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1監控系統組成和工作原理

1.1監控主機監控主機主要功能有對智能鐵鞋和車軸電子標簽的編碼注冊及更改，定時輪詢鐵鞋，鐵鞋狀態的實時顯示，異常情況語音報警，鐵鞋狀態數據存儲，軌道車編組設置，參數設置和上位機通信。監控主機采用蓄電池和內置鋰電池的雙電源供電方案，其組成由圖所示，主要包括電源管理電路、紅外通信模塊、無線通信模塊、電量檢測、數據存儲，語音報警、手制動檢測電路、帶觸摸的TFT_LCD顯示電路和串口通信電路。

1.2智能鐵鞋智能鐵鞋主要功能包括自身狀態監測、獲取所在位置的車軸電子標簽信息和與監控主機無線通信等功能，自身狀態的檢測包括：鐵鞋已支或未支，是否在鐵鞋架上，鐵鞋是否放置到位，電量是否充足等，智能鐵鞋采用7.4v可充電鋰電池供電，內部帶有充電電路，鐵鞋系統由電源管理電路、ARM、無線通信模塊、紅外通信模塊、鐵鞋到位檢測、電量檢測電路組成。

1.3車軸電子標簽車軸電子標簽功能為通過紅外定時發送自身編碼和電量信息，實現鐵鞋放置的定位，主要由紅外通信模塊、電源管理和電量檢測電路組成。車軸電子標簽固定在車輪上方的位置，電源采用自放電率低的鋰亞硫酰氯電池，經過軟硬件綜合低功耗設計，一塊電池可以用5年左右。

2主要元器件選型及硬件電路設計

2.1控制器選擇監控主機功能復雜，計算量大，實時性要求高，選擇意法半導體Cortex-M3內核32位的STM32f103RCT6，其功能強大，價格低廉抗干擾能力強，集成外設豐富，內含RTC，8個定時器，一路SPI、2個12位的ADC、3通道UART串口和CAN總線控制器等眾多外設，具有極高的集成度，杰出的功耗控制。各個外設均有獨立的時鐘開關，可通過關閉相應外設的時鐘來降低功耗，時鐘頻率最高可到72MHz，程序存儲器達28Kbytes，內部高速RAM達20Kbytes，這些資源正好滿足監控主機的需要。智能鐵鞋要用到2通道UART串口，根據智能鐵鞋的功能和低功耗等方面考慮，處理器也選擇選擇意法半導體的STM32f103RCT6。車軸電子標簽主要考慮低功耗設計，因此選用擇意法半導體的超低功耗系列的8位單片機STM8L151K4T6。

2.2紅外通信電路設計紅外通信主要用于車軸電子標簽和智能鐵鞋之間，另外主機對智能鐵鞋和車軸電子標簽注冊時也通過紅外通信方式實現，根據現場情況和低功耗綜合考慮，紅外通信距離設計為2米。紅外通信發射電路如圖4所示，紅外發送數據通過ARM內部串口發送，ARM內部產生38KHz的載波信號，兩路信號經過三極管Q1和Q2組成的電路相與，實現對紅外發送數據的調制，經過38KHz載波信號調制后驅動發光二極管，將38KHz調制信號轉換為光脈沖信號，紅外接收電路采用通用的一體化紅外接收模塊，經過芯片內部信號濾波放大解調后輸入到ARM的串口，實現紅外數據的接收。

2.3鐵鞋放置到位檢測電路設計鐵鞋在放置時，若放不到位會存在較大的安全隱患，因此鐵鞋到位檢測十分重要，由于鐵鞋內部空間狹小，不能采用超聲波測距的方法，采用紅外測距方式，鐵鞋到位檢測電路由紅外發射和接收電路組成，紅外發射電路發送一個固定數據，紅外信號經過車輪反射后進入紅外接收電路，如果接收信號和發送信號一致，認為電路鐵鞋放置到位經過合理的電路參數設計，固定紅外發射管的發射電流，設置紅外檢測距離為10cm。鐵鞋到位檢測發射電路如圖5所示，接收電路也采用一體化紅外接收頭。

2.4無線通信設計無線通信芯片選擇臺灣笙科電子的A7108，工作頻率為433MHz，具有優異的RF性能，可輸出高達20dBm的發射功率，接收器擁有超高靈敏度，采用SPI方式設置A7108的參數，內建最大64字節的發送和接收緩沖區，最大通信距離可達1.6Km，支持四種低功耗工作方式，特別適合于電池供電的應用場合。本設計中智能鐵鞋采用電池供電，無線通信占了整個功耗的一半，因此無線芯片采用定時喚醒來降低功耗。

