采用單片機和GPRS的礦區(qū)鐵路道口監(jiān)測系統(tǒng)設計

本文以 Atmega128和MC55為核心，設計一套鐵路道口監(jiān)測系統(tǒng)，實現對鐵路道口監(jiān)測管理的自動化、數字化和網絡化。這對保證礦區(qū)正常生產、提高礦山企業(yè)經濟效益和通過道口車輛、行人安全具有重要意義。

 系統(tǒng)組成

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

　　1 )信號采集部分

　　信號采集部分主要用于采集列車接近及離去信號，為自動實現收放護欄提供決策信號。目前道口系統(tǒng)中有采用振動傳感器、射頻傳感器,GPS+ ARM+GPRS、視頻監(jiān)控設備或踏板開關等幾種方式檢測來車信號，它們各有優(yōu)缺點。本系統(tǒng)中信號采集部分由4個磁電傳感器組成，分別成對的放置在道口兩側的鋼軌內側。 當有列車經過該置時，磁電傳感器可檢測到來車信號，經放大電路和A/D轉換電路后，直接發(fā)送到單片機 Atmega128。

　　2) 道口部分

　　道口部分設道口信號機、聲光報警器和欄木裝置各2套，分別用來指示火車即將到達信號、聲光報警和執(zhí)行放桿操作。在道口設置自動控制箱，既可由礦區(qū)道口監(jiān)控室中心的PC機遠程控制各裝置動作，也可由操作人員在現場手動操作。報警器由音響電路板、筒式揚聲器及回轉警示燈組成，用來提醒來往車輛司機及過往行人注意安全不要搶道。

　　3) 信號傳輸和發(fā)送部分

　　磁電傳感器安裝在距道口500 m左右處，當它檢測到來車信號后，通過銅軸電纜將信號傳送至道口自動控制箱內的單片機Atmega128。MC55是信號發(fā)送的主要設備，它將單片機采集到的數據打包后通過GＰRS網絡傳輸到礦區(qū)道口監(jiān)控中心，由道口監(jiān)控中心對數據做進一步的分析處理。

　 4)　礦區(qū)道口監(jiān)控中心部分

　　礦區(qū)道口監(jiān)控中心設ＰＣ機1臺，主要用于接收各道口列車運行狀態(tài)的數據。該監(jiān)控中心采用動態(tài)IP結合DNS域名解析組網方式來實現對道口的遠程監(jiān)測。這種方式首先需要聯系DNS服務商，為監(jiān)控中心申請1個域名，把這個域名寫入單片機Atmega128中。監(jiān)控中心接入Internet后，與DNS服務器進行連接，將當前獲得的動態(tài)IP報告給DNS服務器，再由DNS服務器找到監(jiān)控中心公網動態(tài)IP，這樣就可以在兩者之間建立通訊連接。

　  系統(tǒng)硬件設計

　　系統(tǒng)硬件設計主要是指道口控制部分硬件設計，按照信號流程大體可以分為三個硬件模塊，即傳感器信號放大和Ａ/Ｄ轉換電路設計、單片機Atmega128與MC55接口設計以及驅動

　　現場各種設備接口電路設計，其中Atmega128與MC55接口電路是該監(jiān)測系統(tǒng)硬件設計的重點和特色。圖２給出以該接口電路為核心的監(jiān)測站硬件系統(tǒng)電路圖。ATmega128L和MC55都有標準的RS232接口，因此硬件設計相對比較簡單，只需把Atmega128L的PE5與MC55的 IGT相連，用于啟動MC55模塊，Atmega128L的TX0/RX0與MC55的TX0/RX0相連，進行數據的輸入輸出；MC55的RING0接從ATmega128L的中斷線，作為數據傳輸的中斷信號。Atmega128是Atmel公司推出的８位高性能單片機，片內具有128KＢ的程序存儲器, 4KB的數據存儲器，4KB的EEPROM，有8個10位ADC通道、2個8位和2個16位硬件定時J計數器,8個PWM通道，具有可編程看門狗定時器和片上振蕩器、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軟件選擇的省電模式。本設計中，ATmega128L是整個數據采集系統(tǒng)核心，主要完成信號的傳感器信號采集、軟件濾波、數據運算及各種控制功能。M C55是西門子公司生產的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)務功能，內嵌了TCP/IP協(xié)議；它的數據輸入/輸出接口實際上是一個串行異步收發(fā)器，符合RS232接口標準，且有固定的參數：8位數據位和1位停止位，無校驗位。它與 Atmega128協(xié)同工作，共同完成數據的遠程傳輸。

