軌道區(qū)段占用檢測(cè)系統(tǒng)的NB-IoT網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)*

陳子聰，熊志金

（廣州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程學(xué)院，廣州 511300）

0 引言

軌道區(qū)段占用檢測(cè)系統(tǒng)作為軌道交通領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，其演進(jìn)歷程從最初的人工巡檢到電子信號(hào)系統(tǒng)，再到現(xiàn)代傳感器技術(shù)和人工智能的迅猛發(fā)展，見(jiàn)證了該領(lǐng)域的巨大進(jìn)步。上述系統(tǒng)通過(guò)傳感器、監(jiān)控?cái)z像頭、激光測(cè)距儀等設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)軌道狀態(tài)，確保列車安全運(yùn)行和軌道設(shè)備正常維護(hù)[1-7]。華澤璽[1]對(duì)鐵路車站軌道區(qū)段占用檢測(cè)進(jìn)行了研究，提出了一種新的計(jì)軸設(shè)備占用檢測(cè)方法，并結(jié)合仿真和實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。針對(duì)懸掛式單軌列車位置檢測(cè)問(wèn)題，易立富等[3]提出了一種基于光纖光柵的懸掛式單軌列車位置檢測(cè)方法，可有效實(shí)現(xiàn)對(duì)軌道區(qū)段的占用狀態(tài)和列車完整性的檢測(cè)。軌道區(qū)段占用檢測(cè)系統(tǒng)持續(xù)的自動(dòng)化和智能化，將進(jìn)一步適應(yīng)復(fù)雜的交通環(huán)境，提高列車運(yùn)行的安全性和效率。

20 世紀(jì)末，由MIT 的Kevin Ashton 提出的物聯(lián)網(wǎng)代表信息技術(shù)領(lǐng)域的一項(xiàng)重大演進(jìn)，并隨著技術(shù)和基礎(chǔ)設(shè)施的逐漸成熟而迅速發(fā)展[8-9]。早期的應(yīng)用主要集中在利用射頻識(shí)別技術(shù)（Radio Frequency Identification，RFID）實(shí)現(xiàn)物品追蹤和管理[10]。然而，隨著互聯(lián)網(wǎng)的普及，物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)始廣泛滲透到各個(gè)領(lǐng)域，包括智能家居、智能城市、醫(yī)療保健、工業(yè)自動(dòng)化等。當(dāng)前，物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為多個(gè)行業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)，與邊緣計(jì)算[11-12]、人工智能[13-14]和大數(shù)據(jù)分析[15]等技術(shù)融合，為實(shí)現(xiàn)智能化和預(yù)測(cè)性能提供了強(qiáng)大支持。

不同的終端設(shè)計(jì)和應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)于通信技術(shù)的選擇和網(wǎng)絡(luò)特性要求具有多樣性，主要包含傳輸距離、網(wǎng)絡(luò)特性、網(wǎng)絡(luò)品質(zhì)等方面。NB-IoT 作為物聯(lián)網(wǎng)中的一個(gè)重要分支，專注于連接低功耗、低數(shù)據(jù)速率的設(shè)備，為遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制提供高效解決方案[16]。自2016 年標(biāo)準(zhǔn)制定以來(lái)，NB-IoT 得到了廣泛支持，并在全球范圍內(nèi)快速部署。其顯著特點(diǎn)包括低功耗和長(zhǎng)壽命，使得設(shè)備能夠長(zhǎng)期運(yùn)行，尤其適用于偏遠(yuǎn)或難以訪問(wèn)的環(huán)境。NB-IoT 已廣泛應(yīng)用于智能城市、交通監(jiān)測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域，且隨著5G 網(wǎng)絡(luò)的推廣，其性能和覆蓋范圍將進(jìn)一步提升，預(yù)計(jì)將在更多應(yīng)用場(chǎng)景中發(fā)揮關(guān)鍵作用，為數(shù)據(jù)采集和分析提供更多創(chuàng)新解決方案[17-21]。在相關(guān)研究中，黃日華等[17]成功構(gòu)建了一種基于NB-IoT 和云平臺(tái)技術(shù)的豬舍環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)豬舍環(huán)境的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)調(diào)控。此外，針對(duì)照明路燈的能耗和管理模式問(wèn)題，翁苗[18]提出了一種基于NB-IoT 的智慧路燈控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了路燈的遠(yuǎn)程智能控制，進(jìn)一步降低了電耗和維護(hù)成本。徐濤等學(xué)者通過(guò)分析我國(guó)北方冬季存在的供熱困難問(wèn)題，結(jié)合NB-IoT技術(shù)，提出了一種基于NB-IoT的集中供熱閥門遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，可方便居民實(shí)現(xiàn)更便捷的遠(yuǎn)程供熱控制。因此，通過(guò)NB-IoT的持續(xù)發(fā)展，其應(yīng)用成本將進(jìn)一步下降，有望促使其更廣泛地應(yīng)用于不同的產(chǎn)業(yè)和領(lǐng)域。

