嵌入式網關、采用該網關的鐵路監測系統及其方法

嵌入式網關、采用該網關的鐵路監測系統及其方法
【專利摘要】本發明提供一種鐵路專用的嵌入式網關、采用該網關的鐵路監測系統。該嵌入式網關，包括以太網接口，用于通過以太網與車站服務器通信；CAN接口，用于通過CAN總線從鐵路的軌道上設置的多個傳感器節點接收符合CAN總線協議的多個CAN幀；核心轉換網關，用于基于與每個所述CAN幀相關的任務的優先級、由這些接收的CAN幀作為消息報文生成第一消息隊列，并按該第一消息隊列中預定的順序，讀出所述消息報文并將其轉換成符合另一通信協議的數據報文以通過所述以太網接口發送給所述車站服務器。利用本發明的嵌入式網關，可以實現高速、實時、可靠地監測鐵路設備如道岔轉換設備的狀態。
【專利說明】嵌入式網關、采用該網關的鐵路監測系統及其方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及信號通信【技術領域】，特別涉及鐵路軌道狀態實時監測技術。
【背景技術】
[0002]隨著列車運行速度的大幅度提高，列車運營系統對鐵路道岔相關設備的要求越來越高。道岔轉換設備是列車運行的重要基礎設備，此設備能否正常工作將直接影響到列車運行安全和運營效率。隨著鐵路客運專線的建設和既有線的提速，特別是在高速鐵路大號碼道岔上，一旦出現故障將嚴重影響鐵路的運營，甚至發生災難性事故。為此，在鐵路線上特別是道岔上布置了大量的傳感器陣列并建立了道岔監測系統以監測軌道交通線路上關鍵道岔及其轉換設備，以便實時、可靠地監測道岔轉換設備，為維護，保養和維修提供決策支持。因此，需要在現場的數據采集中，對大量的現場傳感器測量信號進行高速實時采集，并進行高速的濾波和去噪處理，從而獲取相應道岔轉換設備的具體工作參數。
[0003]在現有技術中，通常采用集中式數據采集和處理模式。圖1示出了現有技術中道岔監測系統的示意圖。如圖1所示，現場的傳感器節點I一 N負責測量現場道岔轉換設備的工作參數，同時通過CAN總線直接接入一監測工控機，從而將所有的道岔轉換設備的具體工作參數通過CAN總線發送給工控機，并由該工控機進行數據處理與分析；同時用戶也是通過由工控機提供的診斷界面，操作工控機將控制命令發送給相應的傳感器節點，如要求傳送某一道岔的狀態參數、變更傳感器節點的采樣頻率等。然而上述集中式工作模式會極大的加重工控機的處理負擔，輕則造成數據采集的延時和不同步，無法滿足信號采集的精度和速度要求，嚴重時則會導致工控機的死機。

【發明內容】

[0004]在工業控制自動化領域，現場總線技術代表了控制系統向網絡化、全開放、全分散的系統結構的發展方向，其中控制器局域網絡(CAN)總線是目前應用最廣泛的一種現場總線，而以以太網及TCP/IP協議為代表的信息網絡則滿足了社會各行業對更廣泛的信息交換及共享的需求。本發明正是通過將這種控制網絡與信息網絡融合在一起，不僅可以實現整個鐵路系統范圍內的信息共享，而且提高了鐵路設備如道岔狀態的高速和實時監測。
[0005]本發明目的在于提出一種嵌入式網關和方法，特別適用于鐵路系統，可以高速、實時、可靠地監測鐵路設備如道岔轉換設備的狀態。通過使用嵌入式網關來實現上述CAN總線網絡與以太網絡的數據互連，不僅可以使管理深入到現場，而且還為系統組網帶來非常大的方便。
[0006]按照本發明的一個方面，提供一種鐵路專用的嵌入式網關，包括:
[0007]以太網接口，用于通過以太網與車站服務器通信；
[0008]CAN接口，用于通過CAN總線從鐵路的軌道上設置的多個傳感器節點接收符合CAN總線協議的多個CAN幀；
