jīng)出現(xiàn)多種應用于列車通信網(wǎng)絡的網(wǎng)關，例如WTB-MVB、MVB-CAN、MVB-以太網(wǎng)、 WTB-WorldFIP, CAN-以太網(wǎng)以及多種總線混合的網(wǎng)關。動車組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)是在現(xiàn)有列車通信網(wǎng)絡和網(wǎng)關的技術上，適應全列車安全保 障的需求建立的。實現(xiàn)全列車主要設備的實時在線狀態(tài)采集、處理、傳輸和預警。現(xiàn)有列車 通信網(wǎng)絡及網(wǎng)關應用于狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)時存在以下缺陷1)現(xiàn)有列車網(wǎng)絡為面向控制的通信網(wǎng)絡，利用現(xiàn)有網(wǎng)絡體系不能形成貫通全車的 專用狀態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡，動車組各個關鍵部件的大量狀態(tài)信息不能實時的采集和處理，導致部 件故障難以及時發(fā)現(xiàn)。2)網(wǎng)關不具備無線通信功能，不能與布設在車廂內(nèi)的無線傳感器網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)交互。3)網(wǎng)關缺乏在線數(shù)據(jù)融合功能，造成監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)處理壓力大和不能在線實時 的發(fā)現(xiàn)各種故障信息。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種多功能混合網(wǎng)關，以解決現(xiàn)有網(wǎng)關不具備無線通信及 在線數(shù)據(jù)融合功能的問題。本發(fā)明的另一目的在于提供一種動車組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，以解決現(xiàn)有動車組狀態(tài)監(jiān) 測系統(tǒng)存在的大量狀態(tài)信息不能實時采集、整車大數(shù)據(jù)量的狀態(tài)信息難以實時傳輸?shù)膯栴}。為解決上述技術問題，本發(fā)明提供的多功能混合網(wǎng)關包括現(xiàn)場總線通信模塊用 于與具備現(xiàn)場總線通信功能的組網(wǎng)節(jié)點連接，以進行數(shù)據(jù)交互；無線通信模塊用于與無線傳感器網(wǎng)絡連接，以進行數(shù)據(jù)交互；以太網(wǎng)通信模塊用于與動車組的監(jiān)控中心連接，以 進行數(shù)據(jù)交互；主控制器與所述現(xiàn)場總線通信模塊、無線通信模塊、以太網(wǎng)通信模塊連 接，用于對所述現(xiàn)場總線通信模塊、無線通信模塊、以太網(wǎng)通信模塊交互的數(shù)據(jù)進行協(xié)議轉 換和數(shù)據(jù)處理；存儲電路與所述主控制器連接，用于為所述主控制器提供存儲空間；實時 時鐘電路連接于所述主控制器，用于多個所述多功能混合網(wǎng)關之間的時鐘同步以及給上 述數(shù)據(jù)添加時鐘標記。本發(fā)明提供的動車組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)包括多個上述多功能混合網(wǎng)關分別設于多 個車廂中；多個無線傳感器網(wǎng)絡和現(xiàn)場總線網(wǎng)絡分別設于多個車廂中，用于實時采集、傳 輸動車組車廂的運行狀態(tài)參數(shù)；監(jiān)控中心根據(jù)檢測到的所述運行狀態(tài)參數(shù)對動車組運行 情況進行判斷，以對動車組進行控制，保證動車組的安全運行；其中所述多個無線傳感器網(wǎng) 絡、現(xiàn)場總線網(wǎng)絡分別與設于同一車廂中的所述多功能混合網(wǎng)關連接，所述多功能混合網(wǎng) 關通過以太網(wǎng)和所述監(jiān)控中心連接。