基于RFID射頻識別技術的專用線道口預警裝置的設計

趙建軍

鐵路專用線道口大多數(shù)屬于無人值守道口，很少設置安全警示設備，公路上的行人及車輛橫越道口時，不能提前發(fā)現(xiàn)專用線調(diào)車作業(yè)。另外，由于建筑物遮擋，調(diào)車作業(yè)列車接近道口，前方領車人員不能及時發(fā)現(xiàn)通過道口的行人和車輛狀況，容易造成列車與行人、車輛相撞的事故。由于道口沒有警示裝置，甚至有時發(fā)生行人和車輛強過、硬闖道口的危險狀況。因此，專用線無人值守道口在調(diào)車作業(yè)時具有一定的安全隱患，為了更好的保障鐵路專用線運輸安全，研制一種新型專用線無人值守道口調(diào)車作業(yè)安全預警裝置。

1 設計思路

目前，報警裝置的傳感器主要有傳統(tǒng)的電磁式傳感器，車輪通過傳感器時觸發(fā)信號，應用有線或無線通信方式進行傳輸報警，需要布設通信線纜或者電源線纜，安裝有點復雜，而且維護困難，在工務維修時易遭到破壞。因此，新型報警裝置在列車接近道口范圍內(nèi)通過射頻識別技術啟動報警信號，提醒準備通過道口的車輛和行人注意觀察列車接近。由于該裝置常年置于戶外，除了考慮裝置的實用性，還需要考慮裝置的可靠性和穩(wěn)定性?；谀壳暗牡揽诎踩A警現(xiàn)狀，新型道口預警裝置應具有使用方便、易安裝、易維護的特點，可對預警裝置進行遠程管理和狀態(tài)查詢。

2 硬件設計

該裝置分為前端采集、控制單元、報警模塊、太陽能供電和數(shù)據(jù)傳輸五部分。圖1為預警裝置結(jié)構圖。

圖1 預警裝置結(jié)構圖

2．1 前端采集系統(tǒng)

前端采集系統(tǒng)采用遠距離射頻識別技術（RFID）進行來車檢測，主要包括手持終端和閱讀器二部分，應用原理為閱讀器對調(diào)車人員攜帶的終端進行識別，進而能夠識別到通過的列車。RFID為非接觸式的自動識別技術，通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數(shù)據(jù)，其最重要的優(yōu)點是能穿透雪、霧、冰、涂料、塵垢和條形碼無法使用的惡劣環(huán)境閱讀標簽，閱讀速度極快，多數(shù)情況下不到100ms。

RFID由電子標簽、讀寫器和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)三部分組成。其中，電子標簽由天線和RFID芯片組成，每個芯片都含有唯一的識別碼，用來表示電子標簽所附著的物體。最近幾年有源標簽RFID產(chǎn)品具有遠距離自動識別的特性，應用范圍極廣，工作頻率有超高頻433MHz、微波2．45GHz和5．8GHz。ISO／IEC制定了5種頻段的空中接口協(xié)議，規(guī)范讀寫器與電子標簽之間信息交互，以及不同廠家生產(chǎn)的設備之間互聯(lián)互通。圖2為射頻識別系統(tǒng)結(jié)構圖。

圖2 射頻識別系統(tǒng)結(jié)構圖

一般要求列車接近專用線道口時間40s開始報警，經(jīng)過道口的最大速度為30km／h，換算為報警距離約333m，由于報警距離比較遠，閱讀器采用 內(nèi)核和 無線技術設計，具有靈敏度高、抗干擾強和識別距離遠的特點，外接定向天線，識別距離可達300m以上，識別距離可以根據(jù)現(xiàn)場情況進行調(diào)節(jié)，閱讀器和報警裝置安裝在專用線道口，閱讀器識別終端接收到報警信號立即輸出開關量信號。

手持終端采用有源433MHz的電子標簽開發(fā)技術，采用紐扣電池供電，低功耗，使用壽命長，外置天線，接收靈敏度高。為了方便調(diào)車人員的操作，手持終端具有開關機按鍵，接收到閱讀器所發(fā)出的信號后進行聲音提示，調(diào)車人員可以進行按鍵報警操作。

