任 強(qiáng)

（哈爾濱鐵路局調(diào)度所，黑龍江 哈爾濱 15000066）

1 引 言

鐵路編組站減速頂調(diào)速設(shè)備的保養(yǎng)維護(hù)是確保編組站正常運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)，一般情況下，其維護(hù)工作都是在調(diào)車機(jī)運(yùn)用的間隙進(jìn)行的，因而對(duì)車輛溜放到來的預(yù)警就成為施工過程中必不可少的組成部分。按照當(dāng)前車輛的溜放速度，要求股道來車，就應(yīng)該通知施工人員及施工器械下線避讓。長期以來鐵路普遍使用人工值守預(yù)警的方法，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，可靠性不高。近年來也出現(xiàn)過一些自動(dòng)預(yù)警裝置，但相對(duì)于鐵路編組場復(fù)雜的環(huán)境，其適用性常受到一定限制。因此尋求一種更加切實(shí)可行的預(yù)警方案，來較好地解決現(xiàn)階段面臨的問題，對(duì)編組站的安全運(yùn)行具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

從施工現(xiàn)場看，該預(yù)警裝置應(yīng)具備以下特性：

⑴極高的可靠性?？煽啃允氰F路運(yùn)行中最為強(qiáng)調(diào)的參數(shù)，是保證鐵路安全運(yùn)行的生命，可以誤報(bào)，不能漏報(bào)是本行業(yè)中普遍公認(rèn)的行規(guī)，同時(shí)也是對(duì)可靠性定義的另一種詮釋。

⑵良好的便攜性。從施工的性質(zhì)決定了該預(yù)警裝置一定要是一個(gè)便攜裝置，施工開始時(shí)布防，施工完成后拆除，其本身體積要小，重量要輕，安裝要方便，操作要簡便。

⑶大于1000m的傳輸要求。為了在車輛到達(dá)施工點(diǎn)時(shí)施工人員有足夠的時(shí)間下線避讓，施工點(diǎn)與檢測車輛的傳感器安放點(diǎn)的距離一定要足夠。

⑷較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性。鐵路編組站內(nèi)電磁環(huán)境復(fù)雜，又有車輛的遮擋，要做到能在各種環(huán)境下保證預(yù)警的可靠性。

⑸低功耗。由于預(yù)警器應(yīng)具備便攜的特點(diǎn)及施工現(xiàn)場條件所限，設(shè)備的電源供給只能用電池供電，為了增加電池的連續(xù)工作時(shí)間，電路的低功耗設(shè)計(jì)必須要考慮。

⑹具有聲光報(bào)警功能。

⑺能記錄報(bào)警點(diǎn)的信息，方便日后查詢裝置可存儲(chǔ)5000多個(gè)報(bào)警點(diǎn)數(shù)據(jù)，方便日后查詢或?qū)θ蘸筘?zé)任的認(rèn)定提供證據(jù)。

上述第3條，是項(xiàng)目設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)，根據(jù)施工現(xiàn)場客觀條件，只能選擇無線通訊的方式傳遞報(bào)警信號(hào)?，F(xiàn)有的無線通訊技術(shù)中，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)技術(shù)在生產(chǎn)實(shí)踐中得到廣泛的應(yīng)用。但這樣的一種通信方式對(duì)該預(yù)警系統(tǒng)的應(yīng)用有許多限制，如通信距離1000m以上意味著需要比較大的發(fā)射功率或者要配置高增益天線，而這些條件肯定會(huì)增大裝置的體積重量，對(duì)實(shí)際使用帶來不便或根本就不具備實(shí)用性。如果再考慮車輛等的遮擋，其運(yùn)行效果會(huì)更糟糕。本設(shè)計(jì)采用基于Zigbee 協(xié)議的由DIGI公司制造的Xbee pro series2超遠(yuǎn)距離無線模塊，由其組成PAN(無線個(gè)域網(wǎng))來完成遠(yuǎn)端信息的傳輸。

