崔志斌，鄔芝權(quán)，翟 旭

（西南交通大學(xué)峨眉校區(qū) 計(jì)算機(jī)與通信工程系，峨眉山 614202）

智能鐵鞋聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)研究與應(yīng)用

崔志斌，鄔芝權(quán)，翟 旭

（西南交通大學(xué)峨眉校區(qū) 計(jì)算機(jī)與通信工程系，峨眉山 614202）

采用電子技術(shù)手段，對(duì)鐵鞋狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)機(jī)車進(jìn)行輔助控制，有效解決鐵路防溜鐵鞋安全隱患。針對(duì)目前有關(guān)鐵鞋的各項(xiàng)監(jiān)控措施繁多卻收效欠佳的情況，采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)使多個(gè)鐵鞋聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)，在異常情況下會(huì)給出報(bào)警信號(hào)并切斷機(jī)車動(dòng)力，確保機(jī)車安全。該系統(tǒng)實(shí)用性強(qiáng)，經(jīng)濟(jì)性好，為鐵路部門有效監(jiān)管鐵鞋提供了很好的借鑒方案。

鐵鞋；物聯(lián)網(wǎng)；智能；監(jiān)控

鐵鞋是鐵路運(yùn)輸生產(chǎn)中一種應(yīng)用非常廣泛的防溜設(shè)備。特別是國(guó)內(nèi)鐵路，鐵鞋是目前動(dòng)態(tài)防溜措施中的首選設(shè)備[1]。由于傳統(tǒng)的鐵鞋均是由人工放置、撤除，其放置地點(diǎn)遠(yuǎn)離車站值班室，難以有效監(jiān)控，因而容易發(fā)生事故，鐵鞋監(jiān)控是鐵路防溜安全管理中的一個(gè)難點(diǎn)[2]。本文提出了一種新型的車載多路無線智能鐵鞋監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)安置于機(jī)車的駕駛室，分為車載可視化鐵鞋監(jiān)控報(bào)警設(shè)備和鐵鞋實(shí)時(shí)信號(hào)采集鐵鞋架[3]。二者在開啟后協(xié)同工作，由鐵鞋架將鐵鞋的實(shí)時(shí)信號(hào)傳送給監(jiān)控設(shè)備做進(jìn)一步分析與處理，當(dāng)鐵鞋在鐵鞋架上時(shí)，鐵鞋架將鐵鞋在位信號(hào)發(fā)送給監(jiān)控設(shè)備，設(shè)備此時(shí)顯示鐵鞋在位一切正常；如果遇到鐵鞋不在位的情況，監(jiān)控設(shè)備立即產(chǎn)生聲音警報(bào)，并且及時(shí)通過繼電器切斷機(jī)車的電力系統(tǒng)，讓機(jī)車無法啟動(dòng)，從而有效避免事故的發(fā)生。

1 智能鐵鞋監(jiān)控系統(tǒng)的工作原理

每臺(tái)設(shè)備的中央處理單元通過檢測(cè)鐵鞋架上行程開關(guān)傳來的電平信號(hào)對(duì)鐵鞋是否在位進(jìn)行監(jiān)控。當(dāng)鐵鞋不在位時(shí)，行程開關(guān)傳來持續(xù)的低電平信號(hào)，設(shè)備檢測(cè)到鐵鞋不在位的低電平信號(hào)后發(fā)出聲音警報(bào)，并將報(bào)警信號(hào)通過無線收發(fā)模塊發(fā)送給其他機(jī)車上的設(shè)備，最終觸發(fā)多臺(tái)設(shè)備聯(lián)合報(bào)警機(jī)制；另外設(shè)備還可實(shí)現(xiàn)在觸發(fā)報(bào)警的同時(shí)切斷機(jī)車動(dòng)力。系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)工作原理