2．2 控制單元

控制單元采用PLC進行邏輯判斷和信號處理?？删幊踢壿嬁刂破?（PLC）是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計。因此，中央控制單元采用SIEMENS的S7－200緊湊型可編程邏輯控制器CPU 222AC／DC／RLY。該PLC有8個數(shù)字輸入和6個數(shù)字輸出，其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術計算等面向用戶的指令，并通過數(shù)字量和模擬量的輸入和輸出及有關外圍設備擴充其功能。除了具有PLC的基本功能之外，還具有強大的指令集和豐富的通信功能。圖3為PLC應用設計的接線圖，其輸入端接閱讀器的輸出信號，輸出端為可直接驅(qū)動語音模塊繼電器輸出。

2．3 報警模塊

報警模塊為聲光報警單元，有過往列車通過道口時向行人和車輛發(fā)出警示。報警模塊主要應用多功能數(shù)字語音模塊FS－K51，應用工業(yè)級芯片，12～30V直流寬電壓供電，抗強干擾，適合在惡劣環(huán)境下工作，可以從計算機下載語音文件，板載25W大功率功放工作溫度－40°～＋80°。語音觸發(fā)方式可通過PLC輸出電平觸發(fā)，音量大小和播放方式可控。報警方式采用聲光報警，報警延時時間根據(jù)鐵路道口管理的相關文件規(guī)定進行計算，要求大于40s。

2．4 太陽能供電系統(tǒng)

由于鐵路專用線兩側(cè)取電不方便，供電部分采取太陽能系統(tǒng)發(fā)電。對該裝置整體功耗進行計算，太陽能電池板功率達到50W即可滿足應用，蓄電池 參數(shù)為DC 1 2V，容量為1 2Ah。立桿高度達到3m即可，基礎鋼筋混泥土灌裝，埋深為1m。

圖3 PLC接線圖

2．5 數(shù)據(jù)傳輸

報警裝置預留接口實現(xiàn)遠程調(diào)試及控制功能。為了方便對報警裝置遠程監(jiān)測和調(diào)試，設計Modbus RTU通信協(xié)議和PLC的RS－485接口進行遠程管理，采用支持電信3GEVDO的 MD－639E DTU模塊進行開發(fā)，可以遠程調(diào)試PLC，應用穩(wěn)定可靠。

3 軟件設計

上位機管理軟件要求功能豐富和界面友好，選擇LABVIEW圖形化軟件進行開發(fā)，實現(xiàn)運行狀態(tài)、閱讀器狀態(tài)和電源等監(jiān)測功能，盡可能達到管理人員足不出戶，掌握設備的運行狀態(tài)，便于維護和管理。主控單元程序分為閱讀器輸出采集、報警輸出控制和故障檢測3個模塊，功能包括：判斷列車接近道口信號、準確控制報警模塊工作、定時控制和故障檢測。主程序采集2個射頻閱讀器的數(shù)據(jù)，通過自動／手動觸發(fā)模式，實現(xiàn)道口來車報警提示。圖4為系統(tǒng)工作流程圖。

4 總結(jié)

目前我國單線和復線的道口列車接近報警時間不小于40s，列車經(jīng)過道口速度按照20km／h計算，40s約行走220m。專用線調(diào)車列車的長度不固定，若按照200m長度計算，全車通過道口的時間約80s，報警時間設置根據(jù)不同的道口可進

圖4 系統(tǒng)工作流程圖

行調(diào)整，本方案報警時間設置為2min。在2min之內(nèi)，如果火車駛離道口，報警自動停止；如果沒有駛離，說明火車將長時間停留，2min后報警將停止，行人和車輛可通過鐵路。程序設置一定的時間實現(xiàn)去抖，防止因信號不穩(wěn)定而引起誤報警。該裝置經(jīng)過多次試驗，優(yōu)化軟硬件的設計，改進不足之處，已達到滿意的效果。

呼和浩特局專用線無人值守道口有142處，有的道口日均通過行人和車輛的流量很大，最多的達2000人次，調(diào)車次數(shù)多的達到130次，如白塔站專用線取送作業(yè)達40次。為維護鐵路運輸安全生產(chǎn)，在鐵路無人看守道口設置自動報警裝置，能有效避免無人看守道口交通事故的發(fā)生，保證行人和車輛的安全通行。該安全預警裝置的研制，起到強化調(diào)車作業(yè)安全的作用，也為我國鐵路道口行人和車輛安全通行提供了一項行之有效的措施。

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