一种无源无线化高铁轨道板实时在线监测系统装置

摘要

本发明提供一种无源无线化高铁轨道板实时在线监测系统装置，包括监测模组、无线信号主机和无线接入主机，所述监测模组在轨道板进行工厂生产制造时就植入轨道板的混凝土内部，其设置有应力敏感元件，用于测量轨道板的物理参量无线信号主机；所述无线信号主机为监测模组进行无线充电，所述监测模组通过无线信号主机将数据发送给无线接入主机，所述监测模组的监测模组天线包括915M天线和2.4G天线，分别用于定向接收无线信号主机发送的无线电磁波，和实现监测模组与无线信号主机的无线通讯。本发明解决了传统传感器需要现场安装和布线导致可能造成的高铁运营安全隐患问题，实现了完全无线化，满足了实际工程要求。

权利要求

1.一种无源无线化高铁轨道板实时在线监测系统装置，其特征在于：包括监测模组、无线信号主机和无线接入主机，所述监测模组在轨道板进行工厂生产制造时就植入轨道板的混凝土内部，其设置有应力敏感元件，用于测量轨道板的物理参量无线信号主机；

所述无线信号主机为监测模组进行无线充电，所述监测模组通过无线信号主机将数据发送给无线接入主机，所述监测模组的监测模组天线包括915M天线和2.4G天线，分别用于定向接收无线信号主机发送的无线电磁波，和实现监测模组与无线信号主机的无线通讯；

所述无线信号主机包括信号主机天线、信号主机电能管理控制单元、信号主机控制单元、无线射频充能单元和信号主机无线通讯单元，所述信号主机控制单元和信号主机电能管理控制单元、信号主机无线通讯单元分别相连接，所述信号主机电能管理控制单元和无线射频充能单元相连接，所述无线射频充能单元和信号主机天线相连接；

所述信号主机天线包括两组天线，分别为915Mhz天线和2.4Ghz天线，所述915Mhz天线能够定向辐射无线电磁波，并被监测模组接收和存储；所述2.4G天线和与其相连接的信号主机无线通讯单元，能够实现监测模组和无线信号主机的无线通讯，以及无线信号主机之间的无线通讯；

所述信号主机电能管理控制单元用于控制无线射频充能单元的无线功率输出，所述无线射频充能单元内置有功率放大电路，用于向信号主机天线的915Mhz天线提供电能，

915Mhz天线采用高增益定向天线，能够向埋入轨道板的监测模组提供无线电磁波能量；

所述监测模组包括的监测模组外壳内部，设置有控制芯片和与其分别相连接的监测模组天线、应力敏感元件，所述控制芯片包括监测模组控制单元，以及与监测模组控制单元分别相连接的模组电能管理控制单元、传感器信号处理单元和无线射频通讯单元；所述模组电能管理控制单元和监测模组天线的915M天线相连接，所述无线射频通讯单元和监测模组天线的2.4G天线相连接，所述传感器信号处理单元和应力敏感元件相连接；

所述监测模组的控制芯片中，监测模组各个单元焊接在一块PCB电路板上，模组电能管理控制单元为无线能量采集芯片，为把天线接收的微小电磁信号进行倍压放大、整流、限幅、整形，最后驱动陶瓷电容器充电，还能连续监测陶瓷电容器电压，当电压超过一定阈值时打开传感器信号处理单元的电源开关，实现数据采集；传感器信号处理单元为信号调理芯片，包含了低噪声信号放大器、高阶带通滤波器、电压比较器模拟处理电路；无线射频通讯单元的主芯片是2.4G通讯芯片，芯片物理层和链路层基于IEEE802.15.4技术标准，无线射频通讯单元和信号主机无线通讯单元是配对使用和通讯，遵循相同的协议；监测模组控制单元主芯片是微功耗处理器。

2.根据权利要求1所述的无源无线化高铁轨道板实时在线监测系统装置，其特征在于：所述应力敏感元件集成有多种无源传感器敏感结构件，包括温度、湿度、电桥式形变、振弦式应变计、压电式震动传感器以及MEMS加速度计。

3.根据权利要求1所述的无源无线化高铁轨道板实时在线监测系统装置，其特征在于：所述模组电能管理控制单元将无线电磁波利用无线能量采集电路接收，并经过倍压放大后整流、限幅，将电能存储在电容。

