1、智能铁鞋安全防护设计方案一、 项目概述随着我国铁路运输业的快速发展，对到发场作业的自动化 水平提出了更高的要求。到发场车辆的防溜作业则是关系到铁路安全运输的重要一环。 铁路技术管理规程明确规定：线路 上 停 留 的 车 辆 ， 在 不作 业 时 ， 应 以 铁 鞋 等 防 溜 装 置 牢 靠 固 定。如何有效使用和管理好铁鞋是一个安全问题，当前的办法 主要 是 靠 人 员 的 不 断 巡 检 来 确 保 铁 鞋 是 否 放 置 到 位 ， 是 否 取 出，效率低，而且容易导致铁鞋被盗、脱轨等事故。本方案提 出 了 基 于 TC35i 的 GSM 智 能 防 溜 铁 鞋 系 统 ,当 铁 鞋 没
2、 有 放 置 到 位、被盗、移动等情况该系统能通过三种不同的方式给工作人员报警,不需要工作人员定时巡检,大大提高了效率和安全系数二、系统原理该 系 统 主 要 包 括 MCU（MSP430）、测距、检测模块、加 速 度 传 感 器 模 块 （ MMA7360） 、 短 消 息 发 送模 块 （ GSM） 和 语 音报警模块。系统框图如图1 所示。测距模块用来检测铁鞋是否正确的放置到位，当没有放到 位时现场就实现声音报警，加速度传感器用于检测铁鞋是否处于被移动和被撬两种不同的状况，MCU 将预先设置的A T 指令报 警 信 号 发 送 给TC35i 模 块 ， 进 而 通 知 工 作 人 员 ，
3、 报 警 方 式 ： 先短信报警，工作人员收短信后回复短信，若TC35i 模块没有收到回复短信，则根据需要自动执行报警方式二：室内语音报警，若这两种方式都没有引起工作人员注意，则将报警信号发给另外一个工作人员，三种方式大大提高了工作效率，减小由于主观因素造成的安全隐患。2.1 系统硬件设计在系统设计中，为简化硬件电路，选用高集成度的微处理 器 MSP430 进 行 信 号 分 析 与 处 理 。MSP430 内 置 8 个 独 立 的 12bit ADC 通 道 、 2 个 独 立 的 12bit DAC 通 道 和 温 度 传 感 器 ， 芯 片 内 还 提供 高 精 度 、 低 偏 差 并
4、 经 过 工 厂 校 准 的 2.5 V 参 考 电 压 。 主 要 用 来 分 析 处 理 加 速 度 传 感 器 的 输 出信 号 ， 并 给 TC35i 模块发送报警信号。21.1 加速度传感器的选择及电路设计本 系 统 采 用 的 是 Freescale 的MMA7360 电 容 性 三 轴 向 低 重 力 加 速 计 ， 能 够 方 便 地 检 测 到 位 置 、姿 态 、 运 动 的 变 化 ， MMA7360 的 可 选 灵 敏 度 允 许 是 1.5g/6g，采用的GA 封 装 ， 适 合 占 地 空 间 小 的便 携 式 应 用 。 MMA7360 和ADUC841 的 接
5、口 电 路 如 图 2 所 示 。 设 置 MMA7360 加 速 度 的 范 围 为 士 1.5g，传感器感知三维加速度信号，此时传感器的最高灵敏度为 800Mv/g,可以使系统检测到铁鞋轻微的移动，传送给微处理器进 行 处 理 。 由 于 MMA7360 内 部 采 用 开 关 电 容 滤 波 器 ， 需 要 在 XOUT、Y OUT、Z OUT 和 三 个 输 出端 分 别 接 RC 滤 波 器 ， 以 滤 除 噪 声 。 三 维 模 拟 加 速 度 信 号 经 微 处 理 器 内 置 的 三 通 道 AD 转换后，由CPU 进行数字信号处理 3。2.1.2 短信电路设计短信电路采用西门
6、子公司生产的 TC35i 模块作为电路的核心，工作在 GSM900 和 GSM1800 双频段，支持语音、数据、 短消息和传真服务，低功耗。GSM 模块主要由基带处理器、 GSM 射频模块、供电模块、内存 ZIF 连接器、天线接口等几部 分组成，电路设计如图 3 所示4。图 3 短信报警电路设计2.1.3 语音电路设计目前市场上流行的语音芯片有很多，但要使语音不失真地 被 采 样 ， 那 就 要 求 采 样 频 率fs8000Hz，ISD40002 语 音 芯 片 是 美国ISD 公司出品的新型优质单片录放音电路，它采用了直接模 拟 量存 储 技 术 DAST， 完 成 语 音 的 录 入 、