基于上文的討論，本文針對(duì)軌道區(qū)段占用無(wú)線檢測(cè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信需求，基于阿里云平臺(tái)，結(jié)合移遠(yuǎn)BC260Y 模組，設(shè)計(jì)了一種NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點(diǎn)，主要包含NB-IoT 模塊電路、串口通信模塊電路、USIM 接口模塊電路和電源模塊電路等四方面的設(shè)計(jì)。實(shí)際測(cè)試表明，所設(shè)計(jì)的NB-IoT網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點(diǎn)可以正常連接阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)進(jìn)行軌道區(qū)段占用檢測(cè)信息和鋼軌損傷情況的數(shù)據(jù)傳輸，完全滿足軌道區(qū)段占用檢測(cè)系統(tǒng)的無(wú)線通信需求。

1 設(shè)計(jì)原理

1.1 軌道區(qū)段占用檢測(cè)系統(tǒng)介紹

基于光纖光柵的軌道占用狀態(tài)檢測(cè)方法，本文的思路如下：在所監(jiān)測(cè)區(qū)段安裝計(jì)軸點(diǎn)，每個(gè)計(jì)軸點(diǎn)有2 個(gè)光纖光柵應(yīng)變式傳感器，用于監(jiān)測(cè)在這個(gè)軌道區(qū)段上運(yùn)行的列車軸數(shù)及方向，每個(gè)傳感器通過(guò)一根光纖線將數(shù)據(jù)信息傳到光纖光柵解調(diào)儀，經(jīng)解調(diào)儀把光信號(hào)轉(zhuǎn)為數(shù)據(jù)信號(hào)后傳給工控機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器數(shù)據(jù)分析并處理，得到列車軸數(shù)及軌道占用狀態(tài)。

此外，在所監(jiān)測(cè)的軌道段內(nèi)，分別在兩鋼軌安裝發(fā)射端及接收端的超聲波探頭。數(shù)據(jù)由發(fā)射站發(fā)出，經(jīng)鋼軌傳導(dǎo)，由接收站接收發(fā)射站發(fā)出的超聲波信號(hào)，再對(duì)信號(hào)做濾波放大等處理，通過(guò)幅值比較等方式，分析在給定的時(shí)間內(nèi)是否接收到了發(fā)射站發(fā)射的預(yù)先設(shè)定好的超聲波信號(hào)，以此來(lái)判斷從發(fā)射站到接收站之間的軌道是否有斷軌現(xiàn)象發(fā)生，數(shù)據(jù)最后通過(guò)串口直接傳送到工控機(jī)。軌道區(qū)段占用檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

圖1 軌道區(qū)段占用檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成

1.2 網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點(diǎn)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