綜上，本發(fā)明的多功能混合網(wǎng)關實現(xiàn)了有線與無線相結合、實時數(shù)據(jù)傳輸和大容 量數(shù)據(jù)傳輸相結合，具有協(xié)議轉換、特征提取、態(tài)勢分析、故障預警等多種功能，不但能夠對 所采集的動車組的狀態(tài)信息形成網(wǎng)絡化傳輸及處理，而且能夠接收監(jiān)控中心的指令對底層 的傳感器網(wǎng)絡進行組網(wǎng)配置，其中特征提取是指對多個傳感器采集的多維數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和 相關性分析、降維與特征抽取。態(tài)勢分析是指根據(jù)特定的評判法則對多個傳感器的多維參 數(shù)進行綜合的分析，從而對監(jiān)測設備的運行態(tài)勢進行在線評估。故障預警是在特征提取和 態(tài)勢分析基礎上，對監(jiān)測設備運行狀態(tài)處于事件狀態(tài)進行報警，對可能接近事故的狀態(tài)進 行預警。本發(fā)明的動車組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)則既可以進行列車級大容量數(shù)據(jù)傳輸，滿足大數(shù)據(jù) 量狀態(tài)信息的傳輸要求，又可以進行車廂級小數(shù)據(jù)量實時數(shù)據(jù)傳輸，滿足信息傳輸?shù)膶崟r 性要求，保證動車組狀態(tài)監(jiān)測的可靠性和高效性，同時采用開放的協(xié)議和標準的接口，方便 網(wǎng)絡擴展和重構。


為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術中的技術方案，下面將對實施例或現(xiàn) 有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本 發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以 根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。圖1為本發(fā)明的動車組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)優(yōu)選實施例應用于動車組的結構示意圖；圖2為本發(fā)明的多功能混合網(wǎng)關優(yōu)選實施例的結構示意圖；圖3為本發(fā)明的多功能混合網(wǎng)關優(yōu)選實施例的CAN-Zigbee-Ethernet協(xié)議轉換流 程圖。
具體實施例方式下面將結合本發(fā)明的附圖，對本發(fā)明的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所 描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發(fā)明中的實施例， 本領域普通技術人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。圖1為本發(fā)明的動車組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)優(yōu)選實施例應用于動車組的結構示意圖，但 圖1僅示出了兩節(jié)車廂1、2，即動車車廂1和拖車車廂2。本領域技術人員應該理解本發(fā)明 所應用的動車組的車廂數(shù)量并不局限于此，本領域技術人員還應該理解雖然本發(fā)明優(yōu)選應 用于動車組狀態(tài)監(jiān)測，其也可以應用其他多種復雜機電設備的運行參數(shù)監(jiān)測，例如大型船 舶、自動化生產(chǎn)流水線等。如圖1所示，本發(fā)明的動車組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)優(yōu)選實施例包括多個多功能混合網(wǎng)關 4、多個無線傳感器網(wǎng)絡5、多個現(xiàn)場總線網(wǎng)絡8和監(jiān)控中心3。車廂1、2中均設一多功能混 合網(wǎng)關4(下文也簡稱為網(wǎng)關4)，用于網(wǎng)絡化傳輸、協(xié)議轉換、數(shù)據(jù)融合等。無線傳感器網(wǎng) 絡5和現(xiàn)場總線網(wǎng)絡8將各傳感器采集的車廂運行狀態(tài)參數(shù)傳輸至網(wǎng)關4。多功能混合網(wǎng) 關4通過以太網(wǎng)31和監(jiān)控中心3連接。監(jiān)控中心3根據(jù)檢測到的運行狀態(tài)參數(shù)對動車組 運行情況進行判斷，以對動車組進行控制，保證動車組的安全運行。