基于多紅外傳感器的鐵路無線通信切換系統(tǒng)設(shè)計(jì)

榮正官

（中國鐵建電氣化局集團(tuán)第二工程有限公司，山西太原 030000）

近年來，隨著鐵路建設(shè)的迅猛發(fā)展，鐵路無線通信信號(hào)的及時(shí)接收及傳遞顯得尤為重要[1-2]。多紅外傳感器是利用紅外線的物理性質(zhì)來進(jìn)行測(cè)量的傳感器。紅外線又稱紅外光，具有反射、折射、吸收、干涉等性質(zhì)，其具有一定的溫度，能輻射紅外線[3]。多紅外傳感器測(cè)量時(shí)與被測(cè)物體不直接接觸，所以不存在摩擦，具有靈敏度高、反應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)[4]。

文中鐵路無線通信系統(tǒng)采用了多紅外傳感器，即使線路接觸不良，線路電壓的改變?cè)谡７秶鷥?nèi)就不會(huì)影響通信信號(hào)的正常傳輸，輸出電流信號(hào)的大小也不會(huì)受到影響。文中設(shè)計(jì)的基于多紅外傳感器的鐵路無線通信切換系統(tǒng)能夠解決以上問題，通過布置節(jié)點(diǎn)協(xié)作，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)感知及采集通信電路信號(hào)并及時(shí)傳遞信息，其以成本低、功耗低、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)在多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

1 基于多紅外傳感器的鐵路無線通信切換系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

基于多紅外傳感器的鐵路無線通信切換系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 基于多紅外傳感器的鐵路無線通信切換系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

1.1 采集節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)如圖2 所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)

根據(jù)圖2 可知，數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)由電源、傳感模塊、處理模塊構(gòu)成，以此進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、傳輸、監(jiān)測(cè)以及接收。采集節(jié)點(diǎn)中的傳感模塊由發(fā)送模塊、接收模塊以及檢測(cè)模塊構(gòu)成，利用無線傳輸模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，能夠簡(jiǎn)單快速地為傳輸終端提供無線傳輸能力。當(dāng)電流大小發(fā)生變化時(shí)，線路的電壓幅值會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化[5]。電路檢測(cè)到通信信號(hào)時(shí)，三極管的強(qiáng)光會(huì)發(fā)生變化，輸出高電平。采集的節(jié)點(diǎn)通過變化的高電平進(jìn)行識(shí)別，識(shí)別到處理過的信號(hào)后，三極管的特性會(huì)轉(zhuǎn)化為脈沖信號(hào)能夠識(shí)別的性質(zhì)，節(jié)點(diǎn)會(huì)轉(zhuǎn)變成初始化，等待上層命令，進(jìn)行命令解析后執(zhí)行新的任務(wù)[6-7]。任務(wù)開始接收節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，采集的節(jié)點(diǎn)通過電路傳感器采集數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理后對(duì)采集到的通信信號(hào)進(jìn)行無線傳輸[8-9]。傳感器輸出的是脈沖信號(hào)以及電流信號(hào)值，節(jié)點(diǎn)通過這兩個(gè)信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及處理，避免了復(fù)雜的布線，實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用的簡(jiǎn)單、快速。

1.2 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)如圖3 所示。

圖3 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)

根據(jù)圖3 可知，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器由便攜式控制器、存儲(chǔ)器、微處理器3 個(gè)模塊構(gòu)成。它的監(jiān)測(cè)區(qū)域范圍較大，首先通過便攜式控制器中的傳感器模塊向A/D 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換過程中將采集到的數(shù)據(jù)通過微處理器進(jìn)行處理，再由數(shù)據(jù)處理和控制模塊進(jìn)行傳輸[10-11]。在協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)方面，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)交互、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)以及監(jiān)控終端與無線傳感器的協(xié)調(diào)。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器對(duì)傳輸進(jìn)來的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信處理，處理后進(jìn)行協(xié)議封裝并向鐵路信號(hào)源進(jìn)行實(shí)時(shí)發(fā)送，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器還要負(fù)責(zé)與數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的協(xié)調(diào)，需要處理傳輸模塊傳輸?shù)拇罅繑?shù)據(jù)，所以，微處理器是網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器中的重要部件，其對(duì)數(shù)據(jù)的吞吐能力和處理能力具有較高要求。