NB-IoT 無(wú)線通信模塊的工作原理基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)，采用窄帶通信技術(shù)，能夠在低功耗和低數(shù)據(jù)速率的情況下實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離通信。該模塊的通信是通過(guò)蜂窩基站進(jìn)行的。蜂窩基站實(shí)現(xiàn)了無(wú)線電發(fā)射器和接收器的作用，能夠與多個(gè)設(shè)備進(jìn)行通信。當(dāng)設(shè)備需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，它會(huì)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)礁浇姆涓C基站，然后基站負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到目標(biāo)設(shè)備。一旦目標(biāo)設(shè)備接收到數(shù)據(jù)，它會(huì)向基站發(fā)送確認(rèn)信號(hào)，以通知基站已經(jīng)成功接收數(shù)據(jù)。這種通信方式有助于實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的可靠通信，適用于物聯(lián)網(wǎng)等需要低功耗、廣覆蓋和長(zhǎng)距離通信的應(yīng)用場(chǎng)景。

具體而言，本文所設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點(diǎn)主要作用是實(shí)現(xiàn)工控機(jī)和阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的無(wú)線通信，將工控機(jī)處理好的計(jì)軸、軌道占用、斷軌和鋼軌損傷等信息發(fā)送至阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄。網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點(diǎn)的總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點(diǎn)的總體結(jié)構(gòu)

2 網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點(diǎn)原理

NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點(diǎn)的原理設(shè)計(jì)主要包含4 個(gè)部分，分別是NB-IoT 模塊電路、串口通信模塊電路、USIM接口模塊電路和電源模塊電路。

2.1 NB-IoT模塊電路設(shè)計(jì)

移遠(yuǎn)BC260Y 是一款性能卓越、功耗低廉且支持多頻段的LTE Cat NB2 無(wú)線通信模塊。其緊湊的尺寸旨在最大程度地滿足終端設(shè)備對(duì)小型模塊產(chǎn)品的需求，同時(shí)提供了豐富的外部接口和協(xié)議棧，支持多種物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)。此外，它采用了更易于焊接的LCC 封裝，可通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)SMT 設(shè)備實(shí)現(xiàn)模塊的高效生產(chǎn)，以滿足各種復(fù)雜環(huán)境下的應(yīng)用需求。因此，本文選擇移遠(yuǎn)BC260Y 模組用于NB-IoT網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，如圖3所示。

圖3 NB-IoT模塊電路

此外，本設(shè)計(jì)還采用了PBY160808T-601Y-N 疊層片式鐵氧體磁珠以抑制信號(hào)線、電源線上的高頻干擾，削減靜電脈沖的影響。

2.2 串口通信模塊電路設(shè)計(jì)

CP2102 是高度集成的USB 轉(zhuǎn)UART 控制器芯片，支持調(diào)制解調(diào)器全功能信號(hào)，無(wú)需外部的USB 器件。本設(shè)計(jì)采用CP2102進(jìn)行串口通信模塊設(shè)計(jì)，如圖4所示。

圖4 串口通信模塊電路

本設(shè)計(jì)采用BUS1 檢測(cè)是否接入U(xiǎn)SB，若接入，則BUS1為高電平，信號(hào)經(jīng)過(guò)共集電極放大電路，信號(hào)放大打開(kāi)Q2mos管，使VBUS腳輸出5 V 電壓，維持USB端供電，當(dāng)沒(méi)有接入U(xiǎn)SB時(shí)，斷開(kāi)，省電。

2.3 USIM接口模塊電路設(shè)計(jì)

USIM接口支持模塊訪問(wèn)外部USIM卡，外部USIM卡通過(guò)模塊內(nèi)部的電源供電，支持1.8/3.0 V 供電，其電路原理如圖5所示。值得注意的是，USIM＿DATA 必須加上拉電阻到USIM＿VDD 以提高抗干擾能力，應(yīng)將其放置在靠近USIM卡座的位置。

圖5 USIM卡模塊電路

在圖5所示的USIM 卡模塊電路中，采用特定的電路設(shè)計(jì)方式來(lái)確保外部USIM 卡的良好性能并防止其受到潛在的損壞。為了抑制系統(tǒng)中的射頻干擾，本文在USIM接口模塊的USIM＿CLK、USIM＿RST 和USIM＿DATA 線上并聯(lián)了33 pF的電容。