在本優(yōu)選實施例中，無線傳感器網(wǎng)絡5、現(xiàn)場總線網(wǎng)絡8分別為zigbee自組織網(wǎng) 絡、控制器局域網(wǎng)絡(Controller Area Network，簡稱CAN)總線網(wǎng)絡。在監(jiān)控中心3和多 個多功能混合網(wǎng)關4之間進行通信的以太網(wǎng)31作為列車級的大數(shù)據(jù)量傳輸網(wǎng)絡，將網(wǎng)關4 獲取的各車廂1、2的運行狀態(tài)參數(shù)傳輸至監(jiān)控中心3。以太網(wǎng)31上層采用TCP/IP協(xié)議棧 進行通信，在運輸層同時采用用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議(User Datagram I^rotocol，簡稱UDP)和傳輸 控制協(xié)議CTransmission ControlProtocol，簡稱TCP)，其中UDP協(xié)議用于傳輸大量實時的 狀態(tài)參數(shù)，TCP協(xié)議用于對實時性要求不高和需要保證可靠傳輸?shù)臓顟B(tài)和配置信息的傳輸。車廂1、2的各子系統(tǒng)，例如制動系統(tǒng)、走形系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)，中布設大量的傳感器 6，不同類型的傳感器6通過組網(wǎng)節(jié)點7構成現(xiàn)場總線網(wǎng)絡8，組網(wǎng)節(jié)點7接入多種類型的傳 感器6并對采集到的狀態(tài)參數(shù)進行分析處理，然后通過現(xiàn)場總線網(wǎng)絡8將檢測到的數(shù)據(jù)傳 送到網(wǎng)關4。車廂1、2中布設的大量無線傳感器50用于檢測溫度、振動等多種狀態(tài)信息，該 類狀態(tài)信息通過自組織的無線傳感器網(wǎng)絡5發(fā)送到網(wǎng)關4。網(wǎng)關4將采集的狀態(tài)信息進行 分析處理后，采用大容量數(shù)據(jù)傳輸方式將其傳送到監(jiān)控中心3。監(jiān)控中心3的中央監(jiān)控計算 機根據(jù)檢測到的狀態(tài)信息對列車運行情況進行判斷，以對列車進行控制，保證列車的安全 運行。在圖1中，網(wǎng)關4實現(xiàn)了有線與無線相結合、實時數(shù)據(jù)傳輸和大容量數(shù)據(jù)傳輸相結 合，具有協(xié)議轉換、數(shù)據(jù)融合等多種功能。不但對所采集的動車組各設備的狀態(tài)信息形成網(wǎng) 絡化傳輸及處理，而且接收監(jiān)控中心3的指令對底層的傳感器網(wǎng)絡進行組網(wǎng)配置。圖2為本發(fā)明的多功能混合網(wǎng)關優(yōu)選實施例的結構示意圖，如其所示，本優(yōu)選實 施例包括與CAN現(xiàn)場總線連接的現(xiàn)場總線通信模塊、與無線傳感器網(wǎng)絡5連接的無線通信 模塊43、與以太網(wǎng)31連接的以太網(wǎng)通信模塊、用于串行通信的串行通信接口電路46、用于 執(zhí)行模擬或數(shù)字信號采集的信號調理電路48、主控制器41、用于為主控制器41提供存儲空 間的存儲電路47和實時時鐘電路44。其中，主控制器41與前述各功能模塊連接，用于對輸 入信息進行數(shù)據(jù)處理、網(wǎng)絡化傳輸、協(xié)議轉換、包括特征提取和態(tài)勢分析的數(shù)據(jù)融合等。為了進一步揭示本發(fā)明，下面將結合具體部件對本發(fā)明的動車組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)及 其多功能混合網(wǎng)關進行描述，本領域技術人員應該理解，可以實現(xiàn)本發(fā)明的芯片等硬件絕 不局限于以下描述。
