基于多紅外傳感器的鐵路無線通信切換系統(tǒng)設計

　　摘要：目前，設計的鐵路無線通信切換系統(tǒng)切換耗時過長，導致切換后通信信號的穩(wěn)定性較差。為了解決上述問題，基于多紅外傳感器設計一種新的鐵路無線通信切換系統(tǒng)，并對系統(tǒng)的硬件和軟件進行了設計。由電源、傳感模塊、處理模塊構(gòu)成數(shù)據(jù)采集節(jié)點，完成數(shù)據(jù)的切換，選用的芯片為 LOC3341，網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器負責數(shù)據(jù)交互、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡的建設以及監(jiān)控終端與無線傳感器的協(xié)調(diào)，單片機采用 AP34C63 作為 CPU，提高了切換速度。通過基站控制器內(nèi)部切換、無線通信基站控制器切換、移動控制中心之間切換來實現(xiàn)軟件操作。實驗結(jié)果表明，基于多紅外傳感器的鐵路無線通信切換系統(tǒng)能夠有效縮短切換耗時，提高了切換后通信信號的穩(wěn)定性。

　　關鍵詞：多紅外傳感器;鐵路無線通信;切換系統(tǒng);切換設計

　　榮正官 電子設計工程 2022-01-05

　　近年來，隨著鐵路建設的迅猛發(fā)展，鐵路無線通信信號的及時接收及傳遞顯得尤為重要[1-2] 。多紅外傳感器是利用紅外線的物理性質(zhì)來進行測量的傳感器。紅外線又稱紅外光，具有反射、折射、吸收、干涉等性質(zhì)，其具有一定的溫度，能輻射紅外線[3] 。多紅外傳感器測量時與被測物體不直接接觸，所以不存在摩擦，具有靈敏度高、反應快等優(yōu)點[4] 。

　　文中鐵路無線通信系統(tǒng)采用了多紅外傳感器，即使線路接觸不良，線路電壓的改變在正常范圍內(nèi)就不會影響通信信號的正常傳輸，輸出電流信號的大小也不會受到影響。文中設計的基于多紅外傳感器的鐵路無線通信切換系統(tǒng)能夠解決以上問題，通過布置節(jié)點協(xié)作，實時監(jiān)測感知及采集通信電路信號并及時傳遞信息，其以成本低、功耗低、適應性強等優(yōu)點在多個領域得到廣泛應用。

　　1 基于多紅外傳感器的鐵路無線通信切換系統(tǒng)硬件設計

　　基于多紅外傳感器的鐵路無線通信切換系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖 1所示。

　　1.1 采集節(jié)點設計

　　數(shù)據(jù)采集節(jié)點如圖 2所示。

　　根據(jù)圖 2 可知，數(shù)據(jù)采集節(jié)點由電源、傳感模塊、處理模塊構(gòu)成，以此進行數(shù)據(jù)的采集、傳輸、監(jiān)測以及接收。采集節(jié)點中的傳感模塊由發(fā)送模塊、接收模塊以及檢測模塊構(gòu)成，利用無線傳輸模塊進行數(shù)據(jù)傳輸，能夠簡單快速地為傳輸終端提供無線傳輸能力。當電流大小發(fā)生變化時，線路的電壓幅值會發(fā)生相應變化[5] 。電路檢測到通信信號時，三極管的強光會發(fā)生變化，輸出高電平。采集的節(jié)點通過變化的高電平進行識別，識別到處理過的信號后，三極管的特性會轉(zhuǎn)化為脈沖信號能夠識別的性質(zhì)，節(jié)點會轉(zhuǎn)變成初始化，等待上層命令，進行命令解析后執(zhí)行新的任務[6-7] 。任務開始接收節(jié)點數(shù)據(jù)，采集的節(jié)點通過電路傳感器采集數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)預處理后對采集到的通信信號進行無線傳輸[8-9] 。傳感器輸出的是脈沖信號以及電流信號值，節(jié)點通過這兩個信號進行數(shù)據(jù)采集及處理，避免了復雜的布線，實現(xiàn)了應用的簡單、快速。

