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1、(10)申请公布号 CN 102289008 A (43)申请公布日 2011.12.21 CN 102289008 A *CN102289008A* (21)申请号 201110240767.8 (22)申请日 2011.08.22 G01W 1/17(2006.01) G08C 17/02(2006.01) (71)申请人 西南交通大学 地址 610031 四川省成都市二环路北一段 111 号 (72)发明人 林建辉 陈建政 王迎科 冯艳波 农汉彪 任愈 刘璐 (74)专利代理机构 常州市维益专利事务所 32211 代理人 王凌霄 (54) 发明名称 一种广义舒适度检测系统 (57) 摘要。
2、 本发明涉及对列车乘坐广义舒适度进行测试 的测试设备， 特别一种广义舒适度检测系统， 包括 人体模型和安装在人体模型上的传感器、 采集传 感器数据的数据采集单元和无线传输单元， 传感 器、 数据采集单元和无线传输单元依次连接。 本广 义舒适度检测系统以影响广义舒适度的主要物理 因素为测试对象， 模拟乘客在列车的具体位置对 各个参数的综合感应， 对高速列车进行乘坐广义 舒适度评价， 针对高速动车组全封闭特点， 检测系 统采用无线数据传输方案， 减少车体改造费用和 布线工作量。 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 4 页 。
3、附图 2 页 CN 102289021 A1/1 页 2 1. 一种广义舒适度检测系统， 其特征是 ： 包括人体模型和安装在人体模型上的传感 器、 采集传感器数据的数据采集单元和无线传输单元， 传感器、 数据采集单元和无线传输单 元依次连接。 2. 根据权利要求 1 所述的广义舒适度检测系统， 其特征是 ： 所述的传感器包括振动传 感器、 照度传感器、 声级器、 气压传感器、 温度传感器、 湿度传感器和气体浓度传感器。 3. 根据权利要求 2 所述的广义舒适度检测系统， 其特征是 ： 照度传感器安装在人体模 型的眼睛位置， 检测车内照度， 声级器安装在人体模型的耳朵位置， 检测噪声等级， 气压。
4、传 感器、 温度传感器安装在人体模型的胸部位置， 检测车内气压和温度， 振动传感器安装在人 体模型的臀部及背部位置检测振动， 湿度传感器安装在人体模型的脚部位置， 检测湿度， 气 体浓度传感器安装在人体模型的鼻腔位置， 检测车内气体浓度变化。 4. 根据权利要求 1 或 2 或 3 所述的广义舒适度检测系统， 其特征是 ： 数据采集单元包 括单片机、 大容量存储器、 电源模块和信号采集模块， 无线传输单元、 大容量存储器、 电源模 块和信号采集模块分别与单片机连接， 受单片机的控制， 人体模型上的各传感器经过信号 采集模块采集， 存储到大容量的存储器中。 5. 根据权利要求 3 所述的广义舒适。
5、度检测系统， 其特征是 ： 所述的信号采集模块包括 信号调理电路和 AD 采集板， AD 采集板和数据采集单元的单片机通过 SPI 总线进行数据传 输， 每路传感器给配备一个相应的信号采集模块， 声级器单独占用一条 SPI 总线， 其他传感 器采用的数据挂载在一条 SPI 总线上， 进行数据的同步采集。 6. 根据权利要求 5 所述的广义舒适度检测系统， 其特征是 ： 数据采集单元还具有用于 读取采集的原始数据的 USB 接口， USB 接口与单片机连接， 单片机为 STM32 单片机， 大容量 存储器为 SD 卡存储器， STM32 单片机通过 SPI 总线采集到的传感器的所有的数据都以文件。
6、 的形式存储到 SD 卡存储器中。 权 利 要 求 书 CN 102289008 A CN 102289021 A1/4 页 3 一种广义舒适度检测系统 技术领域 0001 本发明涉及对乘坐舒适度进行测试的测试设备， 特别是一种广义舒适度检测系 统。 背景技术 0002 随着高速铁路的迅猛发展， 高速铁路的舒适性也日益成为人们关注的焦点， 改善 和提高高速动车组的舒适度也必然成为高速列车改进的重点之一。然而， 仅仅依靠铁路现 行振动测量舒适度方法对舒适度进行评价， 是远远不够的， 也难以保证旅客乘车的舒适性， 不适应现行铁路旅客运输安全、 高速、 舒适等协调发展的要求。所以， 要改进高速列车的。
