基于Atmega128單片機(jī)和GPRS的礦區(qū)鐵路道口監(jiān)測系統(tǒng)

1 引言

　　礦區(qū)鐵路是銜接國家鐵路與礦區(qū)的中間環(huán)節(jié)，是鐵路運輸網(wǎng)的重要組成部分。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計，目前國內(nèi)礦區(qū)鐵路超過2萬公里且其沿線附近通常分布著多個道口。由于道口大多分布在遠(yuǎn)離市區(qū)的礦山企業(yè)內(nèi)部，并且其數(shù)量多、分散以及道口之間的距離長，加上礦區(qū)內(nèi)各種運輸工具的交叉作業(yè)及車輛、人員的不固定的流動，使礦區(qū)鐵路道口的安全管理成為十分突出的問題。為使各級礦區(qū)管理部門能及時、準(zhǔn)確掌握各個道口的的安全情況，本文以 Atmega128和MC55為核心，設(shè)計一套鐵路道口監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)對鐵路道口監(jiān)測管理的自動化、數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化。這對保證礦區(qū)正常生產(chǎn)、提高礦山企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和通過道口車輛、行人安全具有重要意義。

2 系統(tǒng)組成

整個系統(tǒng)由道口監(jiān)控中心組成。從功能上分，該系統(tǒng)可分為信號采集部分、道口部分、信號傳輸和發(fā)送部分以及道口監(jiān)控中心５個部分。圖１以其中的一個道口為例，給出簡化后的系統(tǒng)總體框圖。

2.1 信號采集部分

信號采集部分主要用于采集列車接近及離去信號，為自動實現(xiàn)收放護(hù)欄提供決策信號。目前道口系統(tǒng)中有采用振動傳感器、射頻傳感器,GPS+ ARM+GPRS、視頻監(jiān)控設(shè)備或踏板開關(guān)等幾種方式檢測來車信號，它們各有優(yōu)缺點。本系統(tǒng)中信號采集部分由4個磁電傳感器組成，分別成對的放置在道口兩側(cè)的鋼軌內(nèi)側(cè)。 當(dāng)有列車經(jīng)過該置時，磁電傳感器可檢測到來車信號，經(jīng)放大電路和A/D轉(zhuǎn)換電路后，直接發(fā)送到單片機(jī) Atmega128。

2.2 道口部分

道口部分設(shè)道口信號機(jī)、聲光報警器和欄木裝置各2套，分別用來指示火車即將到達(dá)信

號、聲光報警和執(zhí)行放桿操作。在道口設(shè)置自動控制箱，既可由礦區(qū)道口監(jiān)控室中心的PC機(jī)遠(yuǎn)程控制各裝置動作，也可由操作人員在現(xiàn)場手動操作。報警器由音響電路板、筒式揚(yáng)聲器及回轉(zhuǎn)警示燈組成，用來提醒來往車輛司機(jī)及過往行人注意安全不要搶道。

2.3 信號傳輸和發(fā)送部分

磁電傳感器安裝在距道口500 m左右處，當(dāng)它檢測到來車信號后，通過銅軸電纜將信號傳送至道口自動控制箱內(nèi)的單片機(jī)Atmega128。MC55是信號發(fā)送的主要設(shè)備，它將單片機(jī)采集到的數(shù)據(jù)打包后通過GＰRS網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)降V區(qū)道口監(jiān)控中心，由道口監(jiān)控中心對數(shù)據(jù)做進(jìn)一步的分析處理。

2.４　礦區(qū)道口監(jiān)控中心部分

礦區(qū)道口監(jiān)控中心設(shè)ＰＣ機(jī)1臺，主要用于接收各道口列車運行狀態(tài)的數(shù)據(jù)。該監(jiān)控中心采用動態(tài)IP結(jié)合DNS域名解析組網(wǎng)方式來實現(xiàn)對道口的遠(yuǎn)程監(jiān)測。這種方式首先需要聯(lián)系DNS服務(wù)商，為監(jiān)控中心申請1個域名，把這個域名寫入單片機(jī)Atmega128中。監(jiān)控中心接入Internet后，與DNS服務(wù)器進(jìn)行連接，將當(dāng)前獲得的動態(tài)IP報告給DNS服務(wù)器，再由DNS服務(wù)器找到監(jiān)控中心公網(wǎng)動態(tài)IP，這樣就可以在兩者之間建立通訊連接。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

　系統(tǒng)硬件設(shè)計主要是指道口控制部分硬件設(shè)計，按照信號流程大體可以分為三個硬件模塊，即傳感器信號放大和Ａ/Ｄ轉(zhuǎn)換電路設(shè)計、單片機(jī)Atmega128與MC55接口設(shè)計以及驅(qū)動

現(xiàn)場各種設(shè)備接口電路設(shè)計，其中Atmega128與MC55接口電路是該監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計的重點和特色。圖２給出以該接口電路為核心的監(jiān)測站硬件系統(tǒng)電路圖。ATmega128L和MC55都有標(biāo)準(zhǔn)的RS232接口，因此硬件設(shè)計相對比較簡單，只需把Atmega128L的PE5與MC55的IGT相連，用于啟動MC55模塊，Atmega128L的TX0/RX0與MC55的TX0/RX0相連，進(jìn)行數(shù)據(jù)的輸入輸出；MC55的RING0接從ATmega128L的中斷線，作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹袛嘈盘?。Atmega128是Atmel公司推出的８位高性能單片機(jī)，片內(nèi)具有128KＢ的程序存儲器, 4KB的數(shù)據(jù)存儲器，4KB的EEPROM，有8個10位ADC通道、2個8位和2個16位硬件定時J計數(shù)器,8個PWM通道，具有可編程看門狗定時器和片上振蕩器、片上模擬比較器、JTAG、UART、SPI,和I²C總線等接口以及六種可以通過軟件選擇的省電模式。本設(shè)計中，ATmega128L是整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)核心，主要完成信號的傳感器信號采集、軟件濾波、數(shù)據(jù)運算及各種控制功能。M C55是西門子公司生產(chǎn)的GPRS二頻模塊，它除了具有GSM模塊原有的功能外還支持分組業(yè)務(wù)功能，內(nèi)嵌了TCP/IP協(xié)議； 它的數(shù)據(jù)輸入/輸出接口實際上是一個串行異步收發(fā)器，符合RS232接口標(biāo)準(zhǔn)，且有固定的參數(shù)：8位數(shù)據(jù)位和1位停止位，無校驗位。它與Atmega128協(xié)同工作，共同完成數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸。

