智能鐵鞋安全防護(hù)設(shè)計(jì)方案范本

年4月19日智能鐵鞋安全防護(hù)設(shè)計(jì)方案文檔僅供參考智能鐵鞋安全防護(hù)設(shè)計(jì)方案項(xiàng)目概述隨著中國(guó)鐵路運(yùn)輸業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)到發(fā)場(chǎng)作業(yè)的自動(dòng)化水平提出了更高的要求。到發(fā)場(chǎng)車(chē)輛的防溜作業(yè)則是關(guān)系到鐵路安全運(yùn)輸?shù)闹匾画h(huán)?！惰F路技術(shù)管理規(guī)程》明確規(guī)定：線路上停留的車(chē)輛，在不作業(yè)時(shí)，應(yīng)以鐵鞋等防溜裝置牢靠固定。如何有效使用和管理好鐵鞋是一個(gè)安全問(wèn)題，當(dāng)前的辦法主要是靠人員的不斷巡檢來(lái)確保鐵鞋是否放置到位，是否取出，效率低，而且容易導(dǎo)致鐵鞋被盜、脫軌等事故。本方案提出了基于TC35i的GSM智能防溜鐵鞋系統(tǒng),當(dāng)鐵鞋沒(méi)有放置到位、被盜、移動(dòng)等情況該系統(tǒng)能經(jīng)過(guò)三種不同的方式給工作人員報(bào)警,不需要工作人員定時(shí)巡檢,大大提高了效率和安全系數(shù)二、系統(tǒng)原理該系統(tǒng)主要包括MCU（MSP430）、測(cè)距、檢測(cè)模塊、加音報(bào)警模塊。系統(tǒng)框圖如圖1所示。測(cè)距模塊用來(lái)檢測(cè)鐵鞋是否正確的放置到位，當(dāng)沒(méi)有放到位時(shí)現(xiàn)場(chǎng)就實(shí)現(xiàn)聲音報(bào)警，加速度傳感器用于檢測(cè)鐵鞋是否處于被移動(dòng)和被撬兩種不同的狀況，MCU將預(yù)先設(shè)置的指令報(bào)警信號(hào)發(fā)送給TC35i模塊，進(jìn)而通知工作人員，報(bào)警方式：先短信報(bào)警，工作人員收短信后回復(fù)短信，若TC35i模塊沒(méi)有收到回復(fù)短信，則根據(jù)需要自動(dòng)執(zhí)行報(bào)警方式二：室內(nèi)語(yǔ)音報(bào)警，若這兩種方式都沒(méi)有引起工作人員注意，則將報(bào)警信號(hào)發(fā)給另外一個(gè)工作人員，三種方式大大提高了工作效率，減小由于主觀因素造成的安全隱患。2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，為簡(jiǎn)化硬件電路，選用高集成度的微處理器MSP430進(jìn)行信號(hào)分析與處理。MSP430內(nèi)置8個(gè)獨(dú)立的12bitADC通道、2個(gè)獨(dú)立的12bitDAC通道和溫度傳感器，芯片內(nèi)還提供高精度、低偏差并經(jīng)過(guò)工廠校準(zhǔn)的2.5V參考電壓。主要用來(lái)分析處理加速度傳感器的輸出信號(hào)，并給TC35i模塊發(fā)送報(bào)警信號(hào)。2..1.1加速度傳感器的選擇及電路設(shè)計(jì)本系統(tǒng)采用的是Freescale的MMA7360電容性三軸向低重力加速計(jì)，能夠方便地檢測(cè)到位置、姿態(tài)、運(yùn)動(dòng)的變化，MMA7360的可選靈敏度允許是1.5g/6g，采用的GA封裝，適合占地空間小的便攜式應(yīng)用。MMA7360和ADUC841的接口電路如圖2所示。設(shè)置MMA7360加速度的范圍為士1.5g，傳感器感知三維加速度信號(hào)，此時(shí)傳感器的最高靈敏度為800Mv/g,能夠使系統(tǒng)檢測(cè)到鐵鞋輕微的移動(dòng)，傳送給微處理器進(jìn)行處理。由于MMA7360內(nèi)部采用開(kāi)關(guān)電容濾波器，需要在XOUT、YOUT、ZOUT和三個(gè)輸出端分別接RC濾波器，以濾除噪聲。三維模擬加速度信號(hào)經(jīng)微處理器內(nèi)置的三通道A／D轉(zhuǎn)換后，由CPU進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理[3]。2.1.2短信電路設(shè)計(jì)短信電路采用西門(mén)子公司生產(chǎn)的TC35i模塊作為電路的核心，工作在GSM900和GSM1800雙頻段，支持語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、短消息和傳真服務(wù)，低功耗。GSM模塊主要由基帶處理器、GSM射頻模塊、供電模塊、內(nèi)存ZIF連接器、天線接口等幾部分組成，電路設(shè)計(jì)如圖3所示[4]。