外部USIM 卡插座被安置在模塊附近，確保了外部USIM 卡插座的信號(hào)線布線長(zhǎng)度不超過(guò)200 mm。此外，將外部USIM 卡插座的信號(hào)線布線遠(yuǎn)離射頻信號(hào)走線和VBAT電源線，以降低潛在的干擾風(fēng)險(xiǎn)。

在USIM 接口模塊中，還特別注意了USIM＿VDD 的去耦電容，其容量不超過(guò)1 μF，并將這個(gè)電容盡可能靠近外部USIM卡插座以提高性能。

2.4 電源模塊設(shè)計(jì)

TLV62568DBV 是一款高性能、低壓差、低靜態(tài)電流的線性穩(wěn)壓器，適用于多種便攜式和低功耗設(shè)備的電源管理。結(jié)合本文所設(shè)計(jì)的NB-IoT網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點(diǎn)使用場(chǎng)景，利用其進(jìn)行電源模塊設(shè)計(jì)，電源模塊電路如圖6所示。

圖6 電源模塊電路

2.5 PCB結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在PCB結(jié)構(gòu)方面，為使所設(shè)計(jì)的NB-IoT網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點(diǎn)緊湊、便于安裝使用，進(jìn)行了如圖7所示的PCB排版設(shè)計(jì)。

圖7 PCB結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點(diǎn)的主體結(jié)構(gòu)尺寸為76.00 mm×33.50 mm，正面限高6 mm，背面限高3 mm。USB接口尺寸為14.8 mm×11.00 mm。

3 測(cè)試驗(yàn)證與效果分析

為確保終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息與云端數(shù)據(jù)庫(kù)保持一致，采用MQTT 主題訂閱，終端節(jié)點(diǎn)訂閱云端服務(wù)器的軌道檢測(cè)信息。當(dāng)云端服務(wù)器更新改主題信息，終端節(jié)點(diǎn)將會(huì)進(jìn)行同步更新。通過(guò)移遠(yuǎn)BC260Y 模組，所設(shè)計(jì)的NB-IoT 無(wú)線網(wǎng)卡充分利用了NB-IoT 通信特點(diǎn)，在保證終端節(jié)點(diǎn)與云端服務(wù)器信息同步的同時(shí)避免了冗余通信，提升了數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝院蜏?zhǔn)確性。

圖8和圖9分別為阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)中配置的設(shè)備運(yùn)行日志和設(shè)備信息。

圖8 阿里云平臺(tái)設(shè)備運(yùn)行日志

圖9 阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)配置的設(shè)備信息

本設(shè)計(jì)主要采用移遠(yuǎn)提供的“QCOM”工具進(jìn)行串口發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，該工具無(wú)需安裝即可運(yùn)行，方便使用。

圖10 表明所設(shè)計(jì)的NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點(diǎn)調(diào)試已完成，可成功連接至阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，并且能夠正常收發(fā)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了軌道區(qū)段占用檢測(cè)系統(tǒng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信需求。

圖10 數(shù)據(jù)收發(fā)

4 結(jié)束語(yǔ)

為滿足軌道區(qū)段占用檢測(cè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信需求，本文開(kāi)發(fā)了一種高效可靠的基于阿里云平臺(tái)的NB-IoT網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點(diǎn)，主要包含NB-IoT模塊電路、串口通信模塊電路、USIM 接口模塊電路和電源模塊電路的設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)具有多重優(yōu)勢(shì)，具備無(wú)需中間網(wǎng)關(guān)設(shè)備、廣泛的覆蓋范圍、低終端功耗以及成本效益高等特點(diǎn)。這些特性顯著提高了高鐵軌道區(qū)段占用檢測(cè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信效率和可靠性。通過(guò)實(shí)際測(cè)試，所設(shè)計(jì)的NB-IoT網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點(diǎn)可以正常連接阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)進(jìn)行軌道區(qū)段的占用檢測(cè)信息和鋼軌損傷情況的數(shù)據(jù)傳輸。經(jīng)驗(yàn)證，所設(shè)計(jì)的NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點(diǎn)完全滿足軌道區(qū)段占用檢測(cè)系統(tǒng)的無(wú)線通信需求。