4.根据权利要求1所述的无源无线化高铁轨道板实时在线监测系统装置，其特征在于：所述无线接入主机包括接入主机天线、接入主机电能管理控制单元、接入主机控制单元、远程无线通讯单元和本地无线通讯单元，所述接入主机控制单元与接入主机电能管理控制单元、远程无线通讯单元和本地无线通讯单元分别相连接，所述接入主机电能管理控制单元和接入主机天线相连接。

5.根据权利要求4所述的无源无线化高铁轨道板实时在线监测系统装置，其特征在于：所述接入主机天线包括移动联通4G天线和2.4G天线，所述4G天线能够远距离通讯实现数据上传，和远程无线通讯单元相连接；所述2.4G天线和本地无线通讯单元相连接，实现无线接入主机和无线信号主机之间的无线通讯，且本地无线通讯单元能够实现本地微功耗组网。

6.根据权利要求1所述的无源无线化高铁轨道板实时在线监测系统装置，其特征在于：所述无线接入主机能够和所述无线信号主机进行微功耗组网通讯，也能够和云端服务器通讯，一台无线接入主机能够组网500台无线信号主机，通过多跳技术和数据转发机制，能够覆盖1000米距离内的信号主机。

7.根据权利要求1所述的无源无线化高铁轨道板实时在线监测系统装置，其特征在于：所述无线信号主机和无线接入主机都设置有电能管理控制单元，所述电能管理控制单元包括太阳能电池板、电能管理单元和可充电电池，所述太阳能电池板通过电能管理单元和可充电电池相连接。

说明书

一种无源无线化高铁轨道板实时在线监测系统装置

技术领域

[0001] 本发明涉及一种新型物联网感知系统，尤其是涉及一种无源无线化高铁轨道板实时在线监测系统装置。

背景技术

[0002] CRTS型板式无咋轨道是目前我国主要的无咋轨道形式，随着京津城际高速铁路、武广高速铁路、沪杭高速铁路和京沪高速铁路的相继开通和运营，我国高速铁路无砟轨道
技术已逐步实现系列化、现代化和标准化。高速铁路无砟轨道结构与普通轨道结构一样，由
钢轨、轨枕、扣件、道床、道岔等部分组成。这些力学性质截然不同的材料承受来自列车车轮
的作用力，它们的工作是紧密相关的，任何一个轨道零部件性能、强度和结构的变化都会影
响其他零部件的工作条件，并对列车运行质量产生直接的影响。钢轨直接承受由机车车辆
传来的巨大动力，并传向轨枕；轨枕承受钢轨传来的竖向垂直力、横向和纵向水平力后再将
其分布于道床，并保持钢轨正常的几何位置；轮轨间的各种作用力通过轨枕和扣件的隔振、
减振和衰减后传递给道床，并将作用力扩散传递于路基。因此对于轨道板的工作状态实时
监测显得意义重大，通过对轨道板的温度、湿度、震动频率、震动幅度、相对位移、内应力等
物理参量的测量，并对静态数据和动态数据的分析和运算，可以表征轨道板以及路基的工
作状态，预测故障，保证高铁运营安全。

[0003] 传统监测手段基本采用传感器+数据采集器的方式进行数据采集，然后再通过有线或无线方式吧数据回传到服务器端，无论哪种方式，传感器的数据采集都要有线供电，有
线通信的方式采集，然后汇聚到网关回传，然而高铁对于安全要求极高，在高铁轨道防撞墙
范围内不允许安装任何可见的线路、设备、仪器，这对传统传感器的工程提出了很高的挑
战，很多传感器设备在运行一段时间后只能拆除，杜绝安全隐患。

[0004] 针对上述问题，需要一种新型无线的、超微功耗的传感器和无线通讯装置，以保证在高铁轨道安全区域范围内不能安装除轨道系统之外的设备。

发明内容

[0005] 本发明提供了一种无源无线化高铁轨道板实时在线监测系统装置，解决了无咋轨道的监测问题，解决了数据采集和传递的问题，其技术方案如下所述：

[0006] 一种无源无线化高铁轨道板实时在线监测系统装置，包括监测模组、无线信号主机和无线接入主机，所述监测模组在轨道板进行工厂生产制造时就植入轨道板的混凝土内
部，其设置有应力敏感元件，用于测量轨道板的物理参量无线信号主机；所述无线信号主机
为监测模组进行无线充电，所述监测模组通过无线信号主机将数据发送给无线接入主机，
所述监测模组的监测模组天线包括915M天线和2.4G天线，分别用于定向接收无线信号主机
发送的无线电磁波，和实现监测模组与无线信号主机的无线通讯。