網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器電路如圖4 所示。

圖4 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器電路

在考慮成本以及芯片質(zhì)量的基礎(chǔ)上，選用的芯片為L(zhǎng)OC3341，它具有性能高，成本低的優(yōu)點(diǎn)，適合開發(fā)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。在解析網(wǎng)絡(luò)程序過程中，將采集到的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)緩沖區(qū)發(fā)送到傳感器中，經(jīng)過處理完成網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的適配。多紅外傳感器的通信模塊采用JNP3125 模塊，該模塊交互了接口標(biāo)準(zhǔn)，下行速率最高達(dá)到76 kB/s，能夠快速實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，滿足了應(yīng)用中的各種需求，連接過程中產(chǎn)生的費(fèi)用相對(duì)較低[12-13]。

1.3 單片機(jī)設(shè)計(jì)

單片機(jī)采用的CPU 為AP34C63，芯片為67C54、16 位計(jì)數(shù)。單片機(jī)示意圖如圖5 所示。

圖5 單片機(jī)示意圖

單片機(jī)傳輸速度快，含有3k POB、135 byteRAM，它的終端驅(qū)動(dòng)力達(dá)到了30 mA，具有較高的處理遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)的能力。電壓輸入為12 V，PIUTYC 為頻率2～15 kHz 的脈沖信號(hào)，無線通信方面選用NMI376 RCEY 接口芯片來完成數(shù)據(jù)的交互[14-16]。NMI376 RCEY 傳輸速率為200 kbps，能連接多個(gè)采集節(jié)點(diǎn)，工作溫度在-35～60 ℃。采用67C54 芯片，能使脈沖信號(hào)的脈沖數(shù)值達(dá)到16 bit，單片機(jī)無線收發(fā)功能強(qiáng)，能夠很好地完成無線收發(fā)任務(wù)。

2 基于多紅外傳感器的鐵路無線通信切換系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

多紅外傳感器包括光學(xué)系統(tǒng)、檢測(cè)元件、轉(zhuǎn)換電路。光路可分為透射型和反射型兩種，檢測(cè)元件可分為熱檢測(cè)元件和光電檢測(cè)元件。這種光電檢測(cè)元件具有很強(qiáng)的無線傳輸能力。該系統(tǒng)由頻率發(fā)生器、監(jiān)視器模擬器、功放器、網(wǎng)絡(luò)解調(diào)器和晶體振蕩器組成。它的傳輸速率可以達(dá)到3 mbps。設(shè)定輸出功率和頻率后，就可以很好地完成信號(hào)發(fā)送和無線交互收發(fā)。3 個(gè)計(jì)時(shí)器可用于脈沖頻率的測(cè)量，分為兩個(gè)脈沖信號(hào)計(jì)時(shí)器和一個(gè)脈沖計(jì)數(shù)計(jì)時(shí)器，通過測(cè)量計(jì)時(shí)器的值和計(jì)時(shí)器的時(shí)間可以確定測(cè)量頻率。微處理器在接收外部脈沖信號(hào)時(shí)，通過下游線路將外部連接的引腳電平設(shè)為高、低電平，中斷緩沖設(shè)為一次性響應(yīng)，將數(shù)據(jù)集成到寄存器中，并用軟件進(jìn)行記錄[16]?；诙嗉t外傳感器的鐵路無線通信切換流程如圖6 所示。

圖6 鐵路無線通信切換流程

首先進(jìn)行鐵路基站控制器內(nèi)部切換：無線通信切換由一個(gè)服務(wù)區(qū)的基站切換到另外一個(gè)服務(wù)區(qū)的基站，在切換過程中由同一個(gè)基站控制器進(jìn)行統(tǒng)一控制。

然后進(jìn)行各個(gè)無線通信基站控制器之間的切換：通信切換由一個(gè)基站控制器切換到另一個(gè)不相關(guān)的基站控制器，在切換過程中，由同一個(gè)移動(dòng)控制中心進(jìn)行統(tǒng)一控制。