[0009]核心轉換網關，用于基于與每個所述CAN幀相關的任務的優先級、由這些接收的CAN幀作為消息報文生成第一消息隊列，并按該第一消息隊列中預定的順序，讀出所述消息報文并將其轉換成符合另一通信協議的數據報文以通過所述以太網接口發送給所述車站服務器。
[0010]優選地，所述核心轉換網關通過所述以太網接口從所述車站服務器接收控制指令，將其轉換為符合所述CAN總線協議的控制指令，將包含該控制指令的第二消息隊列傳遞到所述CAN接口，以發送給由該控制指令中包含的傳感器節點標識所確定的所述多個節點中的一個節點。
[0011]優選地，所述CAN接口包括分別用相互隔離的獨立電源供電的CAN收發器和CAN控制器以及置于CAN收發器和CAN控制器之間的光耦。
[0012]優選地，所述核心轉換網關包括CAN通信模塊、協議轉換模塊以及以太網通信模塊，
[0013]其中所述CAN通信模塊將所述多個消息報文發送進所述第一消息隊列中，并將該消息隊列中每個消息報文的指針傳遞給一接收緩沖器；所述協議轉換模塊通過讀取所述接收緩沖區中的消息報文指針來讀取第一消息隊列中的消息幀，以便轉換成符合所述另一通信協議的數據報文；以及所述以太網通信模塊將轉換后的數據報文通過以太網發送給車站服務器。
[0014]優選地，所述接收緩沖器是環形數據緩存器。
[0015]優選地，所述第一消息隊列的長度是可變的，以接受具有可變長度的消息報文。
[0016]優選地，所述核心轉換網關還包括調度器，用于確定所接收的消息報文所屬的任務優先級，并基于該優先級確定該消息報文在所述第一消息隊列中的排列位置。
[0017]優選地，所述另一通信協議是TCP/IP或UDP協議。
[0018]根據本發明的另一個方面，提供一種鐵路信號通信方法，包括:
[0019]通過連接到CAN總線上的CAN接口從鐵路的軌道上設置的多個傳感器節點接收符合CAN總線協議的CAN幀；
[0020]生成第一消息隊列，該第一消息隊列包括作為其消息報文的CAN巾貞,該消息報文在該消息隊列的排列位置取決于與所述消息報文相關的任務的優先級；
[0021]基于該第一消息隊列中給定的順序，讀出所述消息報文并將其轉換成符合另一通信協議的數據包以通過以太網接口發送給車站服務器。
[0022]優選地，該方法還包括:通過所述以太網接口從所述車站服務器接收控制指令，將其轉換為符合所述CAN總線協議的CAN控制指令，發送包含該CAN控制指令的第二消息隊列到所述CAN接口以控制由包含在指令中的傳感器節點標識所確定的所述多個傳感器節點中的一個節點。
[0023]優選地，該方法還包括:將第一消息隊列中每個消息報文的指針傳遞給一接收緩沖器；通過讀取所述接收緩沖區中的消息指針來讀取第一消息隊列中的消息數據，以便轉換成符合所述另一通信協議的數據包。
[0024]優選地，所述接收緩沖器是環形數據緩存器。
[0025]優選地，所述第一消息隊列的長度是可變的，以接受具有可變長度的消息報文。
[0026]優選地，所述生成第一消息隊列的步驟包括確定所接收的消息報文所屬的任務優先級，并基于該優先級確定該消息報文在所述第一消息隊列中的排列位置。[0027]根據本發明的再一個方面，提供一種鐵路專用的嵌入式網關，包括:
[0028]處理器，配置為:
[0029]通過連接到CAN總線上的CAN接口從鐵路的軌道上設置的多個傳感器節點接收符合CAN總線協議的CAN幀；
[0030]生成第一消息隊列，該第一消息隊列包括作為其消息報文的CAN巾貞,該消息報文在該消息隊列的排列位置取決于與所述消息報文相關的任務的優先級；
[0031]基于該第一消息隊列中給定的順序，讀出所述消息報文并將其轉換成符合另一通信協議的數據包以通過以太網接口發送給車站服務器；以及