2 Xbee pro series2模塊簡介

Zigbee是一種新興的短距離、低速率的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，最初應(yīng)用于傳感器之間的近距離無線連接，它基于IEEE 802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，在數(shù)千個(gè)微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)通信，這些傳感器只需要很少的能量，以接力的方式通過無線電波將數(shù)據(jù)從一個(gè)傳感器傳到另一個(gè)傳感器，所以它們的通信效率非常高。Zigbee是一個(gè)由可多到65000個(gè)無線數(shù)傳模塊組成的一個(gè)無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，十分類似現(xiàn)有的移動(dòng)通信的CDMA網(wǎng)或GSM網(wǎng)。每一個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)數(shù)傳模塊類似的一個(gè)基站，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，它們之間可以進(jìn)行相互通信。每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的距離可以從標(biāo)準(zhǔn)的75m，到擴(kuò)展后的幾百米，甚至幾公里；另外整個(gè)Zigbee 網(wǎng)絡(luò)還可以與現(xiàn)有的其它的各種網(wǎng)絡(luò)連接。

通常，符合如下條件之一的應(yīng)用，就可以考慮采用Zigbee技術(shù)做無線傳輸：需要數(shù)據(jù)采集或監(jiān)控的網(wǎng)點(diǎn)多；要求傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不大，而要求設(shè)備成本低；要求數(shù)據(jù)傳輸可性高，安全性高；由于設(shè)備體積很小，不便放置較大的充電電池或者電源模塊；采用電池供電；地形復(fù)雜，監(jiān)測點(diǎn)多，需要較大的網(wǎng)絡(luò)覆蓋；現(xiàn)有移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋盲區(qū)；使用現(xiàn)存移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行低數(shù)據(jù)量傳輸?shù)倪b測遙控系統(tǒng)。

Xbee pro series2模塊是美國DIGI公司基于Zigbee技術(shù)，專為超遠(yuǎn)程，低數(shù)據(jù)傳輸率，高可靠性，低功耗應(yīng)用而設(shè)計(jì)的無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，在工業(yè)自動(dòng)化控制及電力配電系統(tǒng)中獲得了廣泛的應(yīng)用，該模塊主要性能如下：

工作頻率2.4G,通訊距離1.6 km（明視距離），發(fā)射功率100mW(20dBm)，發(fā)射狀態(tài)電流295mA(@3.3V，接收狀態(tài)電流45mA(@3.3V，接收靈敏度-102dBm，RF數(shù)據(jù)傳輸率250,000bps，兼容TTL電平的異步通訊接口，模塊可工作于基于AT命令的透明傳輸模式和基于幀結(jié)構(gòu)的API傳輸模式。在由一定數(shù)目的模塊構(gòu)成的Zigbee網(wǎng)絡(luò)中，必須指定一個(gè)模塊為協(xié)調(diào)器才能啟動(dòng)該網(wǎng)絡(luò)，其余模塊可根據(jù)其在網(wǎng)絡(luò)中的作用分別設(shè)定成路由器或設(shè)備終端，被稱為路由器的模塊具有中繼功能。可通過DIGI公司X-CTU軟件將模塊方便地設(shè)置成協(xié)調(diào)器、路由器或設(shè)備終端。

每一模塊具有一個(gè)64位（8字節(jié)）唯一地址和16位（2字節(jié)）網(wǎng)絡(luò)地址，模塊之間的所有數(shù)據(jù)的傳輸都依賴于唯一地址或網(wǎng)絡(luò)地址。被定義為協(xié)調(diào)器的模塊，其網(wǎng)絡(luò)地址為0x0000。

將16進(jìn)制數(shù)據(jù)“0x01 0x02 0x03 0x04”發(fā)送到地址為“0013A20040552B10”的模塊的API數(shù)據(jù)包為：“0x7E，0x00，0x12，0x10，0x00，0x00，0x13，0xA2，0x00，0x40，0x55，0x2B，0x10，0xFF，0xFE，0x00，0x00，0x01，0x02，0x03，0x04，0x63”。