[0007] 所述监测模组包括的监测模组外壳内部，设置有控制芯片和与其分别相连接的监测模组天线、应力敏感元件，所述控制芯片包括监测模组控制单元，以及与监测模组控制单
元分别相连接的模组电能管理控制单元、传感器信号处理单元和无线射频通讯单元；所述
模组电能管理控制单元和监测模组天线的915M天线相连接，所述无线射频通讯单元和监测
模组天线的2.4G天线相连接，所述传感器信号处理单元和应力敏感元件相连接。

[0008] 所述应力敏感元件集成有多种无源传感器敏感结构件，包括温度、湿度、电桥式形变、振弦式应变计、压电式震动传感器以及MEMS加速度计。

[0009] 所述模组电能管理控制单元将无线电磁波利用无线能量采集电路接收，并经过倍压放大后整流、限幅，将电能存储在电容。

[0010] 所述无线信号主机包括信号主机天线、信号主机电能管理控制单元、信号主机控制单元、无线射频充能单元和信号主机无线通讯单元，所述信号主机控制单元和信号主机
电能管理控制单元、信号主机无线通讯单元分别相连接，所述信号主机电能管理控制单元
和无线射频充能单元相连接，所述无线射频充能单元和信号主机天线相连接。

[0011] 所述信号主机天线包括两组天线，分别为915Mhz天线和2.4Ghz天线，所述915Mhz天线能够定向辐射无线电磁波，并被监测模组接收和存储；所述2.4G天线和与其相连接的
信号主机无线通讯单元，能够实现监测模组和无线信号主机的无线通讯，以及无线信号主
机之间的无线通讯。

[0012] 所述无线接入主机包括接入主机天线、接入主机电能管理控制单元、接入主机控制单元、远程无线通讯单元和本地无线通讯单元，所述接入主机控制单元与接入主机电能
管理控制单元、远程无线通讯单元和本地无线通讯单元分别相连接，所述接入主机电能管
理控制单元和接入主机天线相连接。

[0013] 所述接入主机天线包括移动联通4G天线和2.4G天线，所述4G天线能够远距离通讯实现数据上传，和远程无线通讯单元相连接；所述2.4G天线和本地无线通讯单元相连接，实
现无线接入主机和无线信号主机之间的无线通讯，且本地无线通讯单元能够实现本地微功
耗组网。

[0014] 所述无线接入主机能够和所述无线信号主机进行微功耗组网通讯，也能够和云端服务器通讯，一台无线接入主机能够组网500台无线信号主机，通过多跳技术和数据转发机
制，能够覆盖1000米距离内的信号主机。

[0015] 所述无线信号主机和无线接入主机都设置有电能管理控制单元，所述电能管理控制单元包括太阳能电池板、电能管理单元和可充电电池，所述太阳能电池板通过电能管理
单元和可充电电池相连接。

[0016] 所述无源无线化高铁轨道板实时在线监测系统装置，能够将轨道板的物理参量的测量数据，通过无线的方式上传到云端服务器，功耗低，实现了完全无线化，满足了实际工
程要求，不影响高铁轨道线路的安全，结构合理，数据传输准确，节约了人工检查的时间，提
高安全使用性。