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

完整的多路無線智能鐵鞋監(jiān)控系統(tǒng)包括1臺(tái)主設(shè)備和若干臺(tái)從設(shè)備。它們之間相互級(jí)聯(lián)組網(wǎng)，共同完成一個(gè)車隊(duì)當(dāng)中多臺(tái)機(jī)車鐵鞋的聯(lián)合監(jiān)控任務(wù)。系統(tǒng)框架如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)框架圖

2.2 系統(tǒng)單個(gè)車載設(shè)備構(gòu)成

系統(tǒng)車載設(shè)備的主要功能是：實(shí)現(xiàn)多臺(tái)車載鐵鞋監(jiān)控設(shè)備的級(jí)聯(lián)組網(wǎng)，對(duì)鐵鞋架上傳來的鐵鞋實(shí)時(shí)信號(hào)進(jìn)行分析與處理，從而判斷本臺(tái)機(jī)車的鐵鞋是否全部都在位，如果不在位，則在產(chǎn)生聲音警報(bào)的同時(shí)切斷機(jī)車的動(dòng)力系統(tǒng)，從而防止事故的發(fā)生[4]。單個(gè)車載設(shè)備采用機(jī)車內(nèi)部供電系統(tǒng)的供電方案。其硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 單個(gè)設(shè)備硬件結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 ZigBee組網(wǎng)形式概述

系統(tǒng)選用ZigBee技術(shù)作為車載設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o線技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)有：組網(wǎng)靈活，低功耗，低成本，短延時(shí)，高容量，高安全性。

ZigBee組網(wǎng)十分靈活，可以組成星狀、樹（簇）狀和網(wǎng)絡(luò)狀的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖4所示。在每一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)當(dāng)中都由一臺(tái)協(xié)調(diào)器和若干臺(tái)路由器、終端節(jié)點(diǎn)組成。而在每種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫椭卸加悬c(diǎn)播、組播和廣播3種數(shù)據(jù)傳輸模式。

圖4 ZigBee網(wǎng)絡(luò)3種拓?fù)湫问?/p>

3.2 系統(tǒng)組網(wǎng)設(shè)計(jì)

根據(jù)本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸特點(diǎn)和要求，系統(tǒng)組網(wǎng)方式為網(wǎng)狀型，數(shù)據(jù)傳輸方式為組播方式。采用該種方案的好處是可以實(shí)現(xiàn)多臺(tái)設(shè)備的自由組網(wǎng)并且組成的網(wǎng)絡(luò)為同一網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)下的局域網(wǎng)，受外界干擾小[6]。系統(tǒng)信號(hào)流圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)信號(hào)流圖

整個(gè)系統(tǒng)啟動(dòng)之后：（1）人工將系統(tǒng)當(dāng)中的一臺(tái)車載系統(tǒng)通過主機(jī)請(qǐng)求按鍵配置為協(xié)調(diào)器，其余車載設(shè)備均是路由器，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中沒有設(shè)置終端節(jié)點(diǎn)。（2）協(xié)調(diào)器通過組播的方式建立起一個(gè)有著固定網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)的局域網(wǎng)，之后等待其他車載設(shè)備加入這個(gè)局域網(wǎng)，其他設(shè)備通過相應(yīng)的組播協(xié)議加入局域網(wǎng)中。（3）在局域網(wǎng)中的所有設(shè)備都將機(jī)車鐵鞋實(shí)時(shí)信息發(fā)布到局域網(wǎng)之中，信息在局域網(wǎng)中動(dòng)態(tài)流動(dòng)。如果其中一臺(tái)設(shè)備檢測(cè)到鐵鞋異常，則會(huì)將異常信息發(fā)送至局域網(wǎng)之中，其余的設(shè)備都將會(huì)產(chǎn)生報(bào)警并切斷機(jī)車的動(dòng)力系統(tǒng)[5]。從而讓相應(yīng)的機(jī)車駕駛員檢修該機(jī)車的鐵鞋。