一個(gè)典型的API 數(shù)據(jù)接收包為：“0x7E，0x00，0x10，0x90，0x00，0x13，0xA2，0x00，0x40，0x3A，0x5B，0x97，0x03，0xD3，0x00，0x74(T)，0x65(E)，0x73(S)，0x74(T)，0xB8”，它表示的意義是：該數(shù)據(jù)為一個(gè)API 接收包，包的數(shù)據(jù)長度為16字節(jié)，該包由地址為“0013A200403A5B97”的模塊發(fā)出，數(shù)據(jù)內(nèi)容為“test”。該模塊被封裝成20 腳雙列直插結(jié)構(gòu)。

3 系統(tǒng)構(gòu)成及功能

系統(tǒng)由傳感器終端，具有中繼功能的路由器和報(bào)警主機(jī)三部分構(gòu)成。通過基于Zigbee技術(shù)的Xbee pro series2 模塊組成的個(gè)域網(wǎng)（PAN）將其聯(lián)系起來。傳感器終端負(fù)責(zé)檢測車輛到來信號(hào)并以報(bào)警主機(jī)的64位模塊地址為目標(biāo)地址發(fā)送信息到報(bào)警主機(jī)，主機(jī)接收到車輛到來信號(hào)后，用聲光方式告知工作人員，并對(duì)報(bào)警開始時(shí)間和確認(rèn)時(shí)間進(jìn)行記錄存儲(chǔ)。在現(xiàn)場使用中遇到信號(hào)強(qiáng)干擾導(dǎo)致通訊距離不夠時(shí)，可在適當(dāng)?shù)牡胤皆黾勇酚善鞅ＷC通訊的暢通。為了現(xiàn)場的使用方便，傳感器終端、路由器及報(bào)警主機(jī)都進(jìn)行了低功耗設(shè)計(jì)，對(duì)體積和重量采用最優(yōu)化處理。傳感器終端和路由器可工作在實(shí)驗(yàn)和運(yùn)行兩種狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)狀態(tài)主要是拉距離時(shí)可從訊響器的聲音知道通信是否正常，這點(diǎn)對(duì)于決定路由器及傳感器的放置點(diǎn)非常方便。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 預(yù)警系統(tǒng)從駝峰加速坡到編組場尾部的設(shè)備布置圖

4 系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)

4.1 報(bào)警主機(jī)

報(bào)警主機(jī)作為報(bào)警網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)器，協(xié)調(diào)與其它模塊的通訊，見圖2。其主要功能如下：

⑴在開始布區(qū)時(shí)，接收路由器或傳感器終端發(fā)來的tset信號(hào)，并發(fā)送應(yīng)答信號(hào)。接收到路由器或傳感器終端的運(yùn)行信號(hào)后，若該報(bào)警器主機(jī)是第一次應(yīng)用或是在網(wǎng)絡(luò)復(fù)位情況下應(yīng)用，則路由器或傳感器終端在由test狀態(tài)切換到運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，將該節(jié)點(diǎn)的64位模塊地址依照其實(shí)驗(yàn)順序進(jìn)行記錄，以供以后定位通訊故障做依據(jù)。當(dāng)檢測到上述狀態(tài)的切換是傳感器終端發(fā)出的，該路由布區(qū)狀態(tài)進(jìn)入監(jiān)控報(bào)警狀態(tài)。

⑵在監(jiān)控報(bào)警狀態(tài)，當(dāng)檢測到傳感器終端發(fā)來的車輛到來信號(hào)后，啟動(dòng)高分貝訊響器及高亮度發(fā)光管報(bào)警，并記錄車輛到來的日期時(shí)間，報(bào)警時(shí)間持續(xù)到確認(rèn)鍵按下結(jié)束。在沒有車輛到來信號(hào)時(shí)，報(bào)警主機(jī)每5秒給傳感器終端發(fā)送一次心跳信號(hào)并等待返回信號(hào)。如果收到返回信號(hào)，表示通信鏈路正常，否則，查詢是哪個(gè)路由器節(jié)點(diǎn)通訊不正常。最終在顯示屏上顯示出來并以聲光信號(hào)報(bào)警。