7、舒 适度， 只考虑列车振动的影响是无法满足以上要求的， 还需要从影响列车舒适性的其他因 素进行改进， 如 ： 噪声、 光强、 温度、 湿度、 气体浓度， 气压等因素， 所有这些影响列车舒适性 的因素， 统称广义舒适度影响因素。由于影响广义舒适度的因素具有复杂性， 因此， 获取影 响广义舒适度的单因素与乘客舒适度主观评价的信息， 是判断现有高速列车振动、 噪声、 空 气气压、 温、 湿度等指标是否满足乘客舒适需求的重要依据。 0003 国外对列车舒适度的研究主要是针对其振动加速度来研究， 西方发达国家早在 五六十年代就开始了通过试验来检测列车乘坐舒适度， 并且根据这些试验数据建立了相对 完善的舒。
8、适度评价标准， 但是铁路机车车辆的舒适度评价标准在国际上至今没有统一的标 准， 发明内容 0004 本发明所要解决的技术问题是 ： 提供一种广义舒适度检测系统， 不仅可以应用于 高速列车， 也可以应用于地铁、 轮船、 客车等各种交通工具的广义舒适度评价， 指导企业在 乘坐舒适度上进行改进和评价， 满足人们对交通工具乘坐舒适度上的更高要求。 0005 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是 ： 一种广义舒适度检测系统， 包括人 体模型和安装在人体模型上的传感器、 采集传感器数据的数据采集单元和无线传输单元， 传感器、 数据采集单元和无线传输单元依次连接。 0006 传感器包括振动传感器、 照度传。
9、感器、 声级器、 气压传感器、 温度传感器、 湿度传感 器和气体浓度传感器。 0007 具体地， 照度传感器安装在人体模型的眼睛位置， 检测车内照度， 声级器安装在人 体模型的耳朵位置， 检测噪声等级， 气压传感器、 温度传感器安装在人体模型的胸部位置， 检测车内气压和温度， 振动传感器安装在人体模型的臀部及背部位置检测振动， 湿度传感 器安装在人体模型的脚部位置， 检测湿度， 气体浓度传感器安装在人体模型的鼻腔位置， 检 测车内气体浓度变化 0008 数据采集单元包括单片机、 大容量存储器、 电源模块和信号采集模块， 无线传输单 元、 大容量存储器、 电源模块和信号采集模块分别与单片机连接，。
10、 受单片机的控制， 人体模 型上的各传感器经过信号采集模块采集， 存储到大容量的存储器中。 说 明 书 CN 102289008 A CN 102289021 A2/4 页 4 0009 信号采集模块包括信号调理电路和 AD 采集板， AD 采集板和数据采集单元的单片 机通过 SPI 总线进行数据传输， 每路传感器给配备一个相应的信号采集模块， 声级器单独 占用一条 SPI 总线， 其他传感器采用的数据挂载在一条 SPI 总线上， 进行数据的同步采集。 0010 数据采集单元还具有用于读取采集的原始数据的 USB 接口， USB 接口与单片机连 接， 单片机为 STM32 单片机， 大容量存储。
11、器为 SD 卡存储器， STM32 单片机通过 SPI 总线采集 到的传感器的所有的数据都以文件的形式存储到 SD 卡存储器中。 0011 本发明的有益效果是 ： 本广义舒适度检测系统以影响广义舒适度的主要物理因素 为测试对象， 可在运营列车和试验车上检测振动、 气压、 噪声、 温度、 湿度和照度等影响乘坐 舒适性的环境参数， 模拟乘客在列车的具体位置对各个参数的综合感应， 对高速列车进行 乘坐广义舒适度评价。 0012 检测系统采用多变量同步采集技术， 实现同步采集， 针对高速动车组全封闭特点， 检测系统采用无线数据传输方案， 减少车体改造费用和布线工作量。 附图说明 0013 下面结合附图。