7、 存 储 及 分 段 输 出 ， 因而失真小，使用方便。不需专用语音开发工具，10 万次录音 周 期 ， 自 动 静 噪 功 能 ， 不 耗 电 信 息 可 保 存 100 年。ISD 系 列 语 音 芯 片 具 有 以 下 特 点 ： 采 用 模 拟 数 据 在 半 导 体 存 储 器 直 接 存 储 的 专 利 技 术 ， 即 将 模 拟 语 音 数 据 直 接 写 入 单 个 存 储 单 元 ，不 需 经 过 AD、 DA 转 换 ； 内 部 集 成 了 大 容 量 的 EE- PROM，不 再 需 要 扩 展 存 储 器 ； 控制 简 单 ， 控 制 引 脚 与 TTL 电 平 兼 容
8、 ； 能 较 好 地 真 实 再 现 语 音 的 自 然 效 果 ， 避 免 了一般固体语音电路因为量化和压缩所造成的量化噪声和失真现象。因此。该语音系统选用ISD 公司的ISD4002 语音芯片。2.2 软件设计该系统主要功能是实现检测和报警，因此软件设计主要分 成了 MCU 的控制程序、GSM 模块和语音电路设计程序三部 分，软件流程如图 4 所示。首先检测测距系统信号，如铁鞋没 有放置到位，测距系统会给出信号给处理器，处理器就会立即 报警，此时工作人员就能很快明白，放置不正确。如测距系统 没有给出信号，就再通过加速度传感器检测铁鞋是否有移动的信号，若有，就立即启动报警程序，给手机工作人员
9、发送相应 的报警信息，工作人员受到短信后给予回复，若 GSM 模块没 有收到回复，则拨打工作人员手机。 2.2.1 MCU 的控制程序设计 控制程序主要处理两类信号：第一类是由测距装置获取的 测距信号，当铁鞋没有放置到位（超过预先设定的初值） ，测 距系统会给控制器一个信号，此时，微处理器开始执行声音报 警程序；第二类信号：是来自加速度传感器信号，通过微处理 器内部的 A/D 将加速度传感器信号转换成数字信号并进行处 理，微处理器根据处理的结果来判断铁鞋现在的状态，然后再 决定是否报警，采用何种方式报警。 2.2.2 加速度信号去噪声处理 由于在实际应用环境中，存在各种形式的电磁干扰噪声， 并
10、且噪声信号的频带宽、信号强，而被测对象为较弱的位移移 动信号，所以在对加速度信号进行处理前要通过低通滤器去掉 这些高频噪声，这样才能较准确的获取铁鞋的位移信息。文章 设计了一个有源 Butterworth低通滤波器，滤波器采用差分输入 方式，以防止共模噪声的干扰。由于输入信号比较小，所有滤 波器中的放大器采用的精密运放 INA 系列，其特点是输入失调 电压小，噪声系数小，放大倍数大，很适合该场合使用，具体 设计如图 5 所示。图 5 低通滤波器电路2.2.3 GSM 通信模块程序设计 在 ESTI（欧洲电信标准协会）定制 GPRS/SMS 规范中，GSM03.38/GSM03.34/GSM07
11、.05 是 和 短 消 息 有 关 的 协 议 ， TC35i 模块是采用 AT 指令集进行控制的，通过对 AT 指令对其 进行初始化配置，实现数据的接受与发送，其初始化过程为： 进行 AT 指令测试、设定波特率、禁止 TC35I 指令回写、设定 PDU 格式、设定工作方式。对应指令形式如表 1 所示。 系统的短消息发送可以采取文本格式和 PDU 格式，由于 使用文本格式比较麻烦，需要一套阈值编码选项，效果也不太 好，该系统才采用 PDU 格式短信，支持任何编码。本系统主 要发送“铁鞋发生移动”和“铁鞋在快速移动”短信息，通过 UCS2 编码得到对应的中文 Unicode 码5。将系统模块放置
12、在铁鞋内并安放在铁轨上，当铁鞋倾斜放置不到位，离轨道面距离超过 5cm 时，开始 声音报警，测试在火车通过时报警，工作人员仍能听见。 铁鞋发生移动：当铁鞋被快速的拖动时，此时在车站站台 上的工作人员能收到 “铁鞋在快速移动”的短信。当铁鞋由于 振动等原因发生缓慢移动，采集到加速度信号如图 6 所示。经 过设计的有源 Butterworth 低通滤波器处理后如图 7 所示。该系统通过对加速度信号的处理能很大程度上能解决由于环境噪声造成的误操作和影响，能准确的捕 捉到铁鞋的微小移动，有利于工作人员迅速、及时的监控铁鞋 的移动状态信息，同时，报警模块能将铁鞋的状态信息及时的 发送给工作人员，为工作人员实时掌握铁鞋的状态提供了方 便，防止由于铁鞋放置不当造成不必要的损失。