附图说明

[0017] 图1是所述监测模组的模块结构示意图；

[0018] 图2是所述无线信号主机的模块结构示意图；

[0019] 图3是所述接入主机的模块结构示意图；

[0020] 图4是所述无线信号主机与监测模组的通讯逻辑架构示意图；

[0021] 图5是本发明的硬件安装拓扑图；

[0022] 图6是本发明的安装结构示意图；

[0023] 图7是电能管理控制单元的模块结构示意图；

[0024] 图中各标号：1‑监测模组外壳；2‑监测模组天线；3‑模组电能管理控制单元；4‑传感器信号处理单元；5‑应力敏感元件；6‑无线射频通讯单元；7‑监测模组控制单元；10‑监测
模组；11‑信号主机天线；12‑信号主机电能管理控制单元；13‑信号主机控制单元；14‑无线
射频充能单元；15‑信号主机无线通讯单元；20‑无线信号主机；21‑接入主机天线；22‑接入
主机电能管理控制单元；23‑接入主机控制单元；24‑远程无线通讯单元；25‑本地无线通讯
单元；30‑无线接入主机；40‑云端服务器；41‑防撞墙；42‑混凝土封闭层；43‑混凝土底座；
44‑轨道板；50‑电能管理控制单元；51‑太阳能电池板；52‑电能管理单元；53‑可充电电池。

具体实施方式

[0025] 所述无源无线化高铁轨道板实时在线监测系统装置，包括监测模组10、无线信号主机20和无线接入主机30，所述监测模组10在无咋轨道板44进行工厂生产制造时就植入轨
道板44的混凝土内部，所述监测模组10将轨道板44的物理参量的测量数据无线发送到无线
信号主机20，所述无线信号主机20为监测模组10进行无线充电，并将收到的测量数据无线
发送到无线接入主机30，所述无线接入主机30能够将测量数据汇总后发送到云端服务器
40。

[0026] 如图1所示，所述监测模组10，或称为混凝土植入式无源无线传感器，包括监测模组外壳1，所述监测模组外壳1采用高强度工程塑料，其内部放置有用于布置其他模块的缓
冲材料。

[0027] 在监测模组外壳1内部，设置有监测模组天线2、应力敏感元件5和控制芯片，所述控制芯片设置在电路板上，并与监测模组天线2、应力敏感元件5分别相连接。所述应力敏感
元件5可以集成多种无源传感器敏感结构件，包括温度、湿度、电桥式形变、振弦式应变计、
压电式震动传感器以及MEMS加速度计。

[0028] 所述控制芯片包括四个功能模块：模组电能管理控制单元3、传感器信号处理单元4、无线射频通讯单元6和监测模组控制单元7，其四个功能模块均为超微功耗设计。其中，所
述监测模组天线2和模组电能管理控制单元3相连接，所述模组电能管理控制单元3为控制
芯片的其他单元和应力敏感元件5提供电能，所述应力敏感元件5和传感器信号处理单元4
相连接，所述监测模组控制单元7和传感器信号处理单元4、无线射频通讯单元6分别相连
接。

[0029] 所述监测模组天线2包括915M天线和2.4G天线，所述915M天线可以定向接收无线信号主机20发送的无线电磁波，无线电磁波然后被模组电能管理控制单元3的无线能量采
集电路接收，在模组电能管理控制单元3经过倍压放大后整流、限幅，最后被电容存储。通过
电容向传感器信号处理单元4、无线射频通讯单元6、监测模组控制单元7供电，所述传感器
信号处理单元4通电后，控制应力敏感元件5工作，采集轨道板数据。

[0030] 所述2.4G天线和无线射频通讯单元6相连接，所述无线射频通讯单元6通过2.4G天线可以实现监测模组10与无线信号主机20的无线通讯。传感器信号处理单元4对应力敏感
元件5的信号进行低噪声放大、高阶带通滤波、整形处理，最后通过模数转换变成数字信号。
所述传感器信号处理单元4将数字信号发送到监测模组控制单元7，所述监测模组控制单元
7对数字信号进行加密，实现2.4G通讯的数据加密，其中加密算法支持AES和国密SM2和SM4，
然后监测模组控制单元7将加密数字信号通过无线射频通讯单元6、2.4G天线发送到无线信
号主机20。

[0031] 如图2所示，所述无线信号主机20，是一种远距离无线通讯设备，其包括信号主机天线11、信号主机电能管理控制单元12、信号主机控制单元13、无线射频充能单元14和信号
主机无线通讯单元15，所述信号主机控制单元13和信号主机电能管理控制单元12、信号主
机无线通讯单元15分别相连接，所述信号主机电能管理控制单元12和无线射频充能单元14
相连接，所述无线射频充能单元14和信号主机天线11相连接。

