崔志斌，鄔芝權，翟 旭

（西南交通大學峨眉校區(qū) 計算機與通信工程系，峨眉山 614202）

智能鐵鞋聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)研究與應用

崔志斌，鄔芝權，翟 旭

（西南交通大學峨眉校區(qū) 計算機與通信工程系，峨眉山 614202）

采用電子技術手段，對鐵鞋狀態(tài)進行監(jiān)測，對機車進行輔助控制，有效解決鐵路防溜鐵鞋安全隱患。針對目前有關鐵鞋的各項監(jiān)控措施繁多卻收效欠佳的情況，采用物聯(lián)網(wǎng)技術使多個鐵鞋聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測，在異常情況下會給出報警信號并切斷機車動力，確保機車安全。該系統(tǒng)實用性強，經(jīng)濟性好，為鐵路部門有效監(jiān)管鐵鞋提供了很好的借鑒方案。

鐵鞋；物聯(lián)網(wǎng)；智能；監(jiān)控

鐵鞋是鐵路運輸生產(chǎn)中一種應用非常廣泛的防溜設備。特別是國內鐵路，鐵鞋是目前動態(tài)防溜措施中的首選設備[1]。由于傳統(tǒng)的鐵鞋均是由人工放置、撤除，其放置地點遠離車站值班室，難以有效監(jiān)控，因而容易發(fā)生事故，鐵鞋監(jiān)控是鐵路防溜安全管理中的一個難點[2]。本文提出了一種新型的車載多路無線智能鐵鞋監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)安置于機車的駕駛室，分為車載可視化鐵鞋監(jiān)控報警設備和鐵鞋實時信號采集鐵鞋架[3]。二者在開啟后協(xié)同工作，由鐵鞋架將鐵鞋的實時信號傳送給監(jiān)控設備做進一步分析與處理，當鐵鞋在鐵鞋架上時，鐵鞋架將鐵鞋在位信號發(fā)送給監(jiān)控設備，設備此時顯示鐵鞋在位一切正常；如果遇到鐵鞋不在位的情況，監(jiān)控設備立即產(chǎn)生聲音警報，并且及時通過繼電器切斷機車的電力系統(tǒng)，讓機車無法啟動，從而有效避免事故的發(fā)生。

1 智能鐵鞋監(jiān)控系統(tǒng)的工作原理

每臺設備的中央處理單元通過檢測鐵鞋架上行程開關傳來的電平信號對鐵鞋是否在位進行監(jiān)控。當鐵鞋不在位時，行程開關傳來持續(xù)的低電平信號，設備檢測到鐵鞋不在位的低電平信號后發(fā)出聲音警報，并將報警信號通過無線收發(fā)模塊發(fā)送給其他機車上的設備，最終觸發(fā)多臺設備聯(lián)合報警機制；另外設備還可實現(xiàn)在觸發(fā)報警的同時切斷機車動力。系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)工作原理

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 系統(tǒng)總體結構

完整的多路無線智能鐵鞋監(jiān)控系統(tǒng)包括1臺主設備和若干臺從設備。它們之間相互級聯(lián)組網(wǎng)，共同完成一個車隊當中多臺機車鐵鞋的聯(lián)合監(jiān)控任務。系統(tǒng)框架如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)框架圖

2.2 系統(tǒng)單個車載設備構成

系統(tǒng)車載設備的主要功能是：實現(xiàn)多臺車載鐵鞋監(jiān)控設備的級聯(lián)組網(wǎng)，對鐵鞋架上傳來的鐵鞋實時信號進行分析與處理，從而判斷本臺機車的鐵鞋是否全部都在位，如果不在位，則在產(chǎn)生聲音警報的同時切斷機車的動力系統(tǒng)，從而防止事故的發(fā)生[4]。單個車載設備采用機車內部供電系統(tǒng)的供電方案。其硬件結構如圖3所示。

圖3 單個設備硬件結構圖

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 ZigBee組網(wǎng)形式概述

系統(tǒng)選用ZigBee技術作為車載設備之間進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o線技術，其優(yōu)點有：組網(wǎng)靈活，低功耗，低成本，短延時，高容量，高安全性。

