智能鐵鞋安全防護(hù)設(shè)計(jì)方案

1、智能鐵鞋安全防護(hù)設(shè)計(jì)方案一、項(xiàng)目概述隨著我國鐵路運(yùn)輸業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)到發(fā)場(chǎng)作業(yè)的自動(dòng)化水平提出了更高的要求。到發(fā)場(chǎng)車輛的防溜 作業(yè)則長關(guān)系到鐵路安全運(yùn)輸?shù)闹匾画h(huán)。鐵路技術(shù)管理規(guī)程明硝規(guī)定：線路上停留的車輛，在不作 業(yè)時(shí)，應(yīng)以鐵鞋等防溜裝置牢靠固定。如何有效使用和管理好鐵鞋是一個(gè)安全問題，當(dāng)前的辦法主要是 靠人員的不斷逖檢來確保鐵鞋是否放置到位，是否取出，效率低，而且容易導(dǎo)致鐵鞋被盜、脫軌等審 故。本方案提出了基于TC35i的GSM t能防溜鐵鞋系統(tǒng)當(dāng)鐵鞋沒有放置到位、被盜.移動(dòng)等情況該系統(tǒng) 能通過三種不同的方式給工作人員報(bào)警，不需要工作人員定時(shí)進(jìn)檢大大提高了效率和安全系數(shù)二、系統(tǒng)原理該系統(tǒng)主

2、要包括HCU (MSP430).測(cè)距、檢測(cè)模塊、加速度傳感器模塊(MMA7360)、短消息發(fā)送模 塊(GSM)和語音報(bào)警模塊。系統(tǒng)框圖如圖1所示。測(cè)距模塊用來檢測(cè)鐵鞋是否正確的放置到位，當(dāng)沒有放到位時(shí)現(xiàn)場(chǎng)就實(shí)現(xiàn)聲音報(bào)警加速度傳感器 用于檜測(cè)鐵鞋是否處于被移動(dòng)和被撬兩種不同的狀況，MU將預(yù)先設(shè)置的AT指令報(bào)警信號(hào)發(fā)送給TC35i 模塊，進(jìn)而通知工作人員，報(bào)警方式：先短信報(bào)警，工作人員收短信后回復(fù)短倍，若TC35i模塊沒有收 到回復(fù)短信，則根據(jù)需要自動(dòng)執(zhí)行報(bào)警方式二：室語音報(bào)警，若這兩種方式都沒有引起工作人員注意， 則將報(bào)警信號(hào)發(fā)給另外一個(gè)工作人員，三種方式大大提高了工作效率，減小由于主觀因素適成

3、的安全隱2. 1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，為簡(jiǎn)化硬件電路，選用高集成度的徹處理 MSP430進(jìn)行信號(hào)分析與處理。 MSP430置8個(gè)獨(dú)立的12bit ADC通道、2個(gè)獨(dú)立的12bit DAC通道和溫度傳感器，芯 片還提供高 精度、低偏差并經(jīng)過工廠校準(zhǔn)的2.5V參考電壓。主要用來分析處理加速度傳感器的輸出信號(hào)， 并給TC35i模塊發(fā)送報(bào)警信號(hào)。2. 1.1加速度傳感器的選擇及電路設(shè)計(jì)本系統(tǒng)釆用的是Freescale的SIMA7360電容性三軸向低重力加速計(jì)，能夠方便地檢測(cè)到位 置.姿態(tài)、運(yùn)動(dòng)的變化，MMA7360的可選靈敏度允許是1.5g/6gt釆用的GA封裝，適合占地空問 小的便攜式應(yīng)用。MM

