专利名称：用于铁路冻土路基安全监测的传感器节点的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及传感器节点装置，特别的涉及在铁路冻土路基安全监测中的 传感器节点设备。
背景技术：
目前，在世界上已有诸如俄罗斯、美国、加拿大等国在多年冻土区修建了数 条铁路。冻土是一种特殊的介质，冻土路基随时都可能出现严重的问题，目前世
界上的大多数冻土铁路存在着很高的病害率，如1996年对后贝加尔铁路的调查 表明，线路病害率达40.5%。因此，对铁路冻土路基的状况如何及时，可靠的检 测并将异常信息快速准确的发到监控中心和正在高速行使的列车上显得非常重 要。
铁路冻土路基的监测内容包括三个方面
① 对冻土生存环境和路基传热过程有直接影响的气象要素(气温、气压、相 对湿度、太阳辐射等)；
② 冻土载荷要素(列车通过时的压力、振动等)；
③ 冻土自身参数(冻土的温度，形变，厚度等)。
在实际监测中往往从三个方面内容中各选择一两个主要因素进行监测，从而 在成本不高的情况下也能较全面的反映被测冻土路基的安全状况。
冻土是一种对温度特别敏感的特殊介质，冻土的各种变化大都与温度有直接 或间接的关系。因此，温度是必不可少的监测量。冻土路基温度监测的方法是在监测断面一定深度的监测孔里布置多个温度传感器，来感测被测点的冻土温度分 布。
冻土路基表面空气的温湿度与冻土与周围空间的热交换速度有很大关系，通 常也需要监测冻土路基表面的空气的温湿度。
铁轨的振动强弱反映了冻土所受载荷的大小，通常也监测冻土路基上铁轨的 振动。
其它要素在需要的情况下也应加入。比如变形的监测在冻土区的桥梁等的安 全监测中就必不可少。
目前，在实际的铁路冻土路基监测中，主要采用的是基于有线传输介质的监 测系统。主要监测量是温度，采用的温度传感器主要是热敏电阻，传输介质主要 是光纤。这种监测方案，采用热敏电阻作为测温传感器，每个热敏电阻都需要独 立的连线和处理电路，而每个监测孔内要布置多个温度传感器，这就使整个数据 采集部分非常的庞大。另外，采用光纤作为传输介质，通讯比较可靠，数据传输
率也高，但铺设光纤所需人力物力都很大，而且系统维护也比较困难。
文献"基于LPC2114处理器的远程地温及沉降监测系统的设计"(徐飞，雷 斌.《电子元器件应用》，2007， 9(2)， pp. 53-56， 60.)中，针对青藏铁路沿线所 处的特殊高原环境，提出了能采集地温和沉降数据并自动上传的远程地温及沉降 监测系统。系统采用ARM7微处理器作为CPU处理单元，采用热敏电阻作为温度 传感器，采集的现场监测数据通过基于GPRS的GSM-R网络远程上报给监控中心。 这种方案同样存在传感器布线和采集电路复杂的问题，尽管采用GSM-R无线方式 进行通讯能避免使用光纤等有线方式所带来的人力物力消耗，但需要支付高额的使用费用。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种用于铁路冻土路基安全监测的传感器节点。本 新型所设计的用于铁路冻土路基安全监测的传感器节点，传感器连线和处理电路 简单、数据传输方式先进、监测的冻土参量多而且有代表性，为铁路冻土路基安 全监测提供一种新的装备。
实现本实用新型目的的技术方案如下
一种用于铁路冻土路基安全监测的传感器节点，包括相互电连接的传感器模 块、处理通讯模块和能量供应模块，所述传感器模块包括第一传感器模块和第二 传感器模块，所述第一传感器模块、第二传感器模块和所述处理通讯模块直接与 所述能量供应模块电连接，且通过所述能量供应模块传递信息。
所述第一传感器模块的印制电路板上置有相互电连接的多个数字温度传感 器、 一个温湿度传感器、第一接口电路和第二接口电路、三脚接口和第一20脚 接口；所述多个数字温度传感器并联在三芯线上，通过印制电路板上的三脚接口
和第一接口电路与所述能量供应模块电连接，用于冻土温度的分布式测量；所述 温湿度传感器直接焊在上述印制电路板上，用于冻土表面空气的温湿度测量；第 一传感器模块通过所述第一 20脚接口与所述能量供应模块的第一接口电连接， 经能量供应模块向所述处理通讯模块传递信息。
所述第二传感器模块包括相互电连接的三轴加速度传感器、调理电路及第二 20脚接口，所述三轴加速度传感器为模拟电压输出型三轴加速度传感器，它通 过所述调理电路和第二 20脚接口与所述能量供应模块的第二接口电连接，用于铁轨振动加速度的测量；所述调理电路包括由电阻R1、 R2、 R3和电容C1、 C2、 C3组成的三路RC低通滤波器和A/D变换器。
