智能铁鞋安全防护设计方案

1、智能铁鞋安全防护设计方案一、 项目概述随着我国铁路运输业的快速发展，对到发场作业的自动化 水平提出了更高的要求。到发场车辆的防溜作业则是关系到铁 路安全运输的重要一环。铁路技术管理规程明确规定：线 路上停留的车辆，在不作业时，应以铁鞋等防溜装置牢靠固 定。如何有效使用和管理好铁鞋是一个安全问题，当前的办法 主要是靠人员的不断巡检来确保铁鞋是否放置到位，是否取 出，效率低，而且容易导致铁鞋被盗、脱轨等事故。本方案提 出了基于 TC35i 的 GSM 智能防溜铁鞋系统,当铁鞋没有放置到 位、被盗、移动等情况该系统能通过三种不同的方式给工作人 员报警,不需要工作人员定时巡检,大大提高了效率和安全系数

2、二、系统原理该系统主要包括 MCU（MSP430）、测距、检测模块、加 速度传感器模块（MMA7360）、短消息发送模块（GSM）和语 音报警模块。系统框图如图 1 所示。测距模块用来检测铁鞋是否正确的放置到位，当没有放到 位时现场就实现声音报警，加速度传感器用于检测铁鞋是否处 于被移动和被撬两种不同的状况，MCU 将预先设置的 AT 指令 报警信号发送给 TC35i 模块，进而通知工作人员，报警方式： 先短信报警，工作人员收短信后回复短信，若 TC35i 模块没有 收到回复短信，则根据需要自动执行报警方式二：室内语音报 警，若这两种方式都没有引起工作人员注意，则将报警信号发 给另外一个工作人

3、员，三种方式大大提高了工作效率，减小由 于主观因素造成的安全隐患。2.1系统硬件设计在系统设计中，为简化硬件电路，选用高集成度的微处理 器 MSP430 进行信号分析与处理。 MSP430 内置 8 个独立的 12bit ADC 通道、2 个独立的 12bit DAC 通道和温度传感器，芯 片内还提供高精度、低偏差并经过工厂校准的 2.5 V 参考电 压。主要用来分析处理加速度传感器的输出信号，并给 TC35i 模块发送报警信号。2.1.1 加速度传感器的选择及电路设计本系统采用的是 Freescale 的 MMA7360 电容性三轴向低重 力加速计， 能够方便地检测到位置、 姿态、 运动的变

4、化， MMA7360 的可选灵敏度允许是 1.5g/6g，采用的 GA 封装，适 合占地空间小的便携式应用。MMA7360 和 ADUC841 的接口 电路如图 2 所示。设置 MMA7360 加速度的范围为士 1.5g，传 感 器 感 知 三 维 加 速 度 信 号 ， 此 时 传 感 器 的 最 高 灵 敏 度 为 800Mv/g,可以使系统检测到铁鞋轻微的移动，传送给微处理器 进行处理。由于 MMA7360 内部采用开关电容滤波器，需要在 XOUT、YOUT、ZOUT 和三个输出端分别接 RC 滤波器，以滤除噪 声。三维模拟加速度信号经微处理器内置的三通道 AD 转换 后，由 CPU 进

5、行数字信号处理3。2.1.2 短信电路设计短信电路采用西门子公司生产的 TC35i 模块作为电路的核心，工作在 GSM900 和 GSM1800 双频段，支持语音、数据、 短消息和传真服务，低功耗。GSM 模块主要由基带处理器、 GSM 射频模块、供电模块、内存 ZIF 连接器、天线接口等几部 分组成，电路设计如图 3 所示4。图 3 短信报警电路设计2.1.3 语音电路设计目前市场上流行的语音芯片有很多，但要使语音不失真地 被采样，那就要求采样频率 fs8000Hz，ISD40002 语音芯片是 美国 ISD 公司出品的新型优质单片录放音电路，它采用了直接 模拟量存储技术 DAST，完成语音