　　1.2 網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器設計

　　網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器節(jié)點如圖 3所示。

　　根據(jù)圖 3 可知，網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器由便攜式控制器、存儲器、微處理器 3 個模塊構(gòu)成。它的監(jiān)測區(qū)域范圍較大，首先通過便攜式控制器中的傳感器模塊向 A/D 轉(zhuǎn)換器進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換過程中將采集到的數(shù)據(jù)通過微處理器進行處理，再由數(shù)據(jù)處理和控制模塊進行傳輸[10-11] 。在協(xié)調(diào)網(wǎng)絡信號方面，網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器負責數(shù)據(jù)交互、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡的建設以及監(jiān)控終端與無線傳感器的協(xié)調(diào)。網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器對傳輸進來的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)通信處理，處理后進行協(xié)議封裝并向鐵路信號源進行實時發(fā)送，同時網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器還要負責與數(shù)據(jù)采集節(jié)點的協(xié)調(diào)，需要處理傳輸模塊傳輸?shù)拇罅繑?shù)據(jù)，所以，微處理器是網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器中的重要部件，其對數(shù)據(jù)的吞吐能力和處理能力具有較高要求。網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器電路如圖 4所示。

　　在考慮成本以及芯片質(zhì)量的基礎上，選用的芯片為 LOC3341，它具有性能高，成本低的優(yōu)點，適合開發(fā)網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器。在解析網(wǎng)絡程序過程中，將采集到的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)緩沖區(qū)發(fā)送到傳感器中，經(jīng)過處理完成網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器的適配。多紅外傳感器的通信模塊采用 JNP3125 模塊，該模塊交互了接口標準，下行速率最高達到 76 kB/s，能夠快速實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，滿足了應用中的各種需求，連接過程中產(chǎn)生的費用相對較低[12-13] 。

　　1.3 單片機設計

　　單片機采用的 CPU 為 AP34C63，芯片為 67C54、 16位計數(shù)。單片機示意圖如圖 5所示。

　　單片機傳輸速度快，含有 3k POB、135 byteRAM，它的終端驅(qū)動力達到了 30 mA，具有較高的處理遠端數(shù)據(jù)的能力。電壓輸入為 12 V，PIUTYC 為頻率 2~15 kHz 的脈沖信號，無線通信方面選用 NMI376 RCEY 接 口 芯 片 來 完 成 數(shù) 據(jù) 的 交 互[14- 16] 。 NMI376RCEY 傳輸速率為 200 kbps，能連接多個采集節(jié)點，工作溫度在-35~60 ℃。采用 67C54 芯片，能使脈沖信號的脈沖數(shù)值達到 16 bit，單片機無線收發(fā)功能強，能夠很好地完成無線收發(fā)任務。

　　2 基于多紅外傳感器的鐵路無線通信切換系統(tǒng)軟件設計

　　多紅外傳感器包括光學系統(tǒng)、檢測元件、轉(zhuǎn)換電路。光路可分為透射型和反射型兩種，檢測元件可分為熱檢測元件和光電檢測元件。這種光電檢測元件具有很強的無線傳輸能力。該系統(tǒng)由頻率發(fā)生器、監(jiān)視器模擬器、功放器、網(wǎng)絡解調(diào)器和晶體振蕩器組成。它的傳輸速率可以達到 3 mbps。設定輸出功率和頻率后，就可以很好地完成信號發(fā)送和無線交互收發(fā)。3個計時器可用于脈沖頻率的測量，分為兩個脈沖信號計時器和一個脈沖計數(shù)計時器，通過測量計時器的值和計時器的時間可以確定測量頻率。微處理器在接收外部脈沖信號時，通過下游線路將外部連接的引腳電平設為高、低電平，中斷緩沖設為一次性響應，將數(shù)據(jù)集成到寄存器中，并用軟件進行記錄[16] 。基于多紅外傳感器的鐵路無線通信切換流程如圖 6所示。

　　首先進行鐵路基站控制器內(nèi)部切換：無線通信切換由一個服務區(qū)的基站切換到另外一個服務區(qū)的基站，在切換過程中由同一個基站控制器進行統(tǒng)一控制。

