劉克鑫 張興強(qiáng)

摘要：針對鐵路護(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該并能自動報警的災(zāi)害預(yù)警監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)設(shè)計以stm32單片機(jī)為控制核心，結(jié)合測距模塊、攝像頭模塊等實(shí)現(xiàn)了對鐵路護(hù)坡安全的實(shí)時定點(diǎn)、多點(diǎn)監(jiān)測。系統(tǒng)采用的主控MCU為ARM公司的STM32F407ZGT6芯片，激光測距采用了體積小巧，精度高，魯棒性較好的PLS-K-60 激光測距模塊。

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

引言

全是鐵路永恒不變的主題。在整個鐵路運(yùn)輸過程中，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、無規(guī)律、不可預(yù)測等特點(diǎn)，這對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)成了亟待解決的問題。

1.系統(tǒng)方案設(shè)計

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)測距，液晶顯示數(shù)據(jù)，數(shù)模轉(zhuǎn)換，聲光報警，攝像頭影像監(jiān)控，2.4G無線數(shù)據(jù)傳輸。測距頭通過將激光束發(fā)射到帶有標(biāo)識的表面，收集測距信息，并通過RS232接口將其信息轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可以接受的數(shù)據(jù)，通過對單片機(jī)的相應(yīng)的引腳進(jìn)行設(shè)置，從而通過IO把數(shù)據(jù)信息輸出到液晶顯示，并使測得數(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燈控制引腳使能，進(jìn)而產(chǎn)生聲光報警，并通過無線傳輸模塊將所產(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)測距，激光二極管對準(zhǔn)目標(biāo)物發(fā)射激光脈沖，激光經(jīng)過目標(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此飛行時間結(jié)合運(yùn)動學(xué)公式來測得與目標(biāo)物的距離，即光速與飛行時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)時檢測，在該模式下會以連續(xù)的方式執(zhí)行測距測量。一旦測量結(jié)束，下一次測量就會立即啟動，用戶必須停止測距才能返回到待機(jī)狀態(tài)，最后的一次測量在停止前完成。采用多個激光測距頭進(jìn)行多點(diǎn)激光測距，可靠性高，而且多點(diǎn)測量監(jiān)測面積大魯棒性好。

2.硬件電路設(shè)計

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，時鐘高達(dá)168M;存儲容量1024FLASH，192K SRAM;支持FPU（浮點(diǎn)運(yùn)算）和DSP指令。多達(dá)17個通信接口和定時器，豐富的引腳和功能更是為電路設(shè)計提供了優(yōu)良的基礎(chǔ)。

2.2測距模塊的選擇

根據(jù)實(shí)際情況，要求模塊要能夠進(jìn)行長距離多點(diǎn)測量，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)用需要連接多臺激光測距模塊同時工作讀取距離值。在多從系統(tǒng)中，每個模塊接入網(wǎng)絡(luò)之前，所以每個模塊設(shè)置成不同地址位以避免沖突，然后通過控制單片機(jī)的總線讀取指定的所測量距離，分析實(shí)際應(yīng)用情況我們選擇了連續(xù)測量模式，即進(jìn)入連續(xù)測量：將模塊的連續(xù)測量控制引腳拉 P13.nCTRL 低后，再輸入 D/M/F 三個命令中的一個后，那么模塊就會開始連續(xù)測量，測量的速度根據(jù) D/M/F 三個命令進(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無線通信、口對口通信、利用雙口RAM作為緩沖器通信、WPM、RS232以及DMA等。因?yàn)楸驹O(shè)計涉及到傳輸距離和準(zhǔn)確性問題，并且本設(shè)計需要多點(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)測傳輸數(shù)據(jù)的需要。

2.4攝像頭模塊

工作人員即可通過攝像頭影像監(jiān)控設(shè)備對現(xiàn)場進(jìn)行遠(yuǎn)程觀測，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，并且集成了自動對焦（AF）功能，帶 2 個 1W的高亮 LED 閃光燈，具有非常高的性價比。

2.5OLED液晶顯示

在進(jìn)行測距的同時，測得的距離信息數(shù)據(jù)會通過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IO口實(shí)時將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絆LED顯示屏上，以便工作人員進(jìn)行實(shí)時觀測，同時，內(nèi)部建立數(shù)據(jù)庫，以便日后進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)用與對比。

2.6聲光報警

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

3.軟件系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計包括控制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，可以讓用戶在對設(shè)計過程中實(shí)時查看相關(guān)信息，以便于迅速做出調(diào)整。程序流程圖如下所示。

3.2測距代碼實(shí)現(xiàn)

外部中斷串口接收測距數(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; //清空計數(shù)器

if（USART3_RX_STA==0） //使能定時器3中斷

{TIM3->CR1|=1<<0; //使能定時器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

該鐵路護(hù)坡災(zāi)害預(yù)警檢測系統(tǒng)設(shè)計具有以下優(yōu)點(diǎn)：采用多點(diǎn)激光測距，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)測量監(jiān)測面積大魯棒性好。成本低便于實(shí)施。結(jié)合OLED實(shí)時數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)與聲光報警系統(tǒng)，使得工作人員可以實(shí)時了解護(hù)坡狀態(tài)，使得安全保障大大增加。

參考文獻(xiàn)：

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[3]]李昕源，趙津藝，徐潔.基于stm32f407單片機(jī)的車內(nèi)攝像拍照監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)[J].技術(shù)與市場，2019，26（12）：128-129.

[4] 趙全利.單片機(jī)原理與應(yīng)用技術(shù)（基于keil C與proteus）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2016

臨沂大學(xué)自動化與電氣學(xué)院 276000