ZigBee組網(wǎng)十分靈活，可以組成星狀、樹（簇）狀和網(wǎng)絡狀的網(wǎng)絡拓撲結構，如圖4所示。在每一種拓撲結構當中都由一臺協(xié)調器和若干臺路由器、終端節(jié)點組成。而在每種網(wǎng)絡拓撲型中都有點播、組播和廣播3種數(shù)據(jù)傳輸模式。

圖4 ZigBee網(wǎng)絡3種拓撲形式

3.2 系統(tǒng)組網(wǎng)設計

根據(jù)本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸特點和要求，系統(tǒng)組網(wǎng)方式為網(wǎng)狀型，數(shù)據(jù)傳輸方式為組播方式。采用該種方案的好處是可以實現(xiàn)多臺設備的自由組網(wǎng)并且組成的網(wǎng)絡為同一網(wǎng)絡標號下的局域網(wǎng)，受外界干擾小[6]。系統(tǒng)信號流圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)信號流圖

整個系統(tǒng)啟動之后：（1）人工將系統(tǒng)當中的一臺車載系統(tǒng)通過主機請求按鍵配置為協(xié)調器，其余車載設備均是路由器，系統(tǒng)網(wǎng)絡當中沒有設置終端節(jié)點。（2）協(xié)調器通過組播的方式建立起一個有著固定網(wǎng)絡標號的局域網(wǎng)，之后等待其他車載設備加入這個局域網(wǎng)，其他設備通過相應的組播協(xié)議加入局域網(wǎng)中。（3）在局域網(wǎng)中的所有設備都將機車鐵鞋實時信息發(fā)布到局域網(wǎng)之中，信息在局域網(wǎng)中動態(tài)流動。如果其中一臺設備檢測到鐵鞋異常，則會將異常信息發(fā)送至局域網(wǎng)之中，其余的設備都將會產(chǎn)生報警并切斷機車的動力系統(tǒng)[5]。從而讓相應的機車駕駛員檢修該機車的鐵鞋。

3.3 系統(tǒng)程序流程

圖6為系統(tǒng)程序執(zhí)行流程。系統(tǒng)上電復位后主機首先搜索網(wǎng)絡中的其余從機，如果順利搜索到則會進行自身的初始化同時檢測本機的鐵鞋狀態(tài)。隨后網(wǎng)絡內的所有鐵鞋檢測設備均將本機的鐵鞋狀態(tài)在網(wǎng)絡中傳遞，如果其中一臺設備檢測的鐵鞋狀態(tài)異常則會發(fā)出警報并切斷機車動力。

圖6 系統(tǒng)程序流程圖

4 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)測試包含兩個部分：（1）系統(tǒng)室內基本功能測試，測試內容主要考察系統(tǒng)預期功能的實現(xiàn)情況以及在系統(tǒng)運行過程中的異常狀況等；（2）系統(tǒng)室外可靠性測試，測試內容主要為考察系統(tǒng)在室外真實鐵路環(huán)境下無線傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

4.1 系統(tǒng)室內測試

系統(tǒng)實驗室測試主要包含系統(tǒng)硬件焊接、組裝、調試完成以后進行基本功能測試，圖7為系統(tǒng)的功能測試圖，測試結果如下：

（1）系統(tǒng)可實現(xiàn)在任一號位可監(jiān)控多個號位的安全情況，一旦鐵鞋未歸位，蜂鳴器發(fā)聲報警，同時顯示模塊顯示相應的防護地點；（2）網(wǎng)絡中任意一臺設備接收到報警信號，均能夠實現(xiàn)由設備內部集成的繼電器切斷機車動力；（3）從設備可以任意加入網(wǎng)絡，實現(xiàn)報警路數(shù)可根據(jù)需要任意設定的功能，通過插拔電源的便捷方式實現(xiàn)，而路數(shù)任意增減后對整個報警系統(tǒng)無影響； （4）“復位”開關正常工作，當確認某一路報警為誤報時，將按下復位開關后系統(tǒng)重啟。

圖7 系統(tǒng)功能測試圖

4.2 系統(tǒng)室外測試

系統(tǒng)室外測試的目的為測試設備室外無線傳輸?shù)姆€(wěn)定性。測試環(huán)境為校內鐵路實習基地，基地內有真實鐵軌環(huán)境，總長200 m，測試環(huán)境如圖8所示。測試過程中一共進行了6組測試，每組測試3次，最終得到表1的測試結果。