最后進(jìn)行移動(dòng)控制中心之間的切換：切換前后所在的區(qū)域在移動(dòng)控制中心控制范圍內(nèi)，運(yùn)行中的列車在切換過程中受同一個(gè)移動(dòng)控制中心控制。當(dāng)下一個(gè)區(qū)接到通信切換請(qǐng)求時(shí)，前面的通信系統(tǒng)要具備無記性的特點(diǎn)，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)無線閉塞中心接到切換請(qǐng)求呼叫后會(huì)發(fā)出指令，建立通信的傳播路徑，從而給移動(dòng)交換中心發(fā)送切換命令。移動(dòng)交換中心通過移動(dòng)臺(tái)連接通信通道，再通過基站控制器觸發(fā)路徑切換，使舊路徑進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)釋放。在通信條件良好的情況下，無線通信切換的請(qǐng)求可在單服務(wù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展，使鐵路無線通信切換更加便捷、高效。

3 實(shí)驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證文中提出的基于多紅外傳感器的鐵路無線通信切換系統(tǒng)的有效性，與傳統(tǒng)的基于ZigBee技術(shù)的鐵路無線通信切換系統(tǒng)及基于MSP432 的鐵路無線通信切換系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1 所示。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

根據(jù)上述參數(shù)，選用文中的切換系統(tǒng)和傳統(tǒng)切換系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。切換耗時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 切換耗時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由圖7 可知，文中提出的基于多紅外傳感器的鐵路無線通信切換系統(tǒng)耗時(shí)更短，能夠在更短的時(shí)間內(nèi)完成信息切換，確保通信數(shù)據(jù)在短時(shí)間內(nèi)完成轉(zhuǎn)換。

切換后的通信穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8 所示。

根據(jù)圖8 可知，文中提出的切換系統(tǒng)切換后的無線通信電路穩(wěn)定性更好，數(shù)據(jù)能夠更加流暢地傳輸。傳統(tǒng)系統(tǒng)在通信過程中，存在緩沖時(shí)間過長(zhǎng)，起伏波動(dòng)過大等問題。傳統(tǒng)系統(tǒng)對(duì)鐵路無線通信切換系統(tǒng)的分布及設(shè)計(jì)進(jìn)行了較為細(xì)致且周密的分析，并對(duì)其電路信號(hào)的傳輸模式進(jìn)行了研究，在鐵路無線通信切換系統(tǒng)中，由于實(shí)時(shí)監(jiān)控點(diǎn)數(shù)量多，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及通信信號(hào)的發(fā)送實(shí)時(shí)性要求高，采用有線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，其成本高、可延展性較差。傳統(tǒng)的鐵路無線通信切換系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)的方式以及電路信號(hào)的發(fā)送、接收已不能滿足鐵路無線通信切換系統(tǒng)的需要。

圖8 通信穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

文中提出的基于多紅外傳感器的鐵路無線通信切換系統(tǒng)具有更強(qiáng)的切換能力，能夠更好地保證數(shù)據(jù)通信的安全性，更加值得推廣使用。

4 結(jié)束語

文中設(shè)計(jì)的基于多紅外傳感器的鐵路無線通信切換系統(tǒng)，采用多紅外傳感器無線數(shù)據(jù)采集技術(shù)以及無線通信切換技術(shù)的各自優(yōu)勢(shì)，成本低、配置方便、靈活、數(shù)據(jù)傳輸速率高、操作簡(jiǎn)單，可以有效地解決中國列車無線通信信號(hào)的傳遞，控制系統(tǒng)形式化等問題。通過以上的設(shè)計(jì)得出基于多紅外傳感器的鐵路無線通信切換與國際通用標(biāo)準(zhǔn)相接近，可選取實(shí)際鐵路通信施工建設(shè)的參考參數(shù)來建設(shè)通信設(shè)備。

除此之外，在鐵路實(shí)際施工建設(shè)中要根據(jù)具體路況進(jìn)行基站控制系統(tǒng)的建設(shè)，為了提高系統(tǒng)的可行性，通常在基站之間安裝多紅外傳感器設(shè)備，以此提高通信系統(tǒng)的可靠性。多紅外傳感器在設(shè)計(jì)中有一定的實(shí)際用途，可以實(shí)現(xiàn)鐵路通信設(shè)備的自動(dòng)更新，數(shù)據(jù)的發(fā)送對(duì)鐵路通信切換系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)用奠定了基礎(chǔ)。