2.5語音報警電路設計當鐵鞋或車軸電子標簽電量不足，或者出現其他異常信息，監控主機將進行語音報警，語音播放電路由語音芯片和功率放大電路組成，語音芯片采用WTV170，為一次性燒錄語音芯片，語音長度可達到80秒，采用三線串口通信，考慮到軌道車上噪音較大，語音芯片輸出信號經過音頻功放放大，驅動兩個3W的喇叭，功放芯片選用D功率音頻功放PAM8403，諧波失真小，噪聲串擾小，效率高。語音報警電路如圖6所示。3編組功能實現軌道車在施工時，常常需要將軌道車分開或者組合，為了實現對軌道車鐵鞋的管理，編組功能的設計思路非常關鍵，針對每輛軌道車都有一個電子編號，軌道車所屬的4只鐵鞋也都有一個編碼，針對目前軌道車的數量和實際車號情況，設計軌道編號為6位數字，不夠6位的以字母x代替，其所屬鐵鞋編號為7位，編碼規則為車號+序號，如某軌道車車號為32534，則其電子編號為32534x，所屬4只鐵鞋編號為32534x1，32534x2，32534x3，32534x4。在增加編組車輛時，只需要將需要編組車輛的電子編號輸入即可，系統會自動將該車輛的四只鐵鞋加入輪詢序列，刪除該編組車輛鐵鞋，只需要刪除該車輛的電子編號即可。這樣就很方便地實現對車輛鐵鞋的編組管理。

4通信協議

通信協議主要包括紅外通信協議、無線通信協議和上位機通信協議，均為自定協議。紅外通信協議如表所示，由9個字節構成，包括1個開始字節，1命令字節，3個車號字節，1軸號字節，1狀態字節，1校驗字節和1結束字節。命令字節0x01:查軸號，0x02:回發軸號，0x03:注冊軸號，0x04:查詢鞋號，0x06:回發鞋號，0x03:注冊鞋號，校驗字節為前面字節的數據和，表1給出了注冊車軸電子標簽號為23232301，其對應的車號為232323，狀態字0x32表示電量充足。無線通信協議如表所示，由8個字節構成，包括1個命令字節，3個車號字節，1個軸號字節，1個鞋狀態字節，1個軸狀態字節，1個校驗字節，在中數據發送時A7108會自動加入幀頭和幀尾。命令字節0x31代表主機查詢鐵鞋狀態，當主機發送查詢命令時鞋狀態字節和車軸狀態字節為0x00，命令字節為0x32表示鐵鞋回發數據，表2中數據表示鐵鞋放置在軸號為2323604的車軸下面，鐵鞋放置正確且電量充足，車軸電子標簽電量足。

5軟件設計

系統軟件設計主要包括監控主機、智能鐵鞋、車軸電子標簽程序和上位機程序，智能鐵鞋和車軸電子標簽主要涉及到軟件低功耗設計。監控主機主程序是核心，上電后進行系統初始化，主要包括時鐘配置、端口配置、串口配置、定時器配置、AD轉換器配置等，接著初始化無線模塊和觸摸屏，并顯示主界面，系統定時輪詢主機注冊的所有車的鐵鞋，并采用圖標的形式實時顯示鐵鞋狀態，如果鐵鞋狀態改變將存儲，若出現異常情況語音報警提示。

6結論

針對目前防溜鐵鞋的在使用和管理過程中存在的問題，分析了當前智能鐵鞋的應用情況，提出了基于無線通信技術的軌道車智能防溜監控系統，以ARM為主控制器，設計了監控主機和智能鐵鞋，鐵鞋通過放置所在車軸位置電子標簽信息定位，監控主機通過無線通信技術獲取鐵鞋和車軸電子標簽狀態信息，通過大屏幕LCD屏以圖標圖7監控主機主程序流程圖形式實時顯示鐵鞋狀態，并在本地存儲鐵鞋狀態信息，當出現異常情況時通過語音提醒或報警。同時鐵鞋狀態信息可通過RS232串口傳給上位機，進行鐵鞋狀態數據的存儲和分析。目前該防溜監控系統已在鄭州鐵路局試用，實踐證明，該系統運行穩定，性能可靠，能實時掌握鐵鞋狀態，對軌道車的安全起到了很大的作用。

作者：蘇寶平單位：河南工業大學