采用單片機(jī)和GPRS的礦區(qū)鐵路道口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文以 Atmega128和MC55為核心，設(shè)計(jì)一套鐵路道口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵路道口監(jiān)測(cè)管理的自動(dòng)化、數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化。這對(duì)保證礦區(qū)正常生產(chǎn)、提高礦山企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和通過(guò)道口車(chē)輛、行人安全具有重要意義。

 系統(tǒng)組成

　　整個(gè)系統(tǒng)由道口監(jiān)控中心組成。從功能上分，該系統(tǒng)可分為信號(hào)采集部分、道口部分、信號(hào)傳輸和發(fā)送部分以及道口監(jiān)控中心５個(gè)部分。圖１以其中的一個(gè)道口為例，給出簡(jiǎn)化后的系統(tǒng)總體框圖。

　　1 )信號(hào)采集部分

　　信號(hào)采集部分主要用于采集列車(chē)接近及離去信號(hào)，為自動(dòng)實(shí)現(xiàn)收放護(hù)欄提供決策信號(hào)。目前道口系統(tǒng)中有采用振動(dòng)傳感器、射頻傳感器,GPS+ ARM+GPRS、視頻監(jiān)控設(shè)備或踏板開(kāi)關(guān)等幾種方式檢測(cè)來(lái)車(chē)信號(hào)，它們各有優(yōu)缺點(diǎn)。本系統(tǒng)中信號(hào)采集部分由4個(gè)磁電傳感器組成，分別成對(duì)的放置在道口兩側(cè)的鋼軌內(nèi)側(cè)。 當(dāng)有列車(chē)經(jīng)過(guò)該置時(shí)，磁電傳感器可檢測(cè)到來(lái)車(chē)信號(hào)，經(jīng)放大電路和A/D轉(zhuǎn)換電路后，直接發(fā)送到單片機(jī) Atmega128。

　　2) 道口部分

　　道口部分設(shè)道口信號(hào)機(jī)、聲光報(bào)警器和欄木裝置各2套，分別用來(lái)指示火車(chē)即將到達(dá)信號(hào)、聲光報(bào)警和執(zhí)行放桿操作。在道口設(shè)置自動(dòng)控制箱，既可由礦區(qū)道口監(jiān)控室中心的PC機(jī)遠(yuǎn)程控制各裝置動(dòng)作，也可由操作人員在現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)操作。報(bào)警器由音響電路板、筒式揚(yáng)聲器及回轉(zhuǎn)警示燈組成，用來(lái)提醒來(lái)往車(chē)輛司機(jī)及過(guò)往行人注意安全不要搶道。

　　3) 信號(hào)傳輸和發(fā)送部分

　　磁電傳感器安裝在距道口500 m左右處，當(dāng)它檢測(cè)到來(lái)車(chē)信號(hào)后，通過(guò)銅軸電纜將信號(hào)傳送至道口自動(dòng)控制箱內(nèi)的單片機(jī)Atmega128。MC55是信號(hào)發(fā)送的主要設(shè)備，它將單片機(jī)采集到的數(shù)據(jù)打包后通過(guò)GＰRS網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)降V區(qū)道口監(jiān)控中心，由道口監(jiān)控中心對(duì)數(shù)據(jù)做進(jìn)一步的分析處理。

　 4)　礦區(qū)道口監(jiān)控中心部分

　　礦區(qū)道口監(jiān)控中心設(shè)ＰＣ機(jī)1臺(tái)，主要用于接收各道口列車(chē)運(yùn)行狀態(tài)的數(shù)據(jù)。該監(jiān)控中心采用動(dòng)態(tài)IP結(jié)合DNS域名解析組網(wǎng)方式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)道口的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。這種方式首先需要聯(lián)系DNS服務(wù)商，為監(jiān)控中心申請(qǐng)1個(gè)域名，把這個(gè)域名寫(xiě)入單片機(jī)Atmega128中。監(jiān)控中心接入Internet后，與DNS服務(wù)器進(jìn)行連接，將當(dāng)前獲得的動(dòng)態(tài)IP報(bào)告給DNS服務(wù)器，再由DNS服務(wù)器找到監(jiān)控中心公網(wǎng)動(dòng)態(tài)IP，這樣就可以在兩者之間建立通訊連接。