在圖2中，主控制器41為網(wǎng)關4的核心，通信控制器的配置、數(shù)據(jù)的收發(fā)、協(xié)議的 轉換以及應用層數(shù)據(jù)的融合等都通過主控制器41完成，其可以選用面向測控應用的32位 定點型數(shù)字信號處理器(DSP)芯片TMS320F2812。其采用哈佛總線結構，指令執(zhí)行速度可達 150MIPS,并支持C/C++編程。具有豐富的片內(nèi)外設資源，包括AD轉換模塊、增強型CAN總 線控制器411、事件管理器以及串行通信接口等，使其非常適用于有大批量數(shù)據(jù)處理的測控 場合。主控制器41執(zhí)行的協(xié)議轉換既包括現(xiàn)場總線網(wǎng)絡8與以太網(wǎng)31之間的協(xié)議轉 換，又包括無線傳感器網(wǎng)絡5與以太網(wǎng)31之間的協(xié)議轉換，該協(xié)議轉換是雙向進行的。根 據(jù)IS0/0SI參考模型，協(xié)議轉換過程是在應用層進行的，網(wǎng)關4根據(jù)特定的規(guī)約提取位于現(xiàn) 場總線網(wǎng)絡8及無線傳感器網(wǎng)絡5數(shù)據(jù)幀應用層的狀態(tài)參數(shù)，經(jīng)解析處理后形成TCP/IP協(xié) 議族的應用層報文，通過以太網(wǎng)31及TCP/IP協(xié)議族傳輸?shù)剿緳C室的監(jiān)控中心3 ；同理，對 監(jiān)控中心3發(fā)出的控制指令，主控制器41提取以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀中位于應用層的指令，經(jīng)過解 析處理轉換為現(xiàn)場總線或無線協(xié)議傳輸?shù)较鄳慕M網(wǎng)節(jié)點7或無線傳感器節(jié)點50。實現(xiàn)基 于現(xiàn)場總線網(wǎng)絡8和無線傳感器網(wǎng)絡5的混合傳感器網(wǎng)絡同以太網(wǎng)31的協(xié)議轉換和網(wǎng)絡 互連。主控制器41執(zhí)行的數(shù)據(jù)融合功能主要是指網(wǎng)關4對底層混合傳感器網(wǎng)絡采集的 多維狀態(tài)參數(shù)的特征提取、態(tài)勢分析及故障預警。特征提取是指對多維數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和相 關性分析、降維與特征抽取；態(tài)勢分析是指根據(jù)特定的評判法則對多個傳感器的多維參數(shù) 進行綜合的分析，從而對監(jiān)測設備的運行態(tài)勢進行在線評估；故障預警是在特征提取和態(tài) 勢分析基礎上，對監(jiān)測設備運行狀態(tài)處于事件狀態(tài)進行報警，對可能接近事故的狀態(tài)進行 預警。存儲電路47擴展了主控制器41的程序和數(shù)據(jù)的運行和存儲空間，同時可用于大 量實時狀態(tài)參數(shù)的暫存，其可以選用高速靜態(tài)RAM芯片IS61LV25616。其為3. 3V電源供電， 高性能、低功耗，能夠直接與主控制器41采用的芯片TMS320F2812連接并滿足高速運行的 要求。為了使多個網(wǎng)關4之間的時鐘同步以及給傳感器數(shù)據(jù)加上準確的時鐘標記，主控 制器41可以通過I2C總線與一實時時鐘電路44連接，以對其芯片進行配置和讀寫操作。本 優(yōu)選實施例的實時時鐘電路44可以采用一款工業(yè)級內(nèi)含I2C總線接口的具有極低功耗的 多功能時鐘/日歷芯片PCF8563。該芯片的多種報警功能、定時器功能、時鐘輸出功能以及 中斷輸出功能可以完成各種復雜的定時服務，甚至可為單片機提供看門狗功能，是一款性 價比極高的時鐘芯片。主控制器41可以通用I/O引腳模擬I2C總線的時序，以對時鐘芯片 內(nèi)的地址及存儲空間進行操作。時鐘芯片PCF8563需要外接32. 768KHz的晶振電路，為了 使網(wǎng)關4在電源斷開時仍然能夠保持正常的時鐘計數(shù)和同步，優(yōu)選的是可以外接3V的紐扣 電池。為了使網(wǎng)關4能夠直接對具備數(shù)字或模擬量輸出的傳感器進行接入，網(wǎng)關4包括 信號調理電路48。此外，主控制器41與用于串行通信的串行通信接口電路46連結，便于網(wǎng) 關4同現(xiàn)場設備互連。請同時參考圖1和圖2，用于與CAN現(xiàn)場總線8連接的現(xiàn)場總線通信模塊包括控 制器411、驅動器42、光電耦合器421及接口電路(圖中未示出)。具備現(xiàn)場總線通信功能的組網(wǎng)節(jié)點7對車廂各子系統(tǒng)中用于檢測運行狀態(tài)的多類型傳感器6進行接入，通過現(xiàn)場 總線網(wǎng)絡8將狀態(tài)信息傳輸?shù)骄W(wǎng)關4進行數(shù)據(jù)融合和協(xié)議轉換?，F(xiàn)場總線網(wǎng)絡8作為動車 組監(jiān)測系統(tǒng)車廂級的實時通信方式，采用具備較高實時性和靈活性的CAN現(xiàn)場總線。