年4月19日智能鐵鞋安全防護(hù)設(shè)計方案文檔僅供參考智能鐵鞋安全防護(hù)設(shè)計方案項目概述隨著中國鐵路運輸業(yè)的快速發(fā)展，對到發(fā)場作業(yè)的自動化水平提出了更高的要求。到發(fā)場車輛的防溜作業(yè)則是關(guān)系到鐵路安全運輸?shù)闹匾画h(huán)?！惰F路技術(shù)管理規(guī)程》明確規(guī)定：線路上停留的車輛，在不作業(yè)時，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安全問題，當(dāng)前的辦法主要是靠人員的不斷巡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、脫軌等事故。本方案提出了基于TC35i的GSM智能防溜鐵鞋系統(tǒng),當(dāng)鐵鞋沒有放置到位、被盜、移動等情況該系統(tǒng)能經(jīng)過三種不同的方式給工作人員報警,不需要工作人員定時巡檢,大大提高了效率和安全系數(shù)二、系統(tǒng)原理該系統(tǒng)主要包括MCU（MSP430）、測距、檢測模塊、加音報警模塊。系統(tǒng)框圖如圖1所示。測距模塊用來檢測鐵鞋是否正確的放置到位，當(dāng)沒有放到位時現(xiàn)場就實現(xiàn)聲音報警，加速度傳感器用于檢測鐵鞋是否處于被移動和被撬兩種不同的狀況，MCU將預(yù)先設(shè)置的指令報警信號發(fā)送給TC35i模塊，進(jìn)而通知工作人員，報警方式：先短信報警，工作人員收短信后回復(fù)短信，若TC35i模塊沒有收到回復(fù)短信，則根據(jù)需要自動執(zhí)行報警方式二：室內(nèi)語音報警，若這兩種方式都沒有引起工作人員注意，則將報警信號發(fā)給另外一個工作人員，三種方式大大提高了工作效率，減小由于主觀因素造成的安全隱患。2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計在系統(tǒng)設(shè)計中，為簡化硬件電路，選用高集成度的微處理器MSP430進(jìn)行信號分析與處理。MSP430內(nèi)置8個獨立的12bitADC通道、2個獨立的12bitDAC通道和溫度傳感器，芯片內(nèi)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，并給TC35i模塊發(fā)送報警信號。2..1.1加速度傳感器的選擇及電路設(shè)計本系統(tǒng)采用的是Freescale的MMA7360電容性三軸向低重力加速計，能夠方便地檢測到位置、姿態(tài)、運動的變化，MMA7360的可選靈敏度允許是1.5g/6g，采用的GA封裝，適合占地空間小的便攜式應(yīng)用。MMA7360和ADUC841的接口電路如圖2所示。設(shè)置MMA7360加速度的范圍為士1.5g，傳感器感知三維加速度信號，此時傳感器的最高靈敏度為800Mv/g,能夠使系統(tǒng)檢測到鐵鞋輕微的移動，傳送給微處理器進(jìn)行處理。由于MMA7360內(nèi)部采用開關(guān)電容濾波器，需要在XOUT、YOUT、ZOUT和三個輸出端分別接RC濾波器，以濾除噪聲。三維模擬加速度信號經(jīng)微處理器內(nèi)置的三通道A／D轉(zhuǎn)換后，由CPU進(jìn)行數(shù)字信號處理[3]。2.1.2短信電路設(shè)計短信電路采用西門子公司生產(chǎn)的TC35i模塊作為電路的核心，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、內(nèi)存ZIF連接器、天線接口等幾部分組成，電路設(shè)計如圖3所示[4]。圖3短信報警電路設(shè)計2.1.3語音電路設(shè)計當(dāng)前市場上流行的語音芯片有很多，但要使語音不失真地被采樣，那就要求采樣頻率fs≥8000Hz，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技術(shù)DAST，完成語音的錄入、存儲及分段輸出，因而失真小，使用方便。不需專用語音開發(fā)工具，10萬次錄音周期，自動靜噪功能，不耗電信息可保存100年。