3.3 系統(tǒng)程序流程

圖6為系統(tǒng)程序執(zhí)行流程。系統(tǒng)上電復(fù)位后主機(jī)首先搜索網(wǎng)絡(luò)中的其余從機(jī)，如果順利搜索到則會(huì)進(jìn)行自身的初始化同時(shí)檢測(cè)本機(jī)的鐵鞋狀態(tài)。隨后網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的所有鐵鞋檢測(cè)設(shè)備均將本機(jī)的鐵鞋狀態(tài)在網(wǎng)絡(luò)中傳遞，如果其中一臺(tái)設(shè)備檢測(cè)的鐵鞋狀態(tài)異常則會(huì)發(fā)出警報(bào)并切斷機(jī)車動(dòng)力。

圖6 系統(tǒng)程序流程圖

4 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)測(cè)試包含兩個(gè)部分：（1）系統(tǒng)室內(nèi)基本功能測(cè)試，測(cè)試內(nèi)容主要考察系統(tǒng)預(yù)期功能的實(shí)現(xiàn)情況以及在系統(tǒng)運(yùn)行過程中的異常狀況等；（2）系統(tǒng)室外可靠性測(cè)試，測(cè)試內(nèi)容主要為考察系統(tǒng)在室外真實(shí)鐵路環(huán)境下無線傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

4.1 系統(tǒng)室內(nèi)測(cè)試

系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試主要包含系統(tǒng)硬件焊接、組裝、調(diào)試完成以后進(jìn)行基本功能測(cè)試，圖7為系統(tǒng)的功能測(cè)試圖，測(cè)試結(jié)果如下：

（1）系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)在任一號(hào)位可監(jiān)控多個(gè)號(hào)位的安全情況，一旦鐵鞋未歸位，蜂鳴器發(fā)聲報(bào)警，同時(shí)顯示模塊顯示相應(yīng)的防護(hù)地點(diǎn)；（2）網(wǎng)絡(luò)中任意一臺(tái)設(shè)備接收到報(bào)警信號(hào)，均能夠?qū)崿F(xiàn)由設(shè)備內(nèi)部集成的繼電器切斷機(jī)車動(dòng)力；（3）從設(shè)備可以任意加入網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)報(bào)警路數(shù)可根據(jù)需要任意設(shè)定的功能，通過插拔電源的便捷方式實(shí)現(xiàn)，而路數(shù)任意增減后對(duì)整個(gè)報(bào)警系統(tǒng)無影響； （4）“復(fù)位”開關(guān)正常工作，當(dāng)確認(rèn)某一路報(bào)警為誤報(bào)時(shí)，將按下復(fù)位開關(guān)后系統(tǒng)重啟。

圖7 系統(tǒng)功能測(cè)試圖

4.2 系統(tǒng)室外測(cè)試

系統(tǒng)室外測(cè)試的目的為測(cè)試設(shè)備室外無線傳輸?shù)姆€(wěn)定性。測(cè)試環(huán)境為校內(nèi)鐵路實(shí)習(xí)基地，基地內(nèi)有真實(shí)鐵軌環(huán)境，總長(zhǎng)200 m，測(cè)試環(huán)境如圖8所示。測(cè)試過程中一共進(jìn)行了6組測(cè)試，每組測(cè)試3次，最終得到表1的測(cè)試結(jié)果。

測(cè)試結(jié)論：當(dāng)條件為晴朗天氣、微風(fēng)、空曠的場(chǎng)地時(shí)，系統(tǒng)各個(gè)設(shè)備之間的通信基本正常。其中，在距離為50 m的測(cè)試條件下，通信成功率（延遲也算通信成功）保持在94.4%，100 m條件下，通信成功率為88.9%，即使在150 m的測(cè)試條件下，通信的成功率依舊保持在88.9%。由此可見，本系統(tǒng)的室外無線通信能力穩(wěn)定、可靠。