12、和实施例对本发明进一步说明 ； 0014 图 1 是本发明的检测系统的结构示意图 ； 0015 图 2 是本发明的便携式分析仪的结构示意图 ； 0016 图 3 是本发明的数据采集单元的结构示意图 ； 0017 图 4 是本发明的信号采集模块的结构示意图 ； 具体实施方式 0018 如图 1 所示， 一种广义舒适度检测系统， 包括人体模型和安装在人体模型上的传 感器、 采集传感器数据的数据采集单元和无线传输单元， 传感器、 数据采集单元和无线传输 单元依次连接， 本广义舒适度检测系统与便携式分析仪构成检测平台， 数据采集单元采集 数据后通过无线传输单元无线传输给便携式分析仪， 实时计算广义舒适。
13、度并显示在显示屏 上。 0019 传感器包括振动传感器、 照度传感器、 声级器、 气压传感器、 温度传感器、 湿度传感 器和气体浓度传感器。 照度传感器安装在人体模型的眼睛位置， 检测车内照度， 声级器安装 在人体模型的耳朵位置， 检测噪声等级， 气压传感器、 温度传感器安装在人体模型的胸部位 置， 检测车内气压和温度， 振动传感器安装在人体模型的臀部及背部位置检测振动， 湿度传 感器安装在人体模型的脚部位置， 检测湿度， 气体浓度传感器安装在人体模型的鼻腔位置， 检测车内气体浓度变化， 气体浓度传感器具有为二氧化碳气体浓度传感器。 0020 本发明应用人体模型的空间结构布局和乘客身体的空间布。
14、局的相似性， 对人体模 型加以合理改造， 应用人体模型来模拟一个乘客的具体乘坐空间， 检测系统和便携式分析 仪采用无线网络进行通讯， 各测点通过无线网络实现数据同步。无线网络基于 ZigBee 无线 通讯协议， 具有自动组网、 传输可靠和低功率等特点， 能够满足便携式检测平台要求。 0021 如图 3 所示， 数据采集单元包括单片机、 大容量存储器、 电源模块和信号采集模 块， 无线传输单元、 大容量存储器、 电源模块和信号采集模块分别与单片机连接， 受单片机 的控制， 人体模型上的各传感器经过信号采集模块采集， 存储到大容量的存储器中并通过 说 明 书 CN 102289008 A CN 1。
15、02289021 A3/4 页 5 无线传输单元发送到便携式分析仪。数据采集单元还具有 USB 接口， USB 接口与单片机连 接， 单片机为 STM32 单片机， 大容量存储器为 SD 卡存储器， STM32 单片机通过 SPI 总线采集 到的传感器的所有的数据都以文件的形式存储到SD卡存储器中， 并可通过USB接口读取采 集的原始数据， 所有的数据文件存储都采用HDF5格式。 HDF5是一种用于存储科学数据的文 件格式和库文件， 它有一个强大而灵活的数据模块， 支持管理大于 2G 的数据文件， 并且支 持并行 IO。 0022 如图 4 所示， 信号采集模块包括信号调理电路和 AD 采集板。
16、， AD 采集板和数据采集 单元的单片机通过 SPI 总线进行数据传输， 每路传感器给配备一个相应的信号采集模块， 声级器检测的噪声信号声级器采样频率比较高， 所以单独占用一条 SPI 总线， 其他传感器 采用的数据挂载在一条 SPI 总线上， 从而实现对数据的同步采集。 0023 模拟信号采集分为直接电压 AD 采集、 电压源供电的微电压信号采集和电流源供 电的微电压信号采集， 振动、 照度和气体浓度为直接电压 AD 采集， 气压为电压源供电的微 电压信号采集， 声级器检测的噪声信号为电流源供电的微电压信号采集。 0024 (1) 直接电压 AD 采集 0025 直接电压 AD 采集电路设计。
17、相对简单， 只用把输入信号进行低通抗混滤波后进行 AD 采集即可。此处低通滤波器选用 MAXIM 的 MAX7410 来实现。由于所选传感器信号输出电 压均为 0-5V， 而主控芯片 ADC 基准电压为 3V， 所以需要将输出电压分压后再经过一个跟随 电路后采集， 跟随电路运算放大器采用 AD8031。 0026 (2) 电压源供电的微电压信号采集 0027 电压源供电的微电压信号采集由信号调理电路和直接电压 AD 采集电路组成。信 号调理电路可调理放大任何惠更斯桥路信号及类似信号。 0028 该调理电路通过两级运算放大器实现， 同时二级放大通过与一个 DAC 输出电压比 较， 从而适应最大范。