⑶存儲(chǔ)5000點(diǎn)的報(bào)警數(shù)據(jù)，可在主機(jī)液晶屏上查詢。

⑷報(bào)警主機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)考慮到系統(tǒng)運(yùn)行在μCOSⅡ，微控制器選用C8051F340。由于它內(nèi)嵌64K程序存儲(chǔ)器和4KRAM及豐富的外設(shè)功能，僅需少量的外部芯片即可滿足設(shè)計(jì)要求。和無線模塊的通訊采用UART0，顯示單元用PCF8576驅(qū)動(dòng)字段式液晶屏，時(shí)鐘電路芯片選用PCF8583。AT24C1024用來存儲(chǔ)報(bào)警點(diǎn)數(shù)據(jù)，它們都通過C線和微控制器交換數(shù)據(jù)。

電源管理單元主要完成系統(tǒng)中電源的調(diào)理，內(nèi)容包括對(duì)單節(jié)鋰電池的穩(wěn)壓和12V升壓。系統(tǒng)主電路所需電壓為3.3V。為了盡可能的提高電池的利用率，選用了壓差為140mV的TC1262低壓差穩(wěn)壓器為系統(tǒng)的主穩(wěn)壓器。升壓用DC/DC變換器，給報(bào)警單元提供足夠的功率，保證其有一定的響度。

⑸報(bào)警單元受微控制器和主機(jī)監(jiān)控電路的雙重控制，主機(jī)監(jiān)控電路由X25045芯片完成。當(dāng)報(bào)警主機(jī)系統(tǒng)正常工作時(shí)，每隔一定時(shí)間會(huì)發(fā)出一個(gè)脈沖對(duì)芯片中的看門狗定時(shí)器復(fù)位。芯片輸出低電平，當(dāng)報(bào)警主機(jī)系統(tǒng)有問題時(shí)，將導(dǎo)致芯片相應(yīng)管腳輸出高電位驅(qū)動(dòng)訊響器發(fā)聲。

圖2 報(bào)警主機(jī)

4.2 傳感器終端

傳感器終端主要完成對(duì)車輛到來的信號(hào)的檢測，并將該信號(hào)進(jìn)行抗干擾處理，通過無線模塊發(fā)送到報(bào)警主機(jī)。車輛到來信號(hào)的拾取采用金屬探測器原理，見圖3。利用鋼軌上安裝的金屬探測模塊，當(dāng)車輛車輪掃過探測器表面時(shí)，輸出一個(gè)低電平信號(hào)給微控制器。為了提高可靠性，采用兩個(gè)金屬探測模塊并行工作的方式，防止單一傳感器故障時(shí)漏報(bào)信號(hào)，當(dāng)其中一個(gè)探測模塊有問題時(shí)，除了給報(bào)警主機(jī)發(fā)送車輛到達(dá)的信息外，同時(shí)還發(fā)送相關(guān)探測模塊的故障信號(hào)。

圖3 傳感器終端

4.3 中繼路由器

它主要由微控制器、Zigbee模塊和電源管理模塊構(gòu)成。在系統(tǒng)中主要作為中繼模塊使用。和傳感器終端一樣，它同樣工作在試驗(yàn)和運(yùn)行兩種狀態(tài)，拉距離在試驗(yàn)狀態(tài)，正常工作在運(yùn)行狀態(tài)。

5 測試結(jié)果

測試條件：溫度12℃，傳感器終端2個(gè)，報(bào)警主機(jī)與傳感器終端相距800m，測試車輛15鉤，報(bào)警準(zhǔn)確無誤。從現(xiàn)場測試情況看，模塊與模塊之間的擺放位置很重要，要盡可能使模塊之間處于明視狀態(tài)，否則，會(huì)縮短通訊距離。在復(fù)雜環(huán)境中，如股道內(nèi)車輛比較多等情況下，只要適當(dāng)增加路由節(jié)點(diǎn)數(shù)量即可保證使用要求。用內(nèi)帶的電池在充滿電的條件下，最長連續(xù)工作時(shí)間可達(dá)40小時(shí)。在系統(tǒng)本身發(fā)生故障的情況下，能給使用者提供相應(yīng)設(shè)備的故障報(bào)警信號(hào)。