在本 優(yōu)選實施例中，CAN總線控制器411采用主控制器41的增強型控制器區(qū)域網(wǎng)絡(eCAN)模 塊，該eCAN模塊是一種具有32位內(nèi)部結構的CAN控制器，與CAN (2. OB版)協(xié)議完全兼容， 支持高達IMbps的傳輸速率，具有32個完全可配置的郵箱和時間標志特性，提供了一種具 有通用性和魯棒性的串行通信接口。CAN總線驅動器42可以選用芯片PCA82C250，其完全 符合IS011898標準，最高速率達IMb/s，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的差動發(fā)送和接收，且具有較強的抗 干擾能力、過熱保護能力和驅動能力，最多可在總線上連接110個節(jié)點。同時在CAN總線驅 動器42與CAN控制器411之間加入了高速光電耦合器421，光電耦合器421可以選用芯片 6N137，以切斷主控制器41與外部總線電氣環(huán)境之間的聯(lián)系，抑制尖峰脈沖和各種噪聲干 擾。 無線通信模塊43使網(wǎng)關4具備與無線傳感器網(wǎng)絡5進行數(shù)據(jù)交互的能力，其包括 微處理器431及射頻模塊432，微處理器431通過串行接口與主控制器41進行數(shù)據(jù)交互。 布設在車廂內(nèi)的無線傳感器節(jié)點50用于檢測各布設點的如溫度、振動、壓力等狀態(tài)信息， 形成動車組狀態(tài)監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡5。無線通信模塊43匯集無線傳感器網(wǎng)絡5的狀 態(tài)信息，并傳送到主控制器41完成數(shù)據(jù)處理和協(xié)議轉換。無線通信方式同樣是作為動車組 監(jiān)測系統(tǒng)車廂級的實時通信方式，圖1所示的無線傳感器網(wǎng)絡5采用基于IEEE802. 15. 4標 準的近距離、低功耗的Zigbee技術。網(wǎng)關4的Zigbee無線通信芯片可以采用CC2430，該 芯片內(nèi)置8051微處理器內(nèi)核及2. 4GHz無線射頻模塊，在硬件上支持IEEE802. 15. 4無線通 信標準，在此基礎上通過向CC2430芯片內(nèi)載入Zigbee軟件協(xié)議棧實現(xiàn)ZigBee通信協(xié)議； CC2430芯片與主控制器41之間通過串口進行數(shù)據(jù)交互。圖2所示優(yōu)選實施例的以太網(wǎng)通信模塊主要包括以太網(wǎng)控制器45、隔離變壓器 451和接口電路452。以太網(wǎng)31作為列車級的大數(shù)據(jù)量傳輸網(wǎng)絡，將網(wǎng)關4獲取的各車廂 1、2的運行狀態(tài)傳輸至司機室的監(jiān)控中心3。以太網(wǎng)上層采用TCP/IP協(xié)議棧進行通信，其 中UDP協(xié)議用于傳輸大量實時的狀態(tài)參數(shù)，TCP協(xié)議用于對實時性要求不高和需要保證可 靠傳輸?shù)臓顟B(tài)和配置信息的傳輸。以太網(wǎng)通信模塊使網(wǎng)關4具備同司機室監(jiān)控中心3進行數(shù)據(jù)交互的能力并負責車 廂級狀態(tài)參數(shù)的上傳，為動車組監(jiān)測系統(tǒng)提供整車級的大容量通信方式。其實現(xiàn)電路也參 考圖2所示。以太網(wǎng)控制器45可以選用以太網(wǎng)控制芯片CS8900A，其是一種低功耗、性能 優(yōu)越的16位的IOM以太網(wǎng)控制器，支持全雙工操作，并完全依照IEEE 802. 3以太網(wǎng)標準進 行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。10BASE-T以太網(wǎng)物理接口電路包括RJ45接口以及網(wǎng)絡隔離變壓器 451，隔離變壓器451可以選用HR601627芯片。其中隔離變壓器451用于以太網(wǎng)控制器45 與外部電路的電氣隔離，從而增強了抗干擾能力，實現(xiàn)接口的帶電插拔。以太網(wǎng)31上層采用TCP/IP協(xié)議族實現(xiàn)整車級通信網(wǎng)絡。TCP/IP協(xié)議族涉及到 的協(xié)議較多，網(wǎng)關4作為嵌入式裝置，具備的資源及速度有限，需要根據(jù)動車組監(jiān)測系統(tǒng)的 實際需求對TCP/IP協(xié)議族加以簡化。