　  系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要是指道口控制部分硬件設(shè)計(jì)，按照信號(hào)流程大體可以分為三個(gè)硬件模塊，即傳感器信號(hào)放大和Ａ/Ｄ轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)、單片機(jī)Atmega128與MC55接口設(shè)計(jì)以及驅(qū)動(dòng)

　　現(xiàn)場(chǎng)各種設(shè)備接口電路設(shè)計(jì)，其中Atmega128與MC55接口電路是該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和特色。圖２給出以該接口電路為核心的監(jiān)測(cè)站硬件系統(tǒng)電路圖。ATmega128L和MC55都有標(biāo)準(zhǔn)的RS232接口，因此硬件設(shè)計(jì)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，只需把Atmega128L的PE5與MC55的 IGT相連，用于啟動(dòng)MC55模塊，Atmega128L的TX0/RX0與MC55的TX0/RX0相連，進(jìn)行數(shù)據(jù)的輸入輸出；MC55的RING0接從ATmega128L的中斷線，作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹袛嘈盘?hào)。Atmega128是Atmel公司推出的８位高性能單片機(jī)，片內(nèi)具有128KＢ的程序存儲(chǔ)器, 4KB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，4KB的EEPROM，有8個(gè)10位ADC通道、2個(gè)8位和2個(gè)16位硬件定時(shí)J計(jì)數(shù)器,8個(gè)PWM通道，具有可編程看門(mén)狗定時(shí)器和片上振蕩器、片上模擬比較器、JTAG、UART、SPI,和I2C總線等接口以及六種可以通過(guò)軟件選擇的省電模式。本設(shè)計(jì)中，ATmega128L是整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)核心，主要完成信號(hào)的傳感器信號(hào)采集、軟件濾波、數(shù)據(jù)運(yùn)算及各種控制功能。M C55是西門(mén)子公司生產(chǎn)的GPRS二頻模塊，它除了具有GSM模塊原有的功能外還支持分組業(yè)務(wù)功能，內(nèi)嵌了TCP/IP協(xié)議；它的數(shù)據(jù)輸入/輸出接口實(shí)際上是一個(gè)串行異步收發(fā)器，符合RS232接口標(biāo)準(zhǔn)，且有固定的參數(shù)：8位數(shù)據(jù)位和1位停止位，無(wú)校驗(yàn)位。它與 Atmega128協(xié)同工作，共同完成數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸。

　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　采用模塊化的軟件設(shè)計(jì)，將軟件分成若干相對(duì)的獨(dú)立的功能模塊，并為各模塊安排適當(dāng)?shù)娜肟诤统隹趨?shù)，使得模塊之間的相互連接,組合靈活方便。整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要由道口自動(dòng)控制子系統(tǒng)和礦區(qū)監(jiān)控中心子系統(tǒng)組成。

　　1) 道口自動(dòng)控制軟件設(shè)計(jì)