4、A7360和ADUC841的接口電路如圖2所示。設(shè)置MMA7360加速度的國為士 l5g, 傳感器感知三維加逮度信號(hào)，此時(shí)傳感器的最高靈敏度為800Mv/g.可以使系統(tǒng)檢測(cè)到鐵鞋輕徽的移動(dòng)， 傳送給徵處理器進(jìn)行處理。由于MMA7360部采用開關(guān)電容濾波器，第要在Yon. Zg和三個(gè)輸出端分別接RC濾波器，以濾徐噪聲。三維模擬加速度信號(hào)經(jīng)徼處理器置的三通道A/D轉(zhuǎn)換后，由CPU進(jìn) 行數(shù)字信號(hào)處理。VnAmt NXA726JAt r-TAVCC V gP2 0P： 1KJ JV-A】 H2 八 xisPOOA2A2d團(tuán)2恃恐崙技口電跆短信電路設(shè)計(jì)短信電路采用西門子公司生產(chǎn)的TC35i模塊作為電路的

5、核心，工作在GSM900和GSM1800雙頻段，支持語音、數(shù)據(jù)、短消息和傳真服務(wù)，低功耗。 GSM模塊主要由基帶處理器、GSM射頻模塊、供電模塊、存ZIF連接器、天線接口等幾部 分組成，電路設(shè)計(jì)如圖3所示4。sezirr v*/kr-r stzirr s*zrr /Zir-r cxo CX OfD CX A-TQMP r 3化Ci 小心I RMOO T?Xi c：rso Rrso OTFcO 0200 eex eensr亡亡亡5 eevvze-“FT八CMRSX rr 心 1TTrF-4、8scbTI55SS. . i_uus:=o;unr*號(hào)易匸Epc* SVKr： rr erm WVIOZ

6、CM rxx：f i fo=p-peir=” -0廠ee=d so*廠、致rCd圖3短信報(bào)警電路設(shè)計(jì)2. 1.3語音電路設(shè)計(jì)目前市場(chǎng)上流行的語音芯片有很多，但要使語音不失真地被采樣，那就要求釆樣頻率fsSOOOHz, ISD40002語音芯片是美國ISD公司出品的新型優(yōu)質(zhì)單片錄放音電路，它采用了直接模擬量存儲(chǔ)技術(shù) DAST,完成語音的錄入、存儲(chǔ)及分段輸出，因而失真小，使用方便。不第專用語音開發(fā)工具，10萬次 錄音周期，自動(dòng)靜噪功能，不耗電信息可保存100年 ISD系列語音芯片具有以下特點(diǎn)：采用模 擬數(shù)據(jù)在半導(dǎo)體存借器直接存儲(chǔ)的專利技術(shù)，即將模擬語音數(shù)據(jù)直接寫入單個(gè)存儲(chǔ)單元，不需經(jīng)過A /D/A

7、轉(zhuǎn)換；部集成了大容量的EE- PROM.不再需要擴(kuò)展存儲(chǔ)器；控制簡(jiǎn)單，控制 引腳與TTL電平兼容；能較好地真實(shí)再現(xiàn)語音的自然效果，避免了一般固體語音電路因?yàn)榱筷蚝蛪嚎s所逍成的量化嗓聲和失真現(xiàn)象。因此。該語音系統(tǒng)選用ISD公司的ISD4002語音芯片。2.2軟件設(shè)計(jì)該系統(tǒng)主要功能是實(shí)現(xiàn)檢測(cè)和報(bào)警，因此軟件設(shè)計(jì)主要分成了 MCU的控制程序.GSH模塊和語音電 路設(shè)計(jì)程序三部分，軟件流程如圖4所示。首先檢測(cè)測(cè)距系統(tǒng)信號(hào)，如鐵程沒有放置到位，測(cè)距系統(tǒng)會(huì) 給出信號(hào)給處理器，處理器就會(huì)立即報(bào)警，此時(shí)工作人員就能很快明白，放置不正確。如測(cè)距系統(tǒng)沒有 給出信號(hào)，就再通過加速度傳感器檢測(cè)鐵鞋是否有移動(dòng)的 信號(hào)，

