鐵路護(hù)坡災(zāi)害預(yù)警檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉克鑫 張興強(qiáng)

摘要：針對(duì)鐵路護(hù)坡塌陷、異物侵入等位移性地質(zhì)災(zāi)害，本文實(shí)現(xiàn)了一種能夠自主檢測(cè)該并能自動(dòng)報(bào)警的災(zāi)害預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)以stm32單片機(jī)為控制核心，結(jié)合測(cè)距模塊、攝像頭模塊等實(shí)現(xiàn)了對(duì)鐵路護(hù)坡安全的實(shí)時(shí)定點(diǎn)、多點(diǎn)監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)采用的主控MCU為ARM公司的STM32F407ZGT6芯片，激光測(cè)距采用了體積小巧，精度高，魯棒性較好的PLS-K-60 激光測(cè)距模塊。

關(guān)鍵詞：鐵路護(hù)坡災(zāi)害;預(yù)警檢測(cè);STM32F407ZGT6芯片;連續(xù)式激光脈沖多點(diǎn)精準(zhǔn)測(cè)距

引言

全是鐵路永恒不變的主題。在整個(gè)鐵路運(yùn)輸過(guò)程中，首要任務(wù)是保證運(yùn)輸安全。隨著高速鐵路與高速列車技術(shù)的快速發(fā)展，高速鐵路列車運(yùn)行速度的提高和列車密度的加大，如何保證行車安全變得越來(lái)越重要，各種異物侵入以及鐵路護(hù)坡塌陷事故[1]等具有突發(fā)性、無(wú)規(guī)律、不可預(yù)測(cè)等特點(diǎn)，這對(duì)行車安全保障體系提出了更高的要求。而原有既有線的安全模式已不能滿足高速鐵路運(yùn)行的要求。2020年3月30日在京廣鐵路湖南郴州段發(fā)生的列車脫軌事故，其直接原因就是附近山體滑坡，T179次列車撞上塌方體，中斷行車。因此針對(duì)鐵路護(hù)坡危害，構(gòu)建可靠安全的鐵路安全監(jiān)控系統(tǒng)成了亟待解決的問(wèn)題。

1.系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

如圖2 系統(tǒng)原理圖，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主要功能有：激光脈沖式多點(diǎn)精準(zhǔn)測(cè)距，液晶顯示數(shù)據(jù)，數(shù)模轉(zhuǎn)換，聲光報(bào)警，攝像頭影像監(jiān)控，2.4G無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸。測(cè)距頭通過(guò)將激光束發(fā)射到帶有標(biāo)識(shí)的表面，收集測(cè)距信息，并通過(guò)RS232接口將其信息轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可以接受的數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)單片機(jī)的相應(yīng)的引腳進(jìn)行設(shè)置，從而通過(guò)IO把數(shù)據(jù)信息輸出到液晶顯示，并使測(cè)得數(shù)據(jù)與預(yù)先設(shè)置的最大限度數(shù)據(jù)范圍相比較，若不在范圍內(nèi)，則使得聲音控制引腳以及信號(hào)燈控制引腳使能，進(jìn)而產(chǎn)生聲光報(bào)警，并通過(guò)無(wú)線傳輸模塊將所產(chǎn)生的信息數(shù)據(jù)輸出到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。

系統(tǒng)采用連續(xù)式激光脈沖多點(diǎn)精準(zhǔn)測(cè)距，激光二極管對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)物發(fā)射激光脈沖，激光經(jīng)過(guò)目標(biāo)物反射到傳感器接收器上，被光學(xué)系統(tǒng)接收后成像到雪崩光電二極管上通過(guò)此飛行時(shí)間結(jié)合運(yùn)動(dòng)學(xué)公式來(lái)測(cè)得與目標(biāo)物的距離，即光速與飛行時(shí)間一半的乘積即為與目標(biāo)物的距離。為了進(jìn)行災(zāi)害實(shí)時(shí)檢測(cè)，在該模式下會(huì)以連續(xù)的方式執(zhí)行測(cè)距測(cè)量。一旦測(cè)量結(jié)束，下一次測(cè)量就會(huì)立即啟動(dòng)，用戶必須停止測(cè)距才能返回到待機(jī)狀態(tài)，最后的一次測(cè)量在停止前完成。采用多個(gè)激光測(cè)距頭進(jìn)行多點(diǎn)激光測(cè)距，可靠性高，而且多點(diǎn)測(cè)量監(jiān)測(cè)面積大魯棒性好。