[0032] 所述信号主机天线11包括两组天线，分别为915Mhz天线和2.4Ghz天线，天线发射功率分别为30dbm和0dbm，接收灵敏度分别为‑20dbm和‑91dbm。提供能量的电磁波频率为
915Mhz，另外无线通讯模块的频率为2.4Ghz。所述915Mhz天线能够定向辐射无线电磁波，并
被监测模组10接收和存储。所述2.4G天线和与其相连接的信号主机无线通讯单元15，能够
实现监测模组10和无线信号主机20之间的无线通讯。所述信号主机控制单元13将接收到的
加密数字信号发送到无线接入主机30，所述无线信号主机20之间的通讯距离最大为200米，
所以无线信号主机20是通过多跳技术和数据转发机制实现的远距离通讯。可见，所述无线
信号主机20实现了和监测模组10的通讯加密，以及无线信号主机20之间的通讯数据加密。

[0033] 所述信号主机电能管理控制单元12用于控制无线射频充能单元14的无线功率输出，所述无线射频充能单元14内置有功率放大电路，用于向信号主机天线11的915Mhz天线
提供电能，915Mhz天线采用高增益定向天线，这样，所述915Mhz天线能够向埋入轨道板44的
监测模组10提供无线电磁波能量。在实际使用时，无线信号主机20和监测模组10的感应距
离为12米，监测模组10植入轨道板44的混凝土内部后，两者的感应距离为8米。

[0034] 如图3所示，所述无线接入主机30，是一种无线通讯设备，包括接入主机天线21、接入主机电能管理控制单元22、接入主机控制单元23、远程无线通讯单元24和本地无线通讯
单元25，所述接入主机控制单元23与接入主机电能管理控制单元22、远程无线通讯单元24
和本地无线通讯单元25分别相连接，所述接入主机电能管理控制单元22和接入主机天线21
相连接。

[0035] 所述接入主机天线21包括移动联通4G天线和2.4G天线，4G天线可以北向远距离通讯实现数据上传，所述远程无线通讯单元24为4G/CAT1标准，和4G天线相连接，实现向云端
服务器的数据通讯。2.4G天线和本地无线通讯单元25可以实现无线接入主机30和无线信号
主机20之间的无线通讯，本地无线通讯单元25能够实现本地微功耗组网。所述接入主机控
制单元23则实现了本地和远距离无线通讯的数据加密。

[0036] 如图4所示，所述无线信号主机20和监测模组10之间采用微功率无线组网通讯协议，通讯协议分为4层，物理层、链路层、网络层、传输层，物理层采用GFSK调制方式，1MBPS通
讯速率，链路层遵循IEEE802.15.4技术标准，网络层为自主开发的微功率无线组网通讯协
议，传输层为真正的数据通道。

[0037] 在高铁轨道规范中，所述无线信号主机20和监测模组10之间的距离短则1米，远则5‑6米，这距离范围内不允许有任何设备和线路，因此本发明解决了这个安全隐患问题。另
外监测模组10是轨道板44在工厂生产时预制在混凝土内部，因此也不影响高铁轨道线路的
安全。

[0038] 而无线信号主机和无线信号主机之间的通讯，以及无线信号主机20和无线接入主机30之间的通讯也同样遵从微功率无线组网协议，而无线接入主机30北向通讯则采用4G/
5G远程通讯技术标准。

[0039] 如图5所示，所述无线接入主机30可以和所述无线信号主机20进行微功耗组网通讯，也可以和云端服务器40通讯，一台无线接入主机30可以组网500台无线信号主机20，通
过多跳技术和数据转发机制，可以覆盖1000米距离内的信号主机。

[0040] 如图6所示，在轨道的最外侧是防撞墙41，混凝土底座43和防撞墙41之间是混凝土封闭层42，所述混凝土底座43上铺设有轨道板44。所述监测模组10内置在轨道板44的混凝
土中，监测模组10自身没有电池，需要无线信号主机20发射的电磁波提供能量，被监测模组
10的监测模组天线2接收，并在模组电能管理控制单元3的作用下进行信号选频、倍压放大，
整流，限幅，最后驱动到储存电容，之后在监测模组控制单元7的控制下开启数据采集和通
讯，当电容电能消耗至一定阈值之下时，监测模组控制单元7断开数据采集和通讯，重新开
启一次充电循环。