8、若有，就立即啟動(dòng)報(bào)警程序，給手機(jī)工作人員發(fā)送相應(yīng)的報(bào)警信息，工作人員受到短信后給予回復(fù)， 若GSM模塊沒有收到回復(fù)，則撥打工作人員手機(jī)。2. 2.1 HCI的控制程序設(shè)計(jì)控制程序主要處理兩類信號(hào)：第一類長由測(cè)距裝置獲取的測(cè)距信號(hào)，當(dāng) 鐵鞋沒有放置到位（超過預(yù)先設(shè)定的初值），測(cè)距系統(tǒng)會(huì)給控制器一個(gè)信號(hào)，此時(shí)，徽處理器開始執(zhí)行聲 音報(bào)警程序：第二類信號(hào)：是來自加速度傳感器信號(hào)，通過微處理器部的A/D將加速度傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換 成數(shù)字信號(hào)并進(jìn)行處理，徹處理器根據(jù)處理的結(jié)果來判斷鐵程現(xiàn)在的狀態(tài)，然后再?zèng)Q定是否報(bào)警，釆用 何種方式報(bào)警。2. 2.2加速度信號(hào)去噪聲處理由于在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中，存在各種形式的電磁

9、干擾噪聲，并且噪聲信 號(hào)的頻帶寬、信號(hào)強(qiáng)，而被測(cè)對(duì)象為較弱的位移移動(dòng)信號(hào)，所以在對(duì)加速度信號(hào)進(jìn)行處理前要通過低通濾 器去棹這些高頻噪聲，這樣才能較準(zhǔn)確的獲取鐵鞋的位移信息。文章設(shè)計(jì)了一個(gè)有源Butterworth低通 濾波器，濾波器釆用差分輸入方式，以防止共模噪聲的干擾。由于輸入信號(hào)比較小，所有濾波器中的放 大器釆用的精密運(yùn)放INA系列，其特點(diǎn)是輸入失調(diào)電壓小，噪聲系數(shù)小放大倍數(shù)大，很適合該場(chǎng)合使用， 具體設(shè)計(jì)如圖5所示。丄皿三空V圖4系筑軟件沆程圖2. 2. 3 GSM通信模塊程序設(shè)計(jì) 在ESTI （歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)）定制GPRS/SMS規(guī)中，GSM03. 38/GSM03. 34/GSM0

10、7. 05是籾短消息有關(guān)的協(xié)議，TC35i模塊是采用AT指令集進(jìn)行控超 的，通過對(duì)AT指令對(duì)其進(jìn)行初始化配置.實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接受與發(fā)送，其初始化過程為：進(jìn)行AT指令測(cè)試.設(shè)定波待率.禁止TC35I指令回寫、設(shè)定PDI；格式、設(shè)定工作方式。對(duì)應(yīng)指令形式如表1所示。表1 AT指令對(duì)照表指令描述AT指令A(yù)SCH格式AT指令測(cè)試ATV設(shè)走通信波特率AI+IPR=480(Ar奘止TC35i指令目寫ATE0r設(shè)定PDI格式AT+CMGF=0r設(shè)定工作方式AT+CNNI.Z.O.O.lV系統(tǒng)的短消息發(fā)送可以釆取文本格式和PDU格式，由于使用文本格式比較麻煩，需要一套閾值編碼選項(xiàng)， 敗果也不太好，該系統(tǒng)才采用PDU格式短信，支持任何編碼。本系統(tǒng)主要發(fā)送“鐵程發(fā)生移動(dòng)”利“鐵 鞋在快速移動(dòng)”短信息，通過UCS2編碼得到對(duì)應(yīng)的中文Unicode碼5。將系統(tǒng)模塊放置在鐵鞋并安放在鐵軌上，當(dāng)鐵鞋傾斜放置不到位，離毓道面距離超過5cn）時(shí)，開始聲 音報(bào)警，測(cè)試在火車通過時(shí)報(bào)警，工作人員仍能聽見。鐵鞋發(fā)生移動(dòng)：當(dāng)鐵程被快速的拖動(dòng)時(shí)，此時(shí)在車 站站臺(tái)上的工作人員能收到“鐵鞋在快逮移動(dòng)”的短信。當(dāng)鐵鞋由于振動(dòng)等原因發(fā)生緩慢務(wù)動(dòng)，釆集到 加速度信號(hào)如圖6所示。經(jīng)過設(shè)計(jì)的有源Butterworth低通濾波器處理后如圖7所示。250 20050采樣序列圖