2.硬件電路設(shè)計(jì)

2.1控制器電路

控制器選用ARM公司生產(chǎn)的stm32f4zgt6芯片，內(nèi)核為32位高性能ARM Cortex-M4處理器，時(shí)鐘高達(dá)168M;存儲(chǔ)容量1024FLASH，192K SRAM;支持FPU（浮點(diǎn)運(yùn)算）和DSP指令。多達(dá)17個(gè)通信接口和定時(shí)器，豐富的引腳和功能更是為電路設(shè)計(jì)提供了優(yōu)良的基礎(chǔ)。

2.2測(cè)距模塊的選擇

根據(jù)實(shí)際情況，要求模塊要能夠進(jìn)行長(zhǎng)距離多點(diǎn)測(cè)量，并且要惡劣環(huán)境下能夠繼續(xù)保持工作，因此我們選擇了抗干擾能力較強(qiáng)的PLS-K-60，我們終端應(yīng)用需要連接多臺(tái)激光測(cè)距模塊同時(shí)工作讀取距離值。在多從系統(tǒng)中，每個(gè)模塊接入網(wǎng)絡(luò)之前，所以每個(gè)模塊設(shè)置成不同地址位以避免沖突，然后通過(guò)控制單片機(jī)的總線讀取指定的所測(cè)量距離，分析實(shí)際應(yīng)用情況我們選擇了連續(xù)測(cè)量模式，即進(jìn)入連續(xù)測(cè)量：將模塊的連續(xù)測(cè)量控制引腳拉 P13.nCTRL 低后，再輸入 D/M/F 三個(gè)命令中的一個(gè)后，那么模塊就會(huì)開始連續(xù)測(cè)量，測(cè)量的速度根據(jù) D/M/F 三個(gè)命令進(jìn)行。

2.3通信方式的選擇

常見的通信方式有SPI/I2C模式通信、2.4G無(wú)線通信、口對(duì)口通信、利用雙口RAM作為緩沖器通信、WPM、RS232以及DMA等。因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)涉及到傳輸距離和準(zhǔn)確性問(wèn)題，并且本設(shè)計(jì)需要多點(diǎn)通信和調(diào)頻通信，我們最終選擇了4G的通信方式并采用高新興物聯(lián)（GOSUNCN）公司的 LTE Cat.4 模塊。選用PID 型號(hào)是：C2E_L。該模塊采用 SMT 封裝形式，其性能穩(wěn)定、外觀精巧、性價(jià)比高。支持 LTE-FDD、LTE-TDD、WCDMA 及 GSM 制式的全網(wǎng)通模塊，并支持 LTE Cat.4。在 LTE制式下，該模組可以提供最大 50Mbps 上行速率和 150Mbps 下行速率。極大滿足了在野外護(hù)坡監(jiān)測(cè)傳輸數(shù)據(jù)的需要。

2.4攝像頭模塊

工作人員即可通過(guò)攝像頭影像監(jiān)控設(shè)備對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程觀測(cè)，判斷是否發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害。該模塊我們選用ALIENTEK推出的一款高性能 500W 像素高清攝像頭模塊，該模塊采用 OmniVision 公司生產(chǎn)的一顆 1/4英寸 CMOS QSXGA（2592*1944）圖像傳感器：OV5640。ATK-OV5640 模塊采用該 OV5640傳感器作為核心部件，集成有源晶振和 LDO，并且集成了自動(dòng)對(duì)焦（AF）功能，帶 2 個(gè) 1W的高亮 LED 閃光燈，具有非常高的性價(jià)比。

