基于LORA無線技術(shù)的鐵路客車火災(zāi)報(bào)警裝置設(shè)計(jì)

劉東 張鋒

1. 奧維通信股份有限公司 遼寧 沈陽 110179；

2. 沈陽中科奧維科技股份有限公司 遼寧 沈陽 110179

1 技術(shù)背景

隨著鐵路運(yùn)營(yíng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，旅客運(yùn)輸?shù)陌踩匀找媸艿缴鐣?huì)各界的廣泛關(guān)注。列車火災(zāi)是鐵路客運(yùn)在安全性方面的重中之重，一旦發(fā)生就會(huì)造成重大的人員、財(cái)產(chǎn)損失及嚴(yán)重的社會(huì)不良影響。

火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)可以分為有線和無線兩種形式。目前，有線系統(tǒng)耗材多,功耗大，設(shè)計(jì)、施工及維護(hù)復(fù)雜。而無線火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)中的火災(zāi)探測(cè)器可以方便地安裝在室內(nèi)的任意位置或無法安裝有線系統(tǒng)的場(chǎng)所[1]。

LoRa無線通信技術(shù)是基于擴(kuò)頻技術(shù)的超遠(yuǎn)距離無線傳輸技術(shù)。LoRa通信技術(shù)最大特點(diǎn)，靈敏度高、傳輸距離遠(yuǎn)、功耗低、組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)多[2]。由于多徑分散的能量落在頻域上的相鄰位置上，采用Gray編碼能減少錯(cuò)誤發(fā)生在相鄰位置時(shí)錯(cuò)誤的 bit數(shù)，提升了系統(tǒng)的性能[3]。LoRa調(diào)制技術(shù)擁有比 FSK更加突出的抗衰落性能， 驗(yàn)證了LoRa通信在低速率遠(yuǎn)距離通信場(chǎng)景的優(yōu)越性[4]。

2 火災(zāi)報(bào)警裝置設(shè)計(jì)

2.1 硬件組成

鐵路客車火災(zāi)報(bào)警裝置主要由控制主機(jī)、控制分機(jī)、煙感探測(cè)器、手持報(bào)警器和移動(dòng)式參數(shù)設(shè)置器組成。

在列車中部的廣播車設(shè)置1臺(tái)控制主機(jī)，單節(jié)車廂內(nèi)部安裝有2個(gè)控制分機(jī)，每個(gè)控制分機(jī)連接1臺(tái)感煙探測(cè)器，乘務(wù)人員配置1臺(tái)手持報(bào)警器。

各控制分機(jī)與控制主機(jī)通過無線通信方式傳送信息，當(dāng)某節(jié)車廂發(fā)生火災(zāi)報(bào)警時(shí)，該節(jié)車廂的控制分機(jī)發(fā)出語音報(bào)警信息，并通過無線通信方式傳送到控制主機(jī)；主機(jī)接收到報(bào)警信息后，傳送給各節(jié)車廂的控制分機(jī)，同時(shí)發(fā)出語音報(bào)警；控制分機(jī)或者語音報(bào)警器接收到報(bào)警信息后發(fā)出語音報(bào)警。

2.2 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

為保證輪詢數(shù)據(jù)的傳輸穩(wěn)定性、及時(shí)性、可靠性，輪詢信息的傳輸采用星型和鏈型兩種傳輸機(jī)制相互冗余的方式實(shí)現(xiàn)。

當(dāng)煙感報(bào)警器采集到某一節(jié)車廂出現(xiàn)火災(zāi)煙霧信息時(shí)，立即通過星型傳輸上報(bào)控制主機(jī)，控制主機(jī)將告警信息廣播，煙感報(bào)警器和手持報(bào)警器接到控制主機(jī)告警指令后，均將該告警信息在本節(jié)車廂廣播，攜帶手持報(bào)警器的人員均可接收到告警信息，及時(shí)處理險(xiǎn)情。

報(bào)警上報(bào)信息在星型傳輸不通后啟動(dòng)鏈型傳輸，逐級(jí)傳輸報(bào)警信息，主機(jī)接收到報(bào)警信息后，啟動(dòng)鏈型傳輸下發(fā)報(bào)警信息。

2.3 硬件設(shè)計(jì)

（1）控制主機(jī)設(shè)計(jì)

控制主機(jī)硬件電路包括處理單元（MCU）、LoRa模塊、存儲(chǔ)單元、USB接口、揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)控制接口、RTC單元、日志導(dǎo)出單元、LED顯示單元、按鍵接口等。

LoRa通信模塊工作在410～510MHz 頻段，最大發(fā)射功率100mW，采用LoRa擴(kuò)頻技術(shù)，鏈路預(yù)算達(dá)到164dB，傳輸距離遠(yuǎn)，抗干擾能力強(qiáng)，適用于鐵路沿線電磁干擾大，地理環(huán)境多變，人員密集的動(dòng)態(tài)列車場(chǎng)景。

（2）控制分機(jī)設(shè)計(jì)

控制分機(jī)硬件電路包括處理單元（MCU）、LoRa通信模塊、存儲(chǔ)單元、USB接口、揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)控制接口、探測(cè)器接口等。

2.4 軟件設(shè)計(jì)

（1）控制主機(jī)軟件設(shè)計(jì)

火災(zāi)報(bào)警裝置通常處于日常輪詢階段，目的是常規(guī)檢驗(yàn)控制主機(jī)與各分機(jī)通信鏈路的實(shí)時(shí)連通性。輪詢周期為10分鐘，每次輪詢采用星型+鏈狀通信方式進(jìn)行。

控制主機(jī)接收到分機(jī)上報(bào)的火警信息后，會(huì)通過自身的短信貓將火警信息以短信形式上報(bào)，同時(shí)下發(fā)火警信息。

（2）控制分機(jī)軟件設(shè)計(jì)

控制分機(jī)在日常輪詢過程中給予控制主機(jī)應(yīng)答以及轉(zhuǎn)發(fā)鏈型輪詢和應(yīng)答報(bào)文。

控制分機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)火警信號(hào)、上報(bào)火警信息、轉(zhuǎn)發(fā)火警信息、發(fā)出和取消火警報(bào)警等，分機(jī)檢測(cè)到火警警情則立刻上報(bào)。

3 產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)及測(cè)試

基于本設(shè)計(jì)生產(chǎn)了1套列車火災(zāi)報(bào)警裝置共1臺(tái)控制主機(jī)、20臺(tái)控制分機(jī)，安裝在沈丹線25G和25K型客車的電氣柜和照明柜中進(jìn)行了長(zhǎng)期的運(yùn)行，運(yùn)行時(shí)間超過1年，設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行，無錯(cuò)報(bào)，漏報(bào)的情況發(fā)生，有效的驗(yàn)證了報(bào)警裝置的可用性和可靠性。

圖1 控制主機(jī)產(chǎn)品

圖2 控制分機(jī)產(chǎn)品

4 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的基于LoRa的無線火災(zāi)報(bào)警裝置，經(jīng)過長(zhǎng)期試驗(yàn)驗(yàn)證是可靠的、性能是先進(jìn)的、工程實(shí)施及成本上具有相當(dāng)大的競(jìng)爭(zhēng)力。本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的無線火災(zāi)報(bào)警裝置使得鐵路客運(yùn)的安全性有了顯著的提升，為旅客出行提供了安全保障。