　系統(tǒng)軟件設計

　　采用模塊化的軟件設計，將軟件分成若干相對的獨立的功能模塊，并為各模塊安排適當的入口和出口參數，使得模塊之間的相互連接,組合靈活方便。整個監(jiān)測系統(tǒng)軟件設計主要由道口自動控制子系統(tǒng)和礦區(qū)監(jiān)控中心子系統(tǒng)組成。

　　1) 道口自動控制軟件設計

　　道口自動控制子系統(tǒng)的整個程序采用C語言和匯編語言相結合編程，使用模塊化結構，其條理清楚、程序量精簡，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磁電傳感器的輸出脈沖觸發(fā)，通過單片機驅動現場各種報警設備，同時將駛過該道口的列車運行狀態(tài)數據通過MC55發(fā)送給監(jiān)測中心。該子系統(tǒng)軟件按照功能可以分為定時器初始化模塊、中斷管理初始化模塊、MC55初始化模塊、中斷信號濾波處理模塊、列車狀態(tài)數據計算模塊、與上位機數據通信模塊以及驅動現場各種設備模塊。其軟件設計主要包括主程序和中斷服務子程序兩大部份，其中中斷信號濾波處理模塊、驅動現場各種設備和列車狀態(tài)數據計算模塊在中斷服務子程序中實現，其余模塊在主程序中實現。圖3給自動控制子系統(tǒng)軟件的主流程圖。

     2) 礦區(qū)監(jiān)控中心軟件設計

　　礦區(qū)監(jiān)控中心子系統(tǒng)主要功能是通過GPRS網絡實時接收、顯示和打印各個道口傳上來的當前速度、與道口接近距離等有關列車運行的數據。該子系統(tǒng)采用是用高級語言VC編程，

　　該軟件具有友好的用戶界面，可以把所有的采集數據存入數據庫，并可實現波形的顯示和分析。按照功能可以分為系統(tǒng)登錄模塊、系統(tǒng)管理模塊、與下位機數據通信模塊、列車數據實時顯示模塊、列車數據入庫模塊和列車歷史數據查詢模塊。

　　　基于單片機和GPRS的礦區(qū)鐵路道口監(jiān)測系統(tǒng)是傳感器技術、單片機技術與網絡通信技術相結合的結果，它真正實現了鐵路道口安全管理的自動化和信息化。它使得鐵路道口監(jiān)測網與信息網融為體，實現了對列車速度、列車行進的方向和其離道口距離等列車運行狀態(tài)數據的實時采集、網絡傳輸、動態(tài)顯示、入庫保存以及歷史數據查詢等功能，并且同時驅動道口信號機、欄木和聲光報警信號；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安全提供保障。

      礦區(qū)鐵路是銜接國家鐵路與礦區(qū)的中間環(huán)節(jié)，是鐵路運輸網的重要組成部分。據有關資料統(tǒng)計，目前國內礦區(qū)鐵路超過2萬公里且其沿線附近通常分布著多個道口。由于道口大多分布在遠離市區(qū)的礦山企業(yè)內部，并且其數量多、分散以及道口之間的距離長，加上礦區(qū)內各種運輸工具的交叉作業(yè)及車輛、人員的不固定的流動，使礦區(qū)鐵路道口的安全管理成為十分突出的問題。為使各級礦區(qū)管理部門能及時、準確掌握各個道口的的安全情況，　本論文的創(chuàng)新點：針對礦區(qū)鐵路道口安全管理的需求，利用現有的GPRS網絡和單片機技術，設計了一套礦區(qū)鐵路道口監(jiān)測系統(tǒng)，主要對其硬件和軟件進行了詳細的闡述，從而為我國鐵路運輸業(yè)提供一個良好的解決方案。