所述三轴加速度传感器型号是MMA7260QT，其VDD引脚和VSS引脚之 间跨接滤波电容CO后，直接与第二 20脚接口相连接；管脚g-selectl和g-select2
为三轴加速度传感器量程选择引脚，它们直接与第二 20脚接口相连接；管脚
^!S M^为三轴加速度传感器的工作模式选择引脚，它直接与第二 20脚接 口相连接；管脚XOUT、 YOUT和ZOUT分别为三轴加速度传感器的X、 Y、 Z
方向的电压输出引脚，它们分别经过由Rl和Cl、 R2和C2、 R3和C3组成的三
路低通滤波器后与第二20脚接口相连接；电阻R1、 R2、 R3的一端分别与三轴
加速度传感器的管脚XOUT、 YOUT、 ZOUT相连接，另一端分别与电容C1、
C2、 C3相连接；电容Cl、 C2、 C3的另一端则均与三轴加速度传感器的管脚VSS
相连接，第二20脚接口与能量供应模块的第二接口相连接，实现第二传感器模
块与能量供应模块间的电连接。
所述处理通讯模块包括相互电连接的嵌入式微处理器、天线、射频电路、 外围电路和第三20脚接口和第四20脚接口，第三20脚接口和第四20脚均为 20脚双排接口，第三20脚接口与嵌入式微处理器的I/O端口P0 口和P1 口相连 接，第四20脚接口与嵌入式微处理器的P2 口、电源引脚、复位引脚及编程引脚 相连接；嵌入式微处理器的内部集成有2.4GHz无线收发芯片，其射频引脚通过 射频电路与天线相连接，用于无线收发数据，第三20脚接口和第四20脚接口分 别连接能量供应模块的第三接口和第四接口。
所述能量供应模块包括置放在印制电路板上的电池、电池盒及第一接口、第二接口、第三接口、第四接口，粘于印制电路板上的电池盒内装有电池，并通 过导线与印制电路板电连接，所述第一接口和第二接口分别与所述第一传感器模
块、第二传感器模块的第一20脚接口和第二20脚接口电连接，所述第三接口和 第四接口分别与所述处理通讯模块的第三20脚接口 JP3第四20脚接口电连接。 所述温度传感器型号是DS18B20，所述温湿度传感器型号是SHT71。
相对于现有技术，本新型的有益效果是
其一，本新型所设计的传感器节点，包括相互电连接并通信的第一传感器模 块、第二传感器模块、处理通讯模块和能量供应模块。根据实际安装中测振和测 温测湿传感器的安装需要，在第-传感器模块中设置温度传感器DS18B20，采 用单总线数字式温度传感器DS18B20在一个监测孔内布置n个，n的值根据实 际监测的需要而定，这n个DSlSB20通过唯一的条三芯线和共用的一个简单 接口电路与处理通讯模块电连接，来测量被测点冻土的温度。不仅传感器连线和 处理电路复杂度大大降低，而且所用温度传感器为数字量输出，抗干扰能力强， 易于处理；
第二传感器模块中置有三轴加速度传感器，用以检测铁轨的振动强度，使 本传感器接点的监测结果能较全面地反映测点的冻土状态；
第一传感器模块和第二传感器模块，通过专用接口及排线和传感器节点相 连接，为传感器在实际测量时的安装带来方便，所设计的传感器节点各模块采用 了外部被动隔绝与内部主动温、湿度控制相结合的封装技术，从而使所述的用于 冻土铁路路基安全监测的传感器节点能够在冻土区高湿度、大温差、频繁暴风雪、 超低温等复杂环境中使用。其二，本新型的处理通讯模块使用的嵌入式微处理器cc2430集成有无线收 发芯片cc2420，只需添加天线和少量射频元件即能工作于2.4GHz国际ISM免费 频段，降低开发成本。采用工作于2.4GHz国际ISM免费频段附合IEEE 802.15.4
协议的无线通讯方式传输信息，即避免了铺设光纤等线路的带来的人力物力消 耗，又不用交纳通讯使用费。
其三，本新型设计的用于铁路冻土路基安全监测的传感器节点采用了如下的 低功耗措施①选用了低功耗、集成度高的元器件；②采用了单电源、低电压的 供电方式；③对传感器和处理电路部分采用了分区、分时供电技术，只有当模块 工作时才供电，不工作的模块不供电；④传感器节点通常处于睡眠模式，只在有 任务时才进入工作模式，任务完成后，立即进入睡眠模式；⑤通信模块采用尽可 能高的波特率，发送接收都采用中断模式，通信结束马上进入低功耗状态。