測試結論：當條件為晴朗天氣、微風、空曠的場地時，系統(tǒng)各個設備之間的通信基本正常。其中，在距離為50 m的測試條件下，通信成功率（延遲也算通信成功）保持在94.4%，100 m條件下，通信成功率為88.9%，即使在150 m的測試條件下，通信的成功率依舊保持在88.9%。由此可見，本系統(tǒng)的室外無線通信能力穩(wěn)定、可靠。

在實際的大型養(yǎng)路機械編組站中，通常情況下2～3臺大機為一個編組，普通大機的換長為27.5 m。

而在室外實地測試當中系統(tǒng)的穩(wěn)定無線通信距離也保持在了200 m以上，說明系統(tǒng)具有較高的無線通信可靠性，具有較高的實用價值。

如果遇到編組大機較多的情況，還可以依托ZigBee靈活的組網(wǎng)方式進行通信橋接，將其中1～2臺設備設置成為路由器模式，作為信號的中繼站，從而保證局域網(wǎng)中的信號強度，為編組更多的大機提供可能。

圖8 系統(tǒng)測試環(huán)境

表1 系統(tǒng)室外通信測試記錄表

5 結束語

本文設計了基于ZigBee無線通信技術的智能鐵鞋聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)具有以下幾點優(yōu)勢：（1）系統(tǒng)可靠性高，采用先進的微控制器，性能卓越，抗干擾性好，誤報率極低。（2）系統(tǒng)功能完備，既能實現(xiàn)報警功能，又能實現(xiàn)與機車動力控制系統(tǒng)聯(lián)鎖，解決了非本務機壓鐵鞋動車的設計難題。（3）擁有很強的拓展性，系統(tǒng)的監(jiān)控報警路數(shù)可任意增減，適用于任意車輛數(shù)組成的車隊，可有效防止多臺機車壓鐵鞋的情況發(fā)生，使原有的人工監(jiān)控鐵鞋的方式變得更加簡單、智能、高效。系統(tǒng)分別在室內與室外進行了實地的通信實驗，證明該系統(tǒng)運用于鐵路現(xiàn)場的可行性，具有較強的實用價值。

[1]葛 維. 基于ZigBee技術的鐵路智能鐵鞋研究[D].成都：西南交通大學，2011.

[2]姜洪偉. 基于無線通信技術的防溜鐵鞋監(jiān)控系統(tǒng)[D].上海：上海交通大學，2012.

[3]鄭云水，常樹賢，成利剛. 基于Zig Bee定位的鐵鞋監(jiān)測系統(tǒng)[J]. 傳感器與微系統(tǒng)，2012（10）：75-77，80.

[4]馬 飛，鄭云水. 基于ZigBee網(wǎng)絡的智能鐵鞋系統(tǒng)設計[J].電子技術應用，2012（12）：26-28.

[5]李林貴. 關于防溜鐵鞋實現(xiàn)遠程監(jiān)控的探討[J]. 黑龍江科技信息，2013（35）：204-205.

[6]陳所利. 制動鐵鞋的改進[J]. 哈爾濱鐵道科技，2010（2）.

責任編輯 方 圓

Intelligent Iron Shoes Online Monitoring System

CUI Zhibin, WU Zhiquan, ZHAI Xu
( Department of Computer and Communication Engineering, Southwest Jiaotong University, Emeishan 614202, China )

The electronic technology was applied to monitor the iron shoes state, make auxiliary control for the locomotive, effectively solve the hidden danger of railway anti-running iron shoes. In view of the present monitoring measures about iron shoes and less effective, the Internet of Things enabled multiple iron shoes to be networked monitoring, send out alarm signal and to cut off the locomotive power under exceptional cases, ensure the security of the locomotive. The System was practical, economical and effective, provided a good reference of iron shoes management for railway department.

iron shoes; Internet of Things; intelligent; monitoring

U260.37∶TP39

A

1005-8451（2015）12-0005-04

2015-03-11

教育部春暉計劃科研合作項目（22014044）。

崔志斌，在讀本科生；鄔芝權，實驗師。