網(wǎng)關4涉及的協(xié)議包括地址解析協(xié)議ARP、網(wǎng)際協(xié)議 IP、網(wǎng)際控制報文協(xié)議ICMP、用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議UDP以及簡化的傳輸控制協(xié)議TCP。用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議UDP是為需要簡單而快速的運輸協(xié)議的應用而設計的，是不可靠無連接的端到端的傳輸層協(xié)議。傳輸控制協(xié)議TCP是一種功能完備的面向連接的可靠的運 輸協(xié)議，具有流控制、運輸確認和重傳機制。同UDP用戶數(shù)據(jù)報相比，TCP協(xié)議建立連接、確 認的過程都需要花費時間，其通過犧牲時間來換取通信的可靠性；UDP協(xié)議則由于無連接 過程，幀短，比TCP更快，但可靠性也更差。因此，在網(wǎng)關4中，用UDP協(xié)議來傳輸大量的實時 的狀態(tài)參數(shù)，用TCP協(xié)議來傳輸對實時性要求不高和需要保證可靠性的狀態(tài)和配置信息。多功能混合網(wǎng)關4的核心功能之一就在于實現(xiàn)協(xié)議的轉換，其協(xié)議轉換過程如圖 3所示，將由CAN總線及無線Zigbee協(xié)議傳輸來的數(shù)據(jù)進行重新的處理和封裝，轉換為大容 量數(shù)據(jù)傳輸?shù)腡CP/IP協(xié)議進行傳輸，或者對由TCP/IP協(xié)議發(fā)來的命令或控制信息，轉換為 CAN總線或Zigbee協(xié)議傳送到相應的傳感器組網(wǎng)節(jié)點。依據(jù)IS0/0SI參考模型，CAN總線8構成的通信網(wǎng)絡由物理層83、數(shù)據(jù)鏈路層82 和由用戶定義的應用層81構成。網(wǎng)關4中現(xiàn)場總線通信模塊的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層由CAN 控制器及接口電路完成，主控制器41依據(jù)組網(wǎng)節(jié)點7定義的應用層規(guī)范提取CAN總線數(shù)據(jù) 幀應用層的狀態(tài)信息，經(jīng)解析處理后形成TCP/IP協(xié)議族的應用層311報文，在運輸層312 中加入TCP或UDP報頭、在網(wǎng)絡層313中加入IP報頭以及以太網(wǎng)報頭，以太網(wǎng)控制器45給 數(shù)據(jù)包添加上用于在以太網(wǎng)鏈路上傳輸?shù)奈锢韺?15及數(shù)據(jù)鏈路層314的相關信息，通過 以太網(wǎng)物理接口 452傳輸?shù)揭蕴W(wǎng)31鏈路中，最終到達司機室監(jiān)控中心3。同理，對TCP/ IP網(wǎng)絡發(fā)出的控制指令，主控制器41提取以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀中位于應用層311的指令，經(jīng)過解 析處理轉換為CAN通信協(xié)議傳送到相應的組網(wǎng)節(jié)點7。Zigbee協(xié)議棧自上而下由應用層51、網(wǎng)絡層52、數(shù)據(jù)鏈路層53和物理層M組成， 其中物理層M和數(shù)據(jù)鏈路層53采用IEEE802. 15. 4標準。網(wǎng)關4的無線通信模塊43對無 線傳感器網(wǎng)絡5采集的信息進行匯聚，通過串口發(fā)送到主控制器41后，主控制器41提取位 于應用層51的狀態(tài)信息，經(jīng)解析處理后形成TCP/IP協(xié)議族的應用層報文，在運輸層312中 加入TCP或UDP報頭、在網(wǎng)絡層313中加入IP報頭以及以太網(wǎng)報頭，以太網(wǎng)控制器45給數(shù) 據(jù)包添加上用于在以太網(wǎng)鏈路上傳輸?shù)奈锢韺?15及數(shù)據(jù)鏈路層314的相關信息，通過以 太網(wǎng)物理接口 452傳輸?shù)揭蕴W(wǎng)31鏈路之中，最終到達司機室監(jiān)控中心3。同理，對TCP/ IP網(wǎng)絡發(fā)出的控制指令，主控制器41提取以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀中位于應用層311的指令，經(jīng)解析 處理轉換為Zigbee通信協(xié)議傳送到相應的無線節(jié)點50。