图1是用于铁路冻土路基安全监测的传感器节点的原理框图。 图2是本新型第一传感器模块的原理框图。 图3是本新型第二传感器模块的原理框图。 图4是本新型处理通讯模块的框图。 图5是本新型能量供应模块的框图。
具体实施方式
图1是用于铁路冻土路基安全监测的传感器节点的组成框图。所设计传感器节点，包括第一传感器模块、第二传感器模块、处理通讯模块和能量供应模块， 第一传感器模块、第二传感器模块、处理通讯模块直接与能量供应模块电连接， 第一传感器模块、第二传感器模块通过能量供应模块与处理通讯模块相互通信。
图2是用于铁路冻土路基安全监测的传感器节点的第一传感器模块的原理
示意图。在图2中，n个型号为DS18B20的数字温度传感器Sl Sn并联连接在 一条三芯线上，通过三脚接口 Jl与印制电路板相连接，再经印制电路板上的第 一接口电路与第一 20脚接口 JP1相连接；型号为SHT71温湿度传感器直接焊接 在印制电路板上，通过第二接口电路与第一20脚接口 JP1相连接；第一20脚接 口 JP1电连接能量供应模块的第一接口 Hl，实现第一传感器模块与能量供应模 块的电连接。
图3是用于铁路冻土路基安全监测的传感器节点的第二传感器模块的原理 示意图。在图3中，三轴加速度传感器U1的型号是MMA7260QT，它为模拟电 压输出型三轴加速度传感器。三轴加速度传感器Ul的VDD引脚和VSS引脚分 别为电源引脚和接地引脚，它们之间跨接滤波电容CO后，直接与第二20脚接 口 JP2相连接；g-selectl和g-select2为三轴加速度传感器Ul量程选择引脚，它
们直接与第二 20脚接口 JP2相连接；gL，M55E为Ul的工作模式选择引脚， 它直接与第二20脚JP2接口相连接；XOUT、 YOUT和ZOUT分别为三轴加速
度传感器U1的X、 Y、 Z方向的电压输出引脚，它们分别经过由R1和C1、 R2
和C2、 R3和C3组成的三路低通滤波器后与第二 20脚接口 JP2相连接。电阻
Rl、 R2、 R3的一端分别与三轴加速度传感器Ul的XOUT、 YOUT、 ZOUT相
连接，另一端分别与C1、 C2、 C3相连接；Cl、 C2、 C3的另一端则均与三轴加
速度传感器Ul的VSS相连接。第二 20脚接口 JP2与能量供应模块的第二接口H2相连接，实现第二传感器模块与能量模块间的电连接。
图4是用于铁路冻土路基安全监测的传感器节点的第二传感器模块的原理 示意图。在图3中，cc2430为嵌入式微处理器，外围电路是使cc2430能正常工 作的的基本元件及其相互连接所组成的电路；第三20脚接口 JP3和第四20脚接 口 JP4均为20脚双排接口 ，第三20脚接口 JP3与cc2430的I/O端口 PO和Pl 相连接，第四20脚接口 JP4与cc2430的P2 口、电源引脚、复位引脚及编程引 脚相连接；cc2430的内部集成有2.4GHz无线收发芯片cc2420，其射频引脚通过 射频电路与天线相连接，用于无线收发数据。第三20脚接口 JP3和第四20脚接 口 JP4还分别接到能量供应模块的第三接口 H3和第四接口 H4，实现这两个模 块的电连接。
图5是用于铁路冻土路基安全监测的传感器节点的能量供应模块的示意 图。在图5中，电池盒粘在印制电路板上，电池装在电池合内并通过导线与印制 路板相连，为传感器节点供电。焊接在印制电路板上的四个接口H1、 H2、 H3、 H4中的，接口 Hl与第一传感器模块的接口 JP1相连接，接口 H2与第二传感器 模块的接口 JP2相连接，接口 H3和H4分别与处理通讯模块的接口 JP3和JP4 相连。从而将各模块连接成一个传感器节点整体。
显然，本领域的技术人员可以对本新型的用于铁路冻土路基安全监测的传感 器节点及工作方法进行各种改动和变型而不脱离本新型的设计思想和范围。那 么，如果这些改动和变型属于本新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本新 型也意图包含这些改动和变型在内。
权利要求1、一种用于铁路冻土路基安全监测的传感器节点，包括相互连接的传感器模块、处理通讯模块和能量供应模块，其特征在于所述传感器模块包括第一传感器模块和第二传感器模块，所述第一传感器模块、第二传感器模块和所述处理通讯模块直接与所述能量供应模块电连接，且通过所述能量供应模块传递信息。