　　然后進行各個無線通信基站控制器之間的切換：通信切換由一個基站控制器切換到另一個不相關的基站控制器，在切換過程中，由同一個移動控制中心進行統(tǒng)一控制。

　　最后進行移動控制中心之間的切換：切換前后所在的區(qū)域在移動控制中心控制范圍內(nèi)，運行中的列車在切換過程中受同一個移動控制中心控制。當下一個區(qū)接到通信切換請求時，前面的通信系統(tǒng)要具備無記性的特點，在規(guī)定時間內(nèi)無線閉塞中心接到切換請求呼叫后會發(fā)出指令，建立通信的傳播路徑，從而給移動交換中心發(fā)送切換命令。移動交換中心通過移動臺連接通信通道，再通過基站控制器觸發(fā)路徑切換，使舊路徑進行網(wǎng)絡釋放。在通信條件良好的情況下，無線通信切換的請求可在單服務的基礎上進行擴展，使鐵路無線通信切換更加便捷、高效。

　　3 實驗研究

　　為了驗證文中提出的基于多紅外傳感器的鐵路無線通信切換系統(tǒng)的有效性，與傳統(tǒng)的基于 ZigBee 技術的鐵路無線通信切換系統(tǒng)及基于 MSP432 的鐵路無線通信切換系統(tǒng)進行實驗研究。

　　實驗參數(shù)如表 1所示。根據(jù)上述參數(shù)，選用文中的切換系統(tǒng)和傳統(tǒng)切換系統(tǒng)進行對比實驗。切換耗時實驗結(jié)果如圖7所示。由圖 7 可知，文中提出的基于多紅外傳感器的鐵路無線通信切換系統(tǒng)耗時更短，能夠在更短的時間內(nèi)完成信息切換，確保通信數(shù)據(jù)在短時間內(nèi)完成轉(zhuǎn)換。

　　切換后的通信穩(wěn)定性實驗結(jié)果如圖 8所示。根據(jù)圖 8 可知，文中提出的切換系統(tǒng)切換后的無線通信電路穩(wěn)定性更好，數(shù)據(jù)能夠更加流暢地傳輸。傳統(tǒng)系統(tǒng)在通信過程中，存在緩沖時間過長，起伏波動過大等問題。傳統(tǒng)系統(tǒng)對鐵路無線通信切換系統(tǒng)的分布及設計進行了較為細致且周密的分析，并對其電路信號的傳輸模式進行了研究，在鐵路無線通信切換系統(tǒng)中，由于實時監(jiān)控點數(shù)量多，監(jiān)測數(shù)據(jù)及通信信號的發(fā)送實時性要求高，采用有線網(wǎng)絡實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，其成本高、可延展性較差。傳統(tǒng)的鐵路無線通信切換系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)的方式以及電路信號的發(fā)送、接收已不能滿足鐵路無線通信切換系統(tǒng)的需要。文中提出的基于多紅外傳感器的鐵路無線通信切換系統(tǒng)具有更強的切換能力，能夠更好地保證數(shù)據(jù)通信的安全性，更加值得推廣使用。

　　4 結(jié)束語

　　文中設計的基于多紅外傳感器的鐵路無線通信切換系統(tǒng)，采用多紅外傳感器無線數(shù)據(jù)采集技術以及無線通信切換技術的各自優(yōu)勢，成本低、配置方便、靈活、數(shù)據(jù)傳輸速率高、操作簡單，可以有效地解決中國列車無線通信信號的傳遞，控制系統(tǒng)形式化等問題。通過以上的設計得出基于多紅外傳感器的鐵路無線通信切換與國際通用標準相接近，可選取實際鐵路通信施工建設的參考參數(shù)來建設通信設備。

　　除此之外，在鐵路實際施工建設中要根據(jù)具體路況進行基站控制系統(tǒng)的建設，為了提高系統(tǒng)的可行性，通常在基站之間安裝多紅外傳感器設備，以此提高通信系統(tǒng)的可靠性。多紅外傳感器在設計中有一定的實際用途，可以實現(xiàn)鐵路通信設備的自動更新，數(shù)據(jù)的發(fā)送對鐵路通信切換系統(tǒng)的實際運用奠定了基礎。