綜合上述，可知網(wǎng)關4能夠將CAN總線8及Zigbee網(wǎng)絡5傳輸來的應用層81、51 數(shù)據(jù)進行重新的處理和封裝，轉換為TCP/IP協(xié)議數(shù)據(jù)包在以太網(wǎng)鏈路進行傳輸，將TCP/IP 協(xié)議發(fā)來的控制信息，轉換為CAN或Zigbee協(xié)議數(shù)據(jù)幀發(fā)送到相應的網(wǎng)絡節(jié)點，實現(xiàn)異構 網(wǎng)絡之間的雙向協(xié)議轉換。網(wǎng)關4通過對底層混合傳感器網(wǎng)絡采集的大量多維狀態(tài)參數(shù)的特征提取和態(tài)勢 分析，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)融合。在利用圖1所示優(yōu)選實施例監(jiān)測動車組的牽引系統(tǒng)時，在牽引系統(tǒng)中布設多種傳 感器6用于檢測其運行過程中的轉速、扭矩、溫度、電壓、電流等狀態(tài)參數(shù)，組網(wǎng)節(jié)點7將多 類型傳感器6統(tǒng)一接入，并將所采集的狀態(tài)參數(shù)通過CAN總線8傳輸至網(wǎng)關4 ；同時在牽 引系統(tǒng)中布設多個無線傳感器節(jié)點50用于檢測環(huán)境溫度、振動、壓力等狀態(tài)參數(shù)，并通過 Zigbee網(wǎng)絡5傳輸至網(wǎng)關4。網(wǎng)關4將所接收的CAN及Zigbee數(shù)據(jù)幀進行解析處理，得到 牽引設備運行的多維變量參數(shù)，通過數(shù)據(jù)融合功能對多維狀態(tài)參數(shù)進行相關性分析及特征
8提取，實現(xiàn)多維海量數(shù)據(jù)的降維，通過設定的評判法則對多維數(shù)據(jù)進行綜合分析，得到牽引 設備的綜合運行態(tài)勢。網(wǎng)關4通過以太網(wǎng)通信模塊將牽引系統(tǒng)運行狀態(tài)及特征信息傳輸至 司機室監(jiān)控中心3，大量實時的電流、轉速、溫度等信號可通過UDP協(xié)議進行實時高效的傳 輸，而比較重要的特征信息和運行態(tài)勢則通過TCP協(xié)議可靠的傳輸至司機室監(jiān)控中心3。同 時，司機室監(jiān)控中心3也可以向組網(wǎng)節(jié)點7或無線節(jié)點50發(fā)送配置信息和控制指令，通過 網(wǎng)關4的協(xié)議轉換功能傳送至相應的組網(wǎng)節(jié)點7和無線節(jié)點50，以查詢節(jié)點工作狀態(tài)或對 其工作模式進行配置。綜上所述，本發(fā)明可以實現(xiàn)下列優(yōu)點1)采用無線與有線相結合的通信方式，能夠與布設在車廂內(nèi)的混合傳感器網(wǎng)絡進 行數(shù)據(jù)交互，擴大了網(wǎng)關的使用范圍。2)采用實時數(shù)據(jù)傳輸與大容量數(shù)據(jù)傳輸相結合的通信方式，可以既保證列車狀態(tài) 參數(shù)采集的實時性，又保證整車大容量數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝浴?)網(wǎng)關具備在線數(shù)據(jù)融合的功能，能夠對采集的狀態(tài)參數(shù)進行在線的特征提取和 態(tài)勢分析，進而減輕通信網(wǎng)絡傳輸數(shù)據(jù)的壓力和監(jiān)控中心處理數(shù)據(jù)的壓力，同時還有利于 及時的發(fā)現(xiàn)故障信息。4)以太網(wǎng)通信采用UDP和TCP相結合的方式，既可以保證大量狀態(tài)參數(shù)傳輸?shù)膶?時性，又可以保證重要狀態(tài)信息傳輸?shù)目煽啃?。以上所述，僅為本發(fā)明的具體實施方式
，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何 熟悉本技術領域的技術人員在本發(fā)明揭露的技術范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應 涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應以所述權利要求的保護范圍為準。
權利要求