[0041] 通过无线信号主机20和监测模组10，可以实现高铁轨道禁区内完全无线化，另外监测模组10在轨道板工厂生产时就已经内置混凝土内部，因此高铁轨道禁区内也没有增加
外来设备，实现了完全无线化，满足了实际工程要求。

[0042] 本发明中，所述监测模组10控制芯片中，监测模组10各个单元焊接在一块PCB电路板上，模组电能管理控制单元3为无线能量采集芯片，型号为RK100，芯片的功能为把天线接
收的微小电磁信号进行倍压放大、整流、限幅、整形，最后驱动陶瓷电容器充电，另外RK100
芯片还能连续监测陶瓷电容器电压，当电压超过一定阈值时打开传感器信号处理单元4的
电源开关，实现数据采集；传感器信号处理单元4为信号调理芯片AD698，芯片包含了低噪声
信号放大器、高阶带通滤波器、电压比较器等模拟处理电路，这些模拟电路的特征是比通用
电路的功耗低20％以上，从而达到减少耗能的目的；无线射频通讯单元6的主芯片是2.4G通
讯芯片，型号为Si24R1，芯片物理层和链路层基于IEEE802.15.4技术标准，网络层采用自研
微功率通讯组网协议DEPLUS4.0，无线射频通讯单元6和信号主机无线通讯单元15是配对使
用和通讯，遵循相同的协议；监测模组控制单元7主芯片是微功耗处理器，型号STM8L151，工
作频率最大24MHz，待机功耗低于0.8uA。

[0043] 所述无线信号主机20中，信号主机控制单元13主芯片是微功耗处理器，型号STM8L151，工作频率最大24MHz，待机功耗低于0.8uA；无线射频充能单元14包含射频信号源
芯片ADF4351和射频功率放大芯片YP3236，ADF4351和信号主机控制单元13通过SPI总线通
讯，可产生600MHz‑1.2GHz载频(默认915MHz)，再通过YP3236进行功率放大后输出25dbm，经
过天线辐射出去；信号主机无线通讯单元15的主芯片是2.4G通讯芯片，型号为Si24R1，芯片
物理层和链路层基于IEEE802.15.4技术标准，网络层采用自研微功率通讯组网协议
DEPLUS4.0。

[0044] 所述无线接入主机30中，接入主机控制单元23是自研核心控制板，核心控制板处理器为T3，内存1GB，操作系统LINUX4.19内核版本；远程无线通讯单元24为通讯行业标准的
基于3GPP 4G/CAT1的远程通讯模块，上下行通讯速率可达10Mbps；本地无线通讯单元25的
主芯片是2.4G通讯芯片，型号为Si24R1，芯片物理层和链路层基于IEEE802.15.4技术标准，
网络层采用自研微功率通讯组网协议DEPLUS4.0，可以和附件的信号主机通讯，收集监测模
组的数据，最后通过远程无线通讯单元24上传至远端服务器。

[0045] 如图7所示，所述无线信号主机20包含有信号主机电能管理控制单元12，所述无线接入主机30包含有接入主机电能管理控制单元22，都对应电能管理控制单元50，所述电能
管理控制单元50包括太阳能电池板51、电能管理单元52和可充电电池53，所述太阳能电池
板51通过电能管理单元52和可充电电池53相连接。所述电能管理单元52是一套太阳能充电
控制电路，主要功能是把太阳能转为电能并充电到磷酸铁锂电池，给信号主机或接入主机
供电，控制电路还具有充电保护以及电源开关控制等功能。

[0046] 需要太阳能电池板51提供电能，在电能管理单元52的控制下对可充电电池53充电，当电能管理控制单元50达到一定电量后自动启动网络通讯，接收网络命令，执行采集监
测模组10数据的指令，并把数据通过无线信号主机20之间的通讯链路传输到无线接入主机
30，最后传输到云端服务器40。

[0047] 所述无源无线化高铁轨道板实时在线监测系统装置，能够将轨道板的物理参量的测量数据，通过无线的方式上传到云端服务器，功耗低，实现了完全无线化，满足了实际工
程要求，不影响高铁轨道线路的安全，结构合理，数据传输准确，节约了人工检查的时间，提
高安全使用性。