2.5OLED液晶顯示

在進(jìn)行測(cè)距的同時(shí)，測(cè)得的距離信息數(shù)據(jù)會(huì)通過(guò)RS232接口將信息轉(zhuǎn)換為單片機(jī)可以接收的數(shù)據(jù)，單片機(jī)通過(guò)IO口實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絆LED顯示屏上，以便工作人員進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)，同時(shí)，內(nèi)部建立數(shù)據(jù)庫(kù)，以便日后進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)用與對(duì)比。

2.6聲光報(bào)警

激光脈沖測(cè)得數(shù)據(jù)與預(yù)先設(shè)置的最大限度數(shù)據(jù)范圍相比較，對(duì)于數(shù)據(jù)超出限制范圍的情況，單片機(jī)通過(guò)控制相應(yīng)引腳使能，進(jìn)而控制報(bào)警器與信號(hào)燈產(chǎn)生相應(yīng)聲光報(bào)警。

3.軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括控制stm32f407zgt6內(nèi)部運(yùn)行程序和2.4G通信協(xié)議，以及使得各個(gè)模塊相互協(xié)作所需的程序。這三部分的程序都采用了標(biāo)準(zhǔn)程序開發(fā)的模塊化設(shè)計(jì)規(guī)范，提高程序的可讀性和可維護(hù)性，為以后的系統(tǒng)程序開發(fā)和完善提供了方便。

3.1應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)

本系統(tǒng)應(yīng)用程序采用C語(yǔ)言編寫，使用Keil uVision5集成開發(fā)環(huán)境進(jìn)行軟件開發(fā)，Keil uVision5是一款專業(yè)的C語(yǔ)言軟件開發(fā)系統(tǒng)，在該軟件中匯集了C編譯器、宏匯編、連接器、庫(kù)管理等強(qiáng)大的功能，并且還提供了編譯器、安裝包和調(diào)試跟蹤等工具，可以讓用戶在對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程中實(shí)時(shí)查看相關(guān)信息，以便于迅速做出調(diào)整。程序流程圖如下所示。

3.2測(cè)距代碼實(shí)現(xiàn)

外部中斷串口接收測(cè)距數(shù)據(jù)部分程序：

void USART3_IRQHandler（void）

{u8 res;

if（USART3->SR&（1<<5））//接收到數(shù)據(jù)

{res=USART3->DR;

if（（USART3_RX_STA&（1<<15））==0）//判斷接收完畢的數(shù)據(jù)是否被處理，如果未處理，則不再接收任何數(shù)據(jù)

{ if（USART3_RX_STA<USART3_MAX_RECV_LEN） //還可以接收數(shù)據(jù)

{TIM3->CNT=0; //清空計(jì)數(shù)器

if（USART3_RX_STA==0） //使能定時(shí)器3中斷

{TIM3->CR1|=1<<0; //使能定時(shí)器3

}

USART3_RX_BUF[USART3_RX_STA++]=res; //記錄接收到的值

}

else

{USART3_RX_STA|=1<<15; //強(qiáng)制標(biāo)記接收完成

} }}

5.結(jié)語(yǔ)

該鐵路護(hù)坡災(zāi)害預(yù)警檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有以下優(yōu)點(diǎn)：采用多點(diǎn)激光測(cè)距，可靠性高，精度高?？垢蓴_能力強(qiáng)，能夠抵抗惡劣天氣影響。多點(diǎn)測(cè)量監(jiān)測(cè)面積大魯棒性好。成本低便于實(shí)施。結(jié)合OLED實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)與聲光報(bào)警系統(tǒng)，使得工作人員可以實(shí)時(shí)了解護(hù)坡狀態(tài)，使得安全保障大大增加。

參考文獻(xiàn)：

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臨沂大學(xué)自動(dòng)化與電氣學(xué)院 276000