[0032]與該處理器耦合的存儲器。
[0033]根據本發明的再一個方面，提供一種鐵路監測系統，包括:連接到CAN總線的多個傳感器節點，用于采集鐵道設備的狀態參數；嵌入式網關，連接到所述CAN總線以接收所述狀態參數；以及通過以太網連接到所述嵌入式網關的車站服務器，用于分析通過所述嵌入式網關傳送的來自傳感器節點的狀態參數并控制所述傳感器節點的數據采集。
[0034]根據本發明的又一個方面，提供一種計算機程序產品，記錄有機器可讀的指令，在執行時使計算機執行如下操作:
[0035]通過連接到CAN總線上的CAN接口從鐵路的軌道上設置的多個傳感器節點接收符合CAN總線協議的CAN幀；
[0036]生成第一消息隊列，該第一消息隊列包括作為其消息報文的CAN巾貞,該消息報文在該消息隊列的排列位置取決于與所述消息報文相關的任務的優先級；
[0037]基于該第一消息隊列中給定的順序，讀出所述消息報文并將其轉換成符合另一通信協議的數據包以通過以太網接口發送給車站服務器。
[0038]根據本發明實現的嵌入式網關優點還表現在:增大了鐵路監測系統中CAN節點即傳感器節點的數量。在無中繼器的情況下，借助于該現場的嵌入式網關的電氣驅動能力，所連接的傳感器節點可達110個。同時可利用每個嵌入式網關連接一個CAN子網，并由多個嵌入式網關通過以太網網絡方便地組建大型網絡，將多個CAN子網聯結在一起，增加了鐵路監測系統可監測的節點數。
[0039]這種嵌入式網關所帶來的好處還表現在擴大了系統的組網范圍。一般的在通信速率最高達IMbps的狀況下，CAN的傳輸距離大約在40米，而根據本發明通過以嵌入式網關的以太網聯系，實現CAN子網的互聯，可突破區域和距離的限定。另外，正是借助于這種嵌入式網關，可允許不同的總線傳輸速度的CAN節點聯結在一起，用戶可以根據需要設置IP地址和CAN控制器的波特率。
[0040]根據本發明實現的鐵路監測系統，具有通信實時性高，噪聲環境中抗干擾能力強，可靠性高，故障狀態檢測及恢復迅速特點，適用于網絡傳感器以及實時系統的多節點網絡執行機構，為鐵路信號領域數據傳輸方面提供了一種高可靠性的技術方案。
[0041]而且，借助于本發明的嵌入式網關，在進行CAN和以太網的協議轉換期間，具有協議轉換數據解析的正確完整，響應迅速，耗時低，實時性好的優點。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0042]圖1是現有技術的鐵路監測系統示意圖；[0043]圖2是根據本發明的鐵路監測系統的示意圖；
[0044]圖3是根據本發明的鐵路監測系統的處理流程圖；
[0045]圖4a和4b是本發明使用的消息隊列的示例，其示出發送消息的情形；
[0046]圖5是根據本發明實施例的嵌入式網關的結構示意圖；
[0047]圖6示出了根據本發明一個實施例的消息傳送機制；
[0048]圖7示出根據本發明的數據處理的示例性流程圖；
[0049]圖8示出根據本發明的嵌入式網關的硬件實現示意圖。
【具體實施方式】
[0050]為使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚，以下參照附圖并舉實施例，來對本發明進一步詳細描述。在以下全文描述中，同一附圖參考標號表示相同的部件或特征。
[0051]圖2示出了根據本發明的鐵路監測系統的架構示意圖。如圖所示，其包括車站服務器1、與車站服務器I通過以太網4通信的專用嵌入式網關3，嵌入式網關3通過CAN總線5與多個傳感器節點2連接。如圖所示，本發明的鐵路監測系統通過設置多個嵌入式網關以及與每個網關連接的、由傳感器節點構成的CAN子網，而擴展了可監測的鐵路道岔的節點數，并可對這些節點進行遠程管理。現場的傳感器節點2采用基于微處理器的控制網絡測控系統，負責測量現場道岔轉換設備的工作參數，將測量結果通過CAN總線發送給嵌入式網關3。