ISD系列語音芯片具有以下特點：①采用模擬數(shù)據(jù)在半導(dǎo)體存儲器直接存儲的專利技術(shù)，即將模擬語音數(shù)據(jù)直接寫入單個存儲單元，不需經(jīng)過A／D、D／A轉(zhuǎn)換；②內(nèi)部集成了大容量的EE-PROM，不再需要擴(kuò)展存儲器；③控制簡單，控制引腳與TTL電平兼容；④能較好地真實再現(xiàn)語音的自然效果，避免了一般固體語音電路因為量化和壓縮所造成的量化噪聲和失真現(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)計該系統(tǒng)主要功能是實現(xiàn)檢測和報警，因此軟件設(shè)計主要分成了MCU的控制程序、GSM模塊和語音電路設(shè)計程序三部分，軟件流程如圖4所示。首先檢測測距系統(tǒng)信號，如鐵鞋沒有放置到位，測距系統(tǒng)會給出信號給處理器，處理器就會立即報警，此時工作人員就能很快明白，放置不正確。如測距系統(tǒng)沒有給出信號，就再經(jīng)過加速度傳感器檢測鐵鞋是否有移動的信號，若有，就立即啟動報警程序，給手機(jī)工作人員發(fā)送相應(yīng)的報警信息，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)。2.2.1MCU的控制程序設(shè)計控制程序主要處理兩類信號：第一類是由測距裝置獲取的測距信號，當(dāng)鐵鞋沒有放置到位（超過預(yù)先設(shè)定的初值），測距系統(tǒng)會給控制器一個信號，此時，微處理器開始執(zhí)行聲音報警程序；第二類信號：是來自加速度傳感器信號，經(jīng)過微處理器內(nèi)部的A/D將加速度傳感器信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并進(jìn)行處理，微處理器根據(jù)處理的結(jié)果來判斷鐵鞋現(xiàn)在的狀態(tài)，然后再決定是否報警，采用何種方式報警。2.2.2加速度信號去噪聲處理由于在實際應(yīng)用環(huán)境中，存在各種形式的電磁干擾噪聲，而且噪聲信號的頻帶寬、信號強(qiáng)，而被測對象為較弱的位移移動信號，因此在對加速度信號進(jìn)行處理前要經(jīng)過低通濾器去掉這些高頻噪聲，這樣才能較準(zhǔn)確的獲取鐵鞋的位移信息。文章設(shè)計了一個有源Butterworth低通濾波器，濾波器采用差分輸入方式，以防止共模噪聲的干擾。由于輸入信號比較小，所有濾波器中的放大器采用的精密運放INA系列，其特點是輸入失調(diào)電壓小，噪聲系數(shù)小，放大倍數(shù)大，很適合該場合使用，具體設(shè)計如圖5所示。圖5低通濾波器電路2.2.3GSM通信模塊程序設(shè)計在ESTI（歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會）定制GPRS/SMS規(guī)范中，GSM03.38/GSM03.34/GSM07.05是和短消息有關(guān)的協(xié)議，TC35i模塊是采用AT指令集進(jìn)行控制的，經(jīng)過對AT指令對其進(jìn)行初始化配置，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接受與發(fā)送，其初始化過程為：進(jìn)行AT指令測試、設(shè)定波特率、禁止TC35I指令回寫、設(shè)定PDU格式、設(shè)定工作方式。對應(yīng)指令形式如表1所示。系統(tǒng)的短消息發(fā)送能夠采取文本格式和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，效果也不太好，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“鐵鞋發(fā)生移動”和“鐵鞋在快速移動”短信息，經(jīng)過UCS2編碼得到對應(yīng)的中文Unicode碼[5]。將系統(tǒng)模塊放置在鐵鞋內(nèi)并安放在鐵軌上，當(dāng)鐵鞋傾斜放置不到位，離軌道面距離超過5cm時，開始聲音報警，測試在火車經(jīng)過時報警，工作人員仍能聽見。鐵鞋發(fā)生移動：當(dāng)鐵鞋被快速的拖動時，此時在車站站臺上的工作人員能收到“鐵鞋在快速移動”的短信。當(dāng)鐵鞋由于振動等原因發(fā)生緩慢移動，采集到加速度信號如圖6所示。經(jīng)過設(shè)計的有源Butterworth低通濾波器處理后如圖7