18、围的前端输入， 实现不失真情况下的最大放大倍数， 进而实现最高精 度。硬件电路中， 一级放大通过 AD8231 仪表放大器来实现， 二级放大电路通过普通双运算 放大器 OPA2347 来实现， 并加入电压跟随电路， 提高调理稳定性 ； 二级放大比较电压通过 DAC 器件 DAC7513 来提供。 0029 (3) 电流源供电的微电压信号采集 0030 电流源供电的微电压信号采集电路与电压源微电压信号采集电路比较相似， 只是 将前者一级和二级放大顺序调换。该调理电路在提供信号调理功能的同时还要提供恒流 源， 恒流源的提供通过 LT3092 来提供。同样， 电流源微电压信号经过调理后也要接入直接 。
19、电压 AD 采集电路， 并接入单片机进行信号采集。 0031 如图 2 所示的便携式分析仪采用 ARM+linux/Win CE 的形式， 包括 ARM 处理器、 无 线模块、 存储器、 键盘、 显示屏、 接口模块和电源模块， 无线模块、 存储器、 存储器、 键盘、 显示 屏、 接口模块和电源模块分别与 ARM 处理器连接， 存储器包括 RAM 和 ROM 存储器， 接口模块 包括 USB 和网络等接口， 检测系统采集的数据通过无线方式传输， 由便携式分析仪的无线 模块接收， 存储器保存数据， ARM 处理器实时计算广义舒适度并显示在显示屏上， 所有的数 据信息都可通过接口模块导出， 方便研究。
20、人员对数据进一步分析计算和研究。为了提高系 统的可扩展性， 便携式分析仪在硬件上留有可扩展的IO口， 在软件上留有API程序接口， 方 便对系统进行升级改造。 说 明 书 CN 102289008 A CN 102289021 A4/4 页 6 0032 便携式分析仪的设计， 主要是为了方便使用者远程管理及实时查看测试数据， 它 的存在可以是整个测试过程处于一个相对隐蔽的环境之中， 可以防止由于乘客围观造成的 车内秩序混乱及测试准确度影响。 其中的软件设计主要是依据下面的舒适度数据处理算法 来判断。 0033 系统基本工作流程如下 ： 0034 整个检测系统采用单片机控制， 人体模型上的传感器。
21、输出的信号经各自调理电路 处理后， 进入 AD 采集板转换成数字量并存储到大容量的存储器中， 通过无线发送到便携式 分析仪。每一路传感器配备有一块 AD 板， 这些 AD 板通过 SPI 总线的方式传输给 STM32 单 片机。其中噪声的采样频率比较高， 所以单独占用一条 SPI 总线。其他的各路信号则挂载 在一条 SPI 总线上。从而实现对数据的同步采集。检测系统采用低功耗设计， 使用大容量 可充电锂电池供电， 当不进行采集操作时可控制其进入休眠状态， 从而保证检测系统长时 间的工作。 0035 STM32 单片机通过 SPI 总线对信号采集模块的参数进行设置， 并通过 SPI 总线采 集到。
22、传感器的信号后， 所有采集的数据都以文件的形式存储到 SD 卡存储器中， 并可以通过 USB 接口读取采集的原始数据。STM32 还要对数据进行组织并通过无线网络发送到便携式 分析仪。 对数据进行组织实际上就是协调整理各路数据， 特别是高采样率的数据， 以便于传 输。 0036 舒适度数据处理算法分为分项舒适度算法和广义舒适度算法， 分项舒适度算法按 照各个物理量的现行标准计算， 广义舒适度NNi*Wi； 式中Ni为各个分项舒适度等级值， Wi为其广义舒适度加权系数。 说 明 书 CN 102289008 A CN 102289021 A1/2 页 7 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 102289008 A CN 102289021 A2/2 页 8 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 102289008 A 。