[0052]根據本發明的一個方面，嵌入式網關3負責由傳感器節點2通過CAN總線5傳送的現場實時狀態數據的緩存、預處理和轉發，但不對這些狀態數據進行分析，該現場實時狀態數據符合CAN總線協議即以CAN幀形式傳送。傳感器節點2可接收車站服務器I通過嵌入式網關3下傳的調控參數以監測現場的道岔轉換設備。
[0053]根據預先設置的策略，傳感器節點2定時采集道岔設備的狀態參數，嵌入式網關3可以定時從CAN總線接收表示所述狀態參數的CAN幀，然后對其進行預處理和打包，將符合CAN協議的CAN幀轉換成符合TCP/IP或UDP協議的數據報文(這里，CAN與以太網協議轉換主要是對源IP地址、目的IP地址以及TCP/IP或UDP數據幀的格式進行相應的映射)，在一定的間隔周期內再通過以太網接口(例如IOOMbps的高速接口)將封裝好的數據報文送入車站服務器1，由車站服務器執行對數據的分析和處理。由此可實現大容量的傳感器數據實時、準確地傳輸至車站服務器。同時嵌入式網關3也可實時接收車站服務器I發出的指令，分析該指令，解析出相應的控制數據，并向相應的道岔轉換設備的傳感器節點發出控制參數，例如改變傳感器節點的定時采集頻率等。
[0054]車站服務器I主要負責對監測到的現場傳感器數據進行數據存儲與管理，可分為數據存儲與管理子系統，監測數據處理子系統和通信適配子系統，MMI用戶工作界面。數據存儲與管理子系統完成道岔監測數據的存儲，日常數據管理和維護功能；監測數據處理子系統負責對監測分機上傳的傳感器監測的道岔狀態數據進行失真判別、失真修復和噪聲去除的數據凈化功能；通信適配子系統負責與監測分機、應用系統平臺和本系統內子系統間的通信與數據交互功能，而MMI用戶工作界面負責將監測的數據及分析判斷的結果通過MMI向用戶顯示，以便用戶進行檢測和做出相應的控制處理。四個子系統各負其責，相互配合組成一個有機的系統，構成了車站服務器的系統。上述各子系統均可以采用本領域已知的技術手段實現(例如在圖1所示的工控機中實現的)，因此在此不再詳述。
[0055]圖3示出了按照本發明一個實施例的系統流程圖。如圖3所示，在系統啟動時初始化系統配置參數(步驟301)，這里的初始化包括系統時鐘的初始化和啟動，中斷的啟動，CAN控制器的初始化和啟動，網關IP地址的初始化等，這里不再贅述。然而嵌入式網關3建立用于CAN網絡通信的進程(步驟302)和用于TCP/IP通信的進程(步驟303)，進而系統進入等待狀態。
[0056]按照本發明的一個方面，在定時數據采集情況下，嵌入式網關3內的CAN網絡通信的進程按照預定的定時間隔輪循查詢CAN總線接口(步驟304)，以檢測是否有中斷發生，該中斷是在某一傳感器節點采集到數據時產生中斷請求信號。當存在中斷時，嵌入式網關3接收從CAN總線采集到的CAN幀(步驟305)，并由TCP/IP通信進程來解析所采集的數據，包括從符合CAN協議的CAN幀DATAot提取有用數據和節點標識ID，并將之轉換成符合TCP/IP協議的數據報文DATAtop (步驟306)。為了保證數據可靠，在這里還可以利用目前的算法判斷數據包DATAra是否存在異常(步驟307)。當存在異常時，則終止數據傳輸并將任務掛起(步驟310);而在沒有異常的情況下，將所述數據包DATAra通過以太網絡發送到車站服務器I。