2、 根据权利要求l所述的用于铁路冻土路基安全监测的传感器节点，其特征在于所述 第一传感器模块的印制电路板上置有相互电连接的多个数字温度传感器、 一个温湿度传感器、 第一接口电路和第二接口电路、三脚接口和第一20脚接口；所述多个数字温度传感器并联在 三芯线上，通过印制电路板上的三脚接口和第一接口电路与所述能量供应模块电连接，用于 冻土温度的分布式测量；所述温湿度传感器直接焊在上述印制电路板上，用于冻土表面空气 的温湿度测量；第一传感器模块通过所述第一 20脚接口与所述能量供应模块的第一接口电连 接，经能量供应模块向所述处理通讯模块传递信息。
3、 根据权利要求l所述的用于铁路冻土路基安全监测的传感器节点，其特征在于所述 第二传感器模块包括相互电连接的三轴加速度传感器、调理电路及第二20脚接口，所述三轴 加速度传感器为模拟电压输出型三轴加速度传感器，它通过所述调理电路和第二 20脚接口与 所述能量供应模块的第二接口电连接，用于铁轨振动加速度的测量；所述调理电路包括由电 阻R1、 R2、 R3和电容C1、 C2、 C3组成的三路RC低通滤波器和A/D变换器。
4、根据权利要求3所述的用于铁路冻土路基安全监测的传感器节点，其特征在于所 述三轴加速度传感器型号是MMA7260QT，其VDD引脚和VSS引脚之间跨接滤波电容CO后， 直接与第二 20脚接口相连接；管脚g-selectl和g-select2为三轴加速度传感器量程选择引脚，它们直接与第二 20脚接口相连接；管脚^Iil M05^为三轴加速度传感器的工作模式选择 引脚，它直接与第二20脚接口相连接；管展卩XOUT、 YOUT和ZOUT分别为三轴加速度传感器的X、 Y、 Z方向的电压输出引脚，它们分别经过由R1和C1、 R2禾tlC2、 R3禾tl C3组成的三路低通滤波器后与第二20脚接口相连接；电阻R1、 R2、 R3的一端分别与三轴加速度传感 器的管脚XOUT、 YOUT、 ZOUT相连接，另一端分别与电容C1、 C2、 C3相连接；电容C1、 C2、 C3的另一端则均与三轴加速度传感器的管脚VSS相连接，第二20脚接口与能量供应模 块的第二接口相连接，实现第二传感器模块与能量供应模块间的电连接。
5、 根据权利要求1所述的用于铁路冻土路基安全监测的传感器节点，其特征在于所 述处理通讯模块包括相互电连接的嵌入式微处理器、天线、射频电路、外围电路和第三20脚 接口和第四20脚接口，第三20脚接口和第四20脚均为20脚双排接口，第三20脚接口与嵌 入式微处理器的I/O端口 PO 口和Pl 口相连接，第四20脚接口与嵌入式微处理器的P2 口、 电源引脚、复位引脚及编程引脚相连接；嵌入式微处理器的内部集成有2.4GHz无线收发芯片， 其射频引脚通过射频电路与天线相连接，用于无线收发数据，第三20脚接口和第四20脚接 口分别连接能量供应模块的第三接口和第四接口。
6、 根据权利要求1所述的用于铁路冻土路基安全监测的传感器节点，其特征在于所 述能量供应模块包括置放在印制电路板上的电池、电池盒及第一接口、第二接口、第三接口、 第四接口，粘于印制电路板上的电池盒内装有电池，并通过导线与印制电路板电连接，所述 第一接口和第二接口分别与所述第一传感器模块、第二传感器模块的第一 20脚接口和第二 20 脚接口电连接，所述第三接口和第四接口分别与所述处理通讯模块的第三20脚接口 JP3第四 20脚接口电连接。
7、 根据权利要求2所述的用于铁路冻土路基安全监测的传感器节点，其特征在于所 述温度传感器型号是DS18B20，所述温湿度传感器型号是SHT71。
专利摘要本实用新型涉及传感器节点装置，特别涉及在铁路冻土路基安全监测中的传感器节点设备。目的是提供一种用于铁路冻土路基安全监测的传感器节点。一种用于铁路冻土路基安全监测的传感器节点，包括相互连接的传感器模块、处理通讯模块和能量供应模块，所述传感器模块包括第一传感器模块和第二传感器模块，所述第一传感器模块、第二传感器模块和所述处理通讯模块直接与所述能量供应模块电连接，且通过所述能量供应模块传递信息。本新型不仅传感器连线和处理电路复杂度大大降低，而且所用温度传感器为数字量输出，抗干扰能力强，易于处理；而且能够在冻土区高湿度、大温差、频繁暴风雪、超低温等复杂环境中使用。
文档编号G08C17/02GK201237836SQ20082004197
公开日2009年5月13日 申请日期2008年8月5日 优先权日2008年8月5日
发明者张志华 申请人:常州机械电子工程研究所