6、的录入、存储及分段输出， 因而失真小，使用方便。不需专用语音开发工具，10 万次录音 周期，自动静噪功能，不耗电信息可保存 100 年。ISD 系列语 音芯片具有以下特点： 采用模拟数据在半导体存储器直接 存储的专利技术，即将模拟语音数据直接写入单个存储单元， 不需经过 AD、 DA 转换； 内部集成了大容量的 EE- PROM， 不再需要扩展存储器； 控制简单， 控制引脚与 TTL 电平兼容； 能较好地真实再现语音的自然效果，避免 了一般固体语音电路因为量化和压缩所造成的量化噪声和失真 现象。因此。该语音系统选用 ISD 公司的 ISD4002 语音芯片。2.2软件设计该系统主要功能是实现检

7、测和报警，因此软件设计主要分 成了MCU的控制程序、GSM模块和语音电路设计程序三部 分，软件流程如图4所示。首先检测测距系统信号，如铁鞋没 有放置到位，测距系统会给出信号给处理器，处理器就会立即 报警，此时工作人员就能很快明白，放置不正确。如测距系统 没有给出信号，就再通过加速度传感器检测铁鞋是否有移动的信号，若有，就立即启动报警程序，给手机工作人员发送相应 的报警信息，工作人员受到短信后给予回复，若GSM模块没 有收到回复，则拨打工作人员手机。 2.2.1 MCU的控制程序设计 控制程序主要处理两类信号：第一类是由测距装置获取的 测距信号，当铁鞋没有放置到位（超过预先设定的初值），测 距系

8、统会给控制器一个信号，此时，微处理器开始执行声音报 警程序；第二类信号：是来自加速度传感器信号，通过微处理 器内部的A/D将加速度传感器信号转换成数字信号并进行处 理，微处理器根据处理的结果来判断铁鞋现在的状态，然后再 决定是否报警，采用何种方式报警。 2.2.2 加速度信号去噪声处理 由于在实际应用环境中，存在各种形式的电磁干扰噪声， 并且噪声信号的频带宽、信号强，而被测对象为较弱的位移移 动信号，所以在对加速度信号进行处理前要通过低通滤器去掉 这些高频噪声，这样才能较准确的获取铁鞋的位移信息。文章 设计了一个有源Butterworth低通滤波器，滤波器采用差分输入 方式，以防止共模噪声的干

9、扰。由于输入信号比较小，所有滤 波器中的放大器采用的精密运放INA系列，其特点是输入失调 电压小，噪声系数小，放大倍数大，很适合该场合使用，具体 设计如图5所示。图5 低通滤波器电路 GSM通信模块程序设计 在ESTI（欧洲电信标准协会）定制GPRS/SMS规范中，GSM03.38/GSM03.34/GSM07.05 是 和 短 消 息 有 关 的 协 议 ， TC35i模块是采用AT指令集进行控制的，通过对AT指令对其 进行初始化配置，实现数据的接受与发送，其初始化过程为： 进行AT指令测试、设定波特率、禁止TC35I指令回写、设定 PDU格式、设定工作方式。对应指令形式如表1所示。 系统的

10、短消息发送可以采取文本格式和PDU格式，由于 使用文本格式比较麻烦，需要一套阈值编码选项，效果也不太 好，该系统才采用PDU格式短信，支持任何编码。本系统主 要发送“铁鞋发生移动”和“铁鞋在快速移动”短信息，通过 UCS2编码得到对应的中文Unicode码5。将系统模块放置在铁鞋内并安放在铁轨上，当铁鞋倾斜放置不到位，离轨道面距离超过5cm时，开始 声音报警，测试在火车通过时报警，工作人员仍能听见。 铁鞋发生移动：当铁鞋被快速的拖动时，此时在车站站台 上的工作人员能收到“铁鞋在快速移动”的短信。当铁鞋由于 振动等原因发生缓慢移动，采集到加速度信号如图6所示。经 过设计的有源Butterworth低通滤波器