[0057]另一方面，當車站服務器I處的用戶希望了解某組道岔的特定狀態曲線或狀態參數時，其可以在車站服務器I提供的用戶界面MMI上“點播”該組道岔的特定狀態曲線或狀態參數而發出指令。作為緊急任務，嵌入式網關3可通過以太網接收到TCP/IP格式的緊急數據采集命令(步驟304’)。嵌入式網關3隨后所接收到的指令予以解析提取相關命令，該命令包含與用戶點播的道岔相關聯的傳感器節點的標識ID，該命令通過CAN接線被發送到所標識的傳感器節點(步驟305’)。作為響應，該傳感器節點返回實時的道岔狀態參數，并按照前述的定時采集類似的過程，發送給車站服務器，從而完成緊急數據的采集分發。在本發明中，嵌入式網關3采用TCP/IP協議的形式接收車站服務器下發的控制指令，然后進行報文的解析，將有用的信息按規定的格式組合成CAN幀，送入CAN總線的發送緩沖區，然后啟動其內部的CAN接口收發器進行發送。需要注意的是，本發明并不限于TCP/IP協議，還可以使用其它適合以太網通信的協議例如用戶數據報協議UDP;而且在通過CAN發送緩沖區發送報文之前，必須先判斷是否正在接收報文，上次發送是否完成以防發送沖突。
[0058]這里需要指出的是，由車站服務器I發出的命令既可以是要求立即獲取道岔狀態參數，也可以是對相關傳感器采集的控制，例如控制采樣頻率。傳感器節點接收到相應的采樣頻率指令后，例如通過調整傳感器網絡內的微控制器的采樣時鐘，即可實現重配傳感器的采樣頻率。
[0059]在本發明中，通過利用嵌入式網關3的快速數據轉發能力、車站服務器I的綜合數據處理能力、以及以太網的高速帶寬，因此可實現對現場傳感器數據的快速、實時采集和處理。
[0060]根據本發明，嵌入式網關3具有實時多任務處理能力，并且可根據具體任務實時性和重要性要求而劃分各任務的優先級。在本明中，對嵌入式網關3要實現的任務劃分為7種并相應地設定了任務優先級。如下表所示:
[0061]
【權利要求】
1.一種鐵路專用的嵌入式網關(3)，包括: 以太網接口(34)，用于通過以太網與車站服務器(I)通信； CAN接口(30)，用于通過CAN總線(5)從鐵路的軌道上設置的多個傳感器節點(2)接收符合CAN總線協議的多個CAN幀； 核心轉換網關(37)，用于基于與每個所述CAN幀相關的任務的優先級、由這些接收的CAN幀作為消息報文生成第一消息隊列，并按該第一消息隊列中預定的順序，讀出所述消息報文并將其轉換成符合另一通信協議的數據報文以通過所述以太網接口(34)發送給所述車站服務器(I)。
2.如權利要求1所述的嵌入式網關(3)，其中所述核心轉換網關(37)通過所述以太網接口(34)從所述車站服務器(I)接收控制指令，將其轉換為符合所述CAN總線協議的控制指令，將包含該控制指令的第二消息隊列傳遞到所述CAN接口(30)，以發送給由該控制指令中包含的傳感器節點標識所確定的所述多個節點中的一個節點(2)。
3.如權利要求2所述嵌入式網關(3)，其中所述CAN接口(30)包括分別用相互隔離的獨立電源供電的CAN收發器(301)和CAN控制(302)器以及置于CAN收發器和CAN控制器之間的光耦(303)。
4.如權利要求1-3之一所述嵌入式網關(3)，其中所述核心轉換網關包括CAN通信模塊(31)、協議轉換模塊(32)以及以太網通信模塊(33)， 其中所述CAN通信模塊(31)將所述多個消息報文發送進所述第一消息隊列中，并將該消息隊列中每個消息報文的指針傳遞給一接收緩沖器； 所述協議轉換模塊(32)通過讀取所述接收緩沖區中的消息報文指針來讀取第一消息隊列中的消息幀，以便轉換成符合所述另一通信協議的數據報文；以及 所述以太網通信模塊(33 )將轉換后的數據報文通過以太網發送給車站服務器(I)。