　　道口自動(dòng)控制子系統(tǒng)的整個(gè)程序采用C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言相結(jié)合編程，使用模塊化結(jié)構(gòu)，其條理清楚、程序量精簡(jiǎn)，使得Atrnega128的速度和編譯程序容量最優(yōu)化。其主要的功能是根據(jù)磁電傳感器的輸出脈沖觸發(fā)，通過(guò)單片機(jī)驅(qū)動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)各種報(bào)警設(shè)備，同時(shí)將駛過(guò)該道口的列車(chē)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)通過(guò)MC55發(fā)送給監(jiān)測(cè)中心。該子系統(tǒng)軟件按照功能可以分為定時(shí)器初始化模塊、中斷管理初始化模塊、MC55初始化模塊、中斷信號(hào)濾波處理模塊、列車(chē)狀態(tài)數(shù)據(jù)計(jì)算模塊、與上位機(jī)數(shù)據(jù)通信模塊以及驅(qū)動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)各種設(shè)備模塊。其軟件設(shè)計(jì)主要包括主程序和中斷服務(wù)子程序兩大部份，其中中斷信號(hào)濾波處理模塊、驅(qū)動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)各種設(shè)備和列車(chē)狀態(tài)數(shù)據(jù)計(jì)算模塊在中斷服務(wù)子程序中實(shí)現(xiàn)，其余模塊在主程序中實(shí)現(xiàn)。圖3給自動(dòng)控制子系統(tǒng)軟件的主流程圖。

     2) 礦區(qū)監(jiān)控中心軟件設(shè)計(jì)

　　礦區(qū)監(jiān)控中心子系統(tǒng)主要功能是通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)接收、顯示和打印各個(gè)道口傳上來(lái)的當(dāng)前速度、與道口接近距離等有關(guān)列車(chē)運(yùn)行的數(shù)據(jù)。該子系統(tǒng)采用是用高級(jí)語(yǔ)言VC編程，

　　該軟件具有友好的用戶(hù)界面，可以把所有的采集數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)，并可實(shí)現(xiàn)波形的顯示和分析。按照功能可以分為系統(tǒng)登錄模塊、系統(tǒng)管理模塊、與下位機(jī)數(shù)據(jù)通信模塊、列車(chē)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示模塊、列車(chē)數(shù)據(jù)入庫(kù)模塊和列車(chē)歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)模塊。

　　　基于單片機(jī)和GPRS的礦區(qū)鐵路道口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是傳感器技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)相結(jié)合的結(jié)果，它真正實(shí)現(xiàn)了鐵路道口安全管理的自動(dòng)化和信息化。它使得鐵路道口監(jiān)測(cè)網(wǎng)與信息網(wǎng)融為體，實(shí)現(xiàn)了對(duì)列車(chē)速度、列車(chē)行進(jìn)的方向和其離道口距離等列車(chē)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、網(wǎng)絡(luò)傳輸、動(dòng)態(tài)顯示、入庫(kù)保存以及歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)等功能，并且同時(shí)驅(qū)動(dòng)道口信號(hào)機(jī)、欄木和聲光報(bào)警信號(hào)；從而有效解決礦區(qū)鐵路道口的事故隱患，為確保鐵路道口行車(chē)安全提供保障。

      礦區(qū)鐵路是銜接國(guó)家鐵路與礦區(qū)的中間環(huán)節(jié)，是鐵路運(yùn)輸網(wǎng)的重要組成部分。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，目前國(guó)內(nèi)礦區(qū)鐵路超過(guò)2萬(wàn)公里且其沿線附近通常分布著多個(gè)道口。由于道口大多分布在遠(yuǎn)離市區(qū)的礦山企業(yè)內(nèi)部，并且其數(shù)量多、分散以及道口之間的距離長(zhǎng)，加上礦區(qū)內(nèi)各種運(yùn)輸工具的交叉作業(yè)及車(chē)輛、人員的不固定的流動(dòng)，使礦區(qū)鐵路道口的安全管理成為十分突出的問(wèn)題。為使各級(jí)礦區(qū)管理部門(mén)能及時(shí)、準(zhǔn)確掌握各個(gè)道口的的安全情況，　本論文的創(chuàng)新點(diǎn)：針對(duì)礦區(qū)鐵路道口安全管理的需求，利用現(xiàn)有的GPRS網(wǎng)絡(luò)和單片機(jī)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一套礦區(qū)鐵路道口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主要對(duì)其硬件和軟件進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，從而為我國(guó)鐵路運(yùn)輸業(yè)提供一個(gè)良好的解決方案。