1.一種應用于動車組狀態(tài)監(jiān)測的多功能混合網(wǎng)關，其特征在于，包括現(xiàn)場總線通信模塊用于與具備現(xiàn)場總線通信能力的組網(wǎng)節(jié)點連接，以進行數(shù)據(jù)交互；無線通信模塊用于與無線傳感器網(wǎng)絡連接，以進行數(shù)據(jù)交互；以太網(wǎng)通信模塊用于與動車組的監(jiān)控中心連接，以進行數(shù)據(jù)交互；主控制器與所述現(xiàn)場總線通信模塊、無線通信模塊、以太網(wǎng)通信模塊連接，用于對所 述現(xiàn)場總線通信模塊、無線通信模塊、以太網(wǎng)通信模塊交互的數(shù)據(jù)進行協(xié)議轉換和數(shù)據(jù)處 理；存儲電路與所述主控制器連接，用于為所述主控制器提供存儲空間；實時時鐘電路連接于所述主控制器，用于多個所述多功能混合網(wǎng)關之間的時鐘同步 以及給上述數(shù)據(jù)添加時鐘標記。
2.根據(jù)權利要求1所述的多功能混合網(wǎng)關，其特征在于，所述現(xiàn)場總線通信模塊為CAN 通信模塊。
3.根據(jù)權利要求1所述的多功能混合網(wǎng)關，其特征在于，還包括與所述主控制器連接 的串行通信接口電路，以用于串行通信。
4.根據(jù)權利要求1所述的多功能混合網(wǎng)關，其特征在于，還包括與所述主控制器連接 的信號調理電路，以實現(xiàn)數(shù)字或模擬傳感器的接入。
5.一種動車組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，包括多個如權利要求1所述的多功能混合網(wǎng)關分別設于多個車廂中；多個無線傳感器網(wǎng)絡和現(xiàn)場總線網(wǎng)絡分別設于多個車廂中，用于實時采集、傳輸動車 組車廂的運行狀態(tài)參數(shù)；監(jiān)控中心根據(jù)檢測到的所述運行狀態(tài)參數(shù)對動車組運行情況進行判斷，以對動車組 進行控制，保證動車組的安全運行；其中所述多個無線傳感器網(wǎng)絡、現(xiàn)場總線網(wǎng)絡分別與設于同一車廂中的所述多功能混 合網(wǎng)關連接，所述多功能混合網(wǎng)關通過以太網(wǎng)和所述監(jiān)控中心連接。
6.根據(jù)權利要求5所述的動車組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述無線傳感器網(wǎng)絡為 zigbee自組織網(wǎng)絡。
7.根據(jù)權利要求5所述的動車組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述現(xiàn)場總線網(wǎng)絡為CAN 總線網(wǎng)絡。
8.根據(jù)權利要求5所述的動車組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述以太網(wǎng)同時采用UDP 和TCP協(xié)議進行通信，其中，采用UDP協(xié)議傳輸預設的大數(shù)據(jù)量的實時狀態(tài)參數(shù)，采用TCP 協(xié)議傳輸預設的重要狀態(tài)參數(shù)及配置信息。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種動車組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)及其多功能混合網(wǎng)關，該多功能混合網(wǎng)關包括現(xiàn)場總線通信模塊、無線通信模塊、以太網(wǎng)通信模塊、主控制器、存儲電路、實時時鐘電路，其中，主控制器與所述現(xiàn)場總線通信模塊、無線通信模塊、以太網(wǎng)通信模塊連接，用于對所述現(xiàn)場總線通信模塊、無線通信模塊、以太網(wǎng)通信模塊交互的數(shù)據(jù)進行協(xié)議轉換和數(shù)據(jù)處理。本發(fā)明的多功能混合網(wǎng)關可以實現(xiàn)協(xié)議轉換、網(wǎng)絡化傳輸、數(shù)據(jù)融合等功能，具備有線與無線相結合、實時數(shù)據(jù)傳輸與大容量數(shù)據(jù)傳輸相結合的優(yōu)點。
文檔編號H04L12/66GK102149225SQ201110108558
公開日2011年8月10日 申請日期2011年4月28日 優(yōu)先權日2011年4月28日
發(fā)明者孫偉, 張和生, 楊軍, 潘成, 秦勇, 賈利民, 金冀偉 申請人:北京交通大學