5.如權利要求4所述嵌入式網關(3)，其中所述接收緩沖器是環形數據緩存器。
6.如權利要求1-3所述嵌入式網關(3)，其中所述第一消息隊列的長度是可變的，以接受具有可變長度的消息報文。
7.如權利要求1-3所述嵌入式網關(3)，其中所述核心轉換網關還包括調度器(35)，用于確定所接收的消息報文所屬的任務優先級，并基于該優先級確定該消息報文在所述第一消息隊列中的排列位置。
8.如權利要求1所述的嵌入式網關(3)，其中所述另一通信協議是TCP/IP或UDP協議。
9.一種鐵路信號通信方法，包括: 通過連接到CAN總線上的CAN接口從鐵路的軌道上設置的多個傳感器節點接收符合CAN總線協議的CAN幀； 生成第一消息隊列，該第一消息隊列包括作為其消息報文的CAN幀,該消息報文在該消息隊列的排列位置取決于與所述消息報文相關的任務的優先級； 基于該第一消息隊列中給定的順序，讀出所述消息報文并將其轉換成符合另一通信協議的數據包以通過以太網接口發送給車站服務器。
10.如權利要求9所述的鐵路信號通信方法，還包括: 通過所述以太網接口從所述車站服務器接收控制指令，將其轉換為符合所述CAN總線協議的CAN控制指令，發送包含該CAN控制指令的第二消息隊列到所述CAN接口以控制由包含在指令中的傳感器節點標識所確定的所述多個傳感器節點中的一個節點。
11.如權利要求9或10所述的鐵路信號通信方法，還包括: 將第一消息隊列中每個消息報文的指針傳遞給一接收緩沖器； 通過讀取所述接收緩沖區中的消息指針來讀取第一消息隊列中的消息數據，以便轉換成符合所述另一通信協議的數據包。
12.如權利要求9或10所述鐵路監測方法，其中所述生成第一消息隊列的步驟包括確定所接收的消息報文所屬的任務優先級，并基于該優先級確定該消息報文在所述第一消息隊列中的排列位置。
13.一種鐵路專用的嵌入式網關，包括: 處理器，配置為: 通過連接到CAN總線上的CAN接口從鐵路的軌道上設置 的多個傳感器節點接收符合CAN總線協議的CAN幀； 生成第一消息隊列，該第一消息隊列包括作為其消息報文的CAN幀,該消息報文在該消息隊列的排列位置取決于與所述消息報文相關的任務的優先級； 基于該第一消息隊列中給定的順序，讀出所述消息報文并將其轉換成符合另一通信協議的數據包以通過以太網接口發送給車站服務器；以及與該處理器耦合的存儲器。`
14.一種鐵路監測系統，包括: 連接到CAN總線的多個傳感器節點(2)，用于采集鐵路的軌道設備的狀態參數； 如前述權利要求1_8、14所述的嵌入式網關(3)，連接到所述CAN總線(5)以接收所述狀態參數；以及 通過以太網連接到所述嵌入式網關(3)的車站服務器(1)，用于分析通過所述嵌入式網關(3)傳送的、來自傳感器節點(2)的狀態參數并控制所述傳感器節點(2)的數據采集。
15.一種計算機程序產品，記錄有機器可讀的指令，在執行時使計算機執行如下操作: 通過連接到CAN總線上的CAN接口從鐵路的軌道上設置的多個傳感器節點接收符合CAN總線協議的CAN幀； 生成第一消息隊列，該第一消息隊列包括作為其消息報文的CAN幀,該消息報文在該消息隊列的排列位置取決于與所述消息報文相關的任務的優先級； 基于該第一消息隊列中給定的順序，讀出所述消息報文并將其轉換成符合另一通信協議的數據包以通過以太網接口發送給車站服務器。
【文檔編號】H04L29/08GK103684944SQ201210332511
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2012年9月10日 優先權日:2012年9月10日
【發明者】陳立, 齊小民, 韓銳 申請人:西門子信號有限公司