在實(shí)際的大型養(yǎng)路機(jī)械編組站中，通常情況下2～3臺(tái)大機(jī)為一個(gè)編組，普通大機(jī)的換長(zhǎng)為27.5 m。

而在室外實(shí)地測(cè)試當(dāng)中系統(tǒng)的穩(wěn)定無線通信距離也保持在了200 m以上，說明系統(tǒng)具有較高的無線通信可靠性，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

如果遇到編組大機(jī)較多的情況，還可以依托ZigBee靈活的組網(wǎng)方式進(jìn)行通信橋接，將其中1～2臺(tái)設(shè)備設(shè)置成為路由器模式，作為信號(hào)的中繼站，從而保證局域網(wǎng)中的信號(hào)強(qiáng)度，為編組更多的大機(jī)提供可能。

圖8 系統(tǒng)測(cè)試環(huán)境

表1 系統(tǒng)室外通信測(cè)試記錄表

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了基于ZigBee無線通信技術(shù)的智能鐵鞋聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)具有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：（1）系統(tǒng)可靠性高，采用先進(jìn)的微控制器，性能卓越，抗干擾性好，誤報(bào)率極低。（2）系統(tǒng)功能完備，既能實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能，又能實(shí)現(xiàn)與機(jī)車動(dòng)力控制系統(tǒng)聯(lián)鎖，解決了非本務(wù)機(jī)壓鐵鞋動(dòng)車的設(shè)計(jì)難題。（3）擁有很強(qiáng)的拓展性，系統(tǒng)的監(jiān)控報(bào)警路數(shù)可任意增減，適用于任意車輛數(shù)組成的車隊(duì)，可有效防止多臺(tái)機(jī)車壓鐵鞋的情況發(fā)生，使原有的人工監(jiān)控鐵鞋的方式變得更加簡(jiǎn)單、智能、高效。系統(tǒng)分別在室內(nèi)與室外進(jìn)行了實(shí)地的通信實(shí)驗(yàn)，證明該系統(tǒng)運(yùn)用于鐵路現(xiàn)場(chǎng)的可行性，具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

[1]葛 維. 基于ZigBee技術(shù)的鐵路智能鐵鞋研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2011.

[2]姜洪偉. 基于無線通信技術(shù)的防溜鐵鞋監(jiān)控系統(tǒng)[D].上海：上海交通大學(xué)，2012.

[3]鄭云水，常樹賢，成利剛. 基于Zig Bee定位的鐵鞋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J]. 傳感器與微系統(tǒng)，2012（10）：75-77，80.

[4]馬 飛，鄭云水. 基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的智能鐵鞋系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2012（12）：26-28.

[5]李林貴. 關(guān)于防溜鐵鞋實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的探討[J]. 黑龍江科技信息，2013（35）：204-205.

[6]陳所利. 制動(dòng)鐵鞋的改進(jìn)[J]. 哈爾濱鐵道科技，2010（2）.

責(zé)任編輯 方 圓

Intelligent Iron Shoes Online Monitoring System

CUI Zhibin, WU Zhiquan, ZHAI Xu
( Department of Computer and Communication Engineering, Southwest Jiaotong University, Emeishan 614202, China )

The electronic technology was applied to monitor the iron shoes state, make auxiliary control for the locomotive, effectively solve the hidden danger of railway anti-running iron shoes. In view of the present monitoring measures about iron shoes and less effective, the Internet of Things enabled multiple iron shoes to be networked monitoring, send out alarm signal and to cut off the locomotive power under exceptional cases, ensure the security of the locomotive. The System was practical, economical and effective, provided a good reference of iron shoes management for railway department.

iron shoes; Internet of Things; intelligent; monitoring

U260.37∶TP39

A

1005-8451（2015）12-0005-04

2015-03-11

教育部春暉計(jì)劃科研合作項(xiàng)目（22014044）。

崔志斌，在讀本科生；鄔芝權(quán)，實(shí)驗(yàn)師。