4　系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　采用模塊化的軟件設(shè)計，將軟件分成若干相對的獨立的功能模塊，并為各模塊安排適當(dāng)?shù)娜肟诤统隹趨?shù)，使得模塊之間的相互連接,組合靈活方便。整個監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計主要由道口自動控制子系統(tǒng)和礦區(qū)監(jiān)控中心子系統(tǒng)組成。

4.１ 道口自動控制軟件設(shè)計

　　道口自動控制子系統(tǒng)的整個程序采用C語言和匯編語言相結(jié)合編程，使用模塊化結(jié)構(gòu)，其條理清楚、程序量精簡，使得Atrnega128的速度和編譯程序容量最優(yōu)化。其主要的功能是根據(jù)磁電傳感器的輸出脈沖觸發(fā)，通過單片機(jī)驅(qū)動現(xiàn)場各種報警設(shè)備，同時將駛過該道口的列車運行狀態(tài)數(shù)據(jù)通過MC55發(fā)送給監(jiān)測中心。該子系統(tǒng)軟件按照功能可以分為定時器初始化模塊、中斷管理初始化模塊、MC55初始化模塊、 中斷信號濾波處理模塊、列車狀態(tài)數(shù)據(jù)計算模塊、與上位機(jī)數(shù)據(jù)通信模塊以及驅(qū)動現(xiàn)場各種設(shè)備模塊。其軟件設(shè)計主要包括主程序和中斷服務(wù)子程序兩大部份，其中中斷信號濾波處理模塊、驅(qū)動現(xiàn)場各種設(shè)備和列車狀態(tài)數(shù)據(jù)計算模塊在中斷服務(wù)子程序中實

現(xiàn)，其余模塊在主程序中實現(xiàn)。圖

3給自動控制子系統(tǒng)軟件的主流程圖。

4.２ 礦區(qū)監(jiān)控中心軟件設(shè)計

　　礦區(qū)監(jiān)控中心子系統(tǒng)主要功能是通過GPRS網(wǎng)絡(luò)實時接收、顯示和打印各個道口傳上來的當(dāng)前速度、與道口接近距離等有關(guān)列車運行的數(shù)據(jù)。該子系統(tǒng)采用是用高級語言VC編程，

該軟件具有友好的用戶界面，可以把所有的采集數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，并可實現(xiàn)波形的顯示和分析。按照功能可以分為系統(tǒng)登錄模塊、系統(tǒng)管理模塊、與下位機(jī)數(shù)據(jù)通信模塊、列車數(shù)據(jù)實時顯示模塊、列車數(shù)據(jù)入庫模塊和列車歷史數(shù)據(jù)查詢模塊。

5 結(jié)束語

　 基于單片機(jī)和GPRS的礦區(qū)鐵路道口監(jiān)測系統(tǒng)是傳感器技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)相結(jié)合的結(jié)果，它真正實現(xiàn)了鐵路道口安全管理的自動化和信息化。它使得鐵路道口監(jiān)測網(wǎng)與信息網(wǎng)融為體，實現(xiàn)了對列車速度、列車行進(jìn)的方向和其離道口距離等列車運行狀態(tài)數(shù)據(jù)的實時采集、網(wǎng)絡(luò)傳輸、動態(tài)顯示、入庫保存以及歷史數(shù)據(jù)查詢等功能，并且同時驅(qū)動道口信號機(jī)、欄木和聲光報警信號；從而有效解決礦區(qū)鐵路道口的事故隱患，為確保鐵路道口行車安全提供保障。

　本論文的創(chuàng)新點：針對礦區(qū)鐵路道口安全管理的需求，利用現(xiàn)有的GPRS網(wǎng)絡(luò)和單片機(jī)技術(shù)，設(shè)計了一套礦區(qū)鐵路道口監(jiān)測系統(tǒng)，主要對其硬件和軟件進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，從而為我國鐵路運輸業(yè)提供一個良好的解決方案。

6 參考文獻(xiàn)

　　[1] 劉寶棟，劉漢峰. 基于ATmega128單片機(jī)的多功能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng). 電子產(chǎn)品世界，2006(2)：67 – 69.

　 [2] 嵌入式系統(tǒng)在鐵路道日報警系統(tǒng)中的應(yīng)用J].微計算機(jī)信息.200６,(2):64-66.

　 [3] 王峰，李建華. 鐵路道口安全微波自動監(jiān)控系統(tǒng)的研究.鐵道運輸與經(jīng)濟(jì),2003(3)：38-39.

　 [4] 陳冬云. Atmega128單片機(jī)原理與開發(fā)指導(dǎo). 北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2006.

　 [5] 郝成，李輝，姚征.　基于GPRS的地方煤礦安全監(jiān)控監(jiān)測系統(tǒng).　工礦自動化，2006(2)：30-32.