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)則是關(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)程明確規(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(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)巡檢,大大提高了效率和安全系數(shù)

2、二、系統(tǒng)原理該系統(tǒng)主要包括 MCU（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，加速度傳感器用于檢測(cè)鐵鞋是否處 于被移動(dòng)和被撬兩種不同的狀況，MCU 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)短信，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：室內(nèi)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

3、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(jì)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(hào)分析與處理。 MSP430 內(nèi)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 片內(nèi)還提供高精度、低偏差并經(jīng)過工廠校準(zhǔn)的 2.5 V 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)采用的是 Freescale 的 MMA7360 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

4、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(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)到鐵鞋輕微的移動(dòng)，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(gè)輸出端分別接 RC 濾波器，以濾除噪 聲。三維模擬加速度信號(hào)經(jīng)微處理器內(nèi)置的三通道 AD 轉(zhuǎn)換 后，由 CPU 進(jìn)

5、行數(shù)字信號(hào)處理3。2.1.2 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(jì)如圖 3 所示4。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，那就要求采樣頻率 fs8000Hz，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

6、的錄入、存儲(chǔ)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(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)體存儲(chǔ)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 AD、 DA 轉(zhuǎn)換； 內(nèi)部集成了大容量的 EE- PROM， 不再需要擴(kuò)展存儲(chǔ)器； 控制簡單， 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)榱炕蛪嚎s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(jì)該系統(tǒng)主要功能是實(shí)現(xiàn)檢

7、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、GSM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)，如鐵鞋沒 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)，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 MCU的控制程序設(shè)計(jì) 控制程序主要處理兩類信號(hào)：第一類是由測(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

8、統(tǒng)會(huì)給控制器一個(gè)信號(hào)，此時(shí)，微處理器開始執(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 器內(nèi)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，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(bào)警，采用何種方式報(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(jì)了一個(gè)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

9、擾。由于輸入信號(hào)比較小，所有濾 波器中的放大器采用的精密運(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。圖5 低通濾波器電路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)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，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)定波特率、禁止TC35I指令回寫、設(shè)定 PDU格式、設(shè)定工作方式。對(duì)應(yīng)指令形式如表1所示

10、。 系統(tǒng)的短消息發(fā)送可以采取文本格式和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(xiàng)，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(dòng)”和“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(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)鐵鞋被快速的拖動(dòng)時(shí)，此時(shí)在車站站臺(tái) 上的工作人員能收到“鐵鞋在快速移動(dòng)”的短信。當(dāng)鐵鞋由于 振動(dòng)等原因發(fā)生緩慢移動(dòng)，采集到加速度信號(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。該系