圖3短信報(bào)警電路設(shè)計(jì)2.1.3語(yǔ)音電路設(shè)計(jì)當(dāng)前市場(chǎng)上流行的語(yǔ)音芯片有很多，但要使語(yǔ)音不失真地被采樣，那就要求采樣頻率fs≥8000Hz，ISD40002語(yǔ)音芯片是美國(guó)ISD公司出品的新型優(yōu)質(zhì)單片錄放音電路，它采用了直接模擬量存儲(chǔ)技術(shù)DAST，完成語(yǔ)音的錄入、存儲(chǔ)及分段輸出，因而失真小，使用方便。不需專(zhuān)用語(yǔ)音開(kāi)發(fā)工具，10萬(wàn)次錄音周期，自動(dòng)靜噪功能，不耗電信息可保存100年。ISD系列語(yǔ)音芯片具有以下特點(diǎn)：①采用模擬數(shù)據(jù)在半導(dǎo)體存儲(chǔ)器直接存儲(chǔ)的專(zhuān)利技術(shù)，即將模擬語(yǔ)音數(shù)據(jù)直接寫(xiě)入單個(gè)存儲(chǔ)單元，不需經(jīng)過(guò)A／D、D／A轉(zhuǎn)換；②內(nèi)部集成了大容量的EE-PROM，不再需要擴(kuò)展存儲(chǔ)器；③控制簡(jiǎn)單，控制引腳與TTL電平兼容；④能較好地真實(shí)再現(xiàn)語(yǔ)音的自然效果，避免了一般固體語(yǔ)音電路因?yàn)榱炕蛪嚎s所造成的量化噪聲和失真現(xiàn)象。因此。該語(yǔ)音系統(tǒng)選用ISD公司的ISD4002語(yǔ)音芯片。2.2 軟件設(shè)計(jì)該系統(tǒng)主要功能是實(shí)現(xiàn)檢測(cè)和報(bào)警，因此軟件設(shè)計(jì)主要分成了MCU的控制程序、GSM模塊和語(yǔ)音電路設(shè)計(jì)程序三部分，軟件流程如圖4所示。首先檢測(cè)測(cè)距系統(tǒng)信號(hào)，如鐵鞋沒(méi)有放置到位，測(cè)距系統(tǒng)會(huì)給出信號(hào)給處理器，處理器就會(huì)立即報(bào)警，此時(shí)工作人員就能很快明白，放置不正確。如測(cè)距系統(tǒng)沒(méi)有給出信號(hào)，就再經(jīng)過(guò)加速度傳感器檢測(cè)鐵鞋是否有移動(dòng)的信號(hào)，若有，就立即啟動(dòng)報(bào)警程序，給手機(jī)工作人員發(fā)送相應(yīng)的報(bào)警信息，工作人員受到短信后給予回復(fù)，若GSM模塊沒(méi)有收到回復(fù)，則撥打工作人員手機(jī)。2.2.1MCU的控制程序設(shè)計(jì)控制程序主要處理兩類(lèi)信號(hào)：第一類(lèi)是由測(cè)距裝置獲取的測(cè)距信號(hào)，當(dāng)鐵鞋沒(méi)有放置到位（超過(guò)預(yù)先設(shè)定的初值），測(cè)距系統(tǒng)會(huì)給控制器一個(gè)信號(hào)，此時(shí)，微處理器開(kāi)始執(zhí)行聲音報(bào)警程序；第二類(lèi)信號(hào)：是來(lái)自加速度傳感器信號(hào)，經(jīng)過(guò)微處理器內(nèi)部的A/D將加速度傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并進(jìn)行處理，微處理器根據(jù)處理的結(jié)果來(lái)判斷鐵鞋現(xiàn)在的狀態(tài)，然后再?zèng)Q定是否報(bào)警，采用何種方式報(bào)警。2.2.2加速度信號(hào)去噪聲處理由于在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中，存在各種形式的電磁干擾噪聲，而且噪聲信號(hào)的頻帶寬、信號(hào)強(qiáng)，而被測(cè)對(duì)象為較弱的位移移動(dòng)信號(hào)，因此在對(duì)加速度信號(hào)進(jìn)行處理前要經(jīng)過(guò)低通濾器去掉這些高頻噪聲，這樣才能較準(zhǔn)確的獲取鐵鞋的位移信息。文章設(shè)計(jì)了一個(gè)有源Butterworth低通濾波器，濾波器采用差分輸入方式，以防止共模噪聲的干擾。由于輸入信號(hào)比較小，所有濾波器中的放大器采用的精密運(yùn)放INA系列，其特點(diǎn)是輸入失調(diào)電壓小，噪聲系數(shù)小，放大倍數(shù)大，很適合該場(chǎng)合使用，具體設(shè)計(jì)如圖5所示。圖5低通濾波器電路2.2.3GSM通信模塊程序設(shè)計(jì)在ESTI（歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)）定制GPRS/SMS規(guī)范中，GSM03.38/GSM03.34/GSM07.05是和短消息有關(guān)的協(xié)議，TC35i模塊是采用AT指令集進(jìn)行控制的，經(jīng)過(guò)對(duì)AT指令對(duì)其進(jìn)行初始化配置，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接受與發(fā)送，其初始化過(guò)程為：進(jìn)行AT指令測(cè)試、設(shè)定波特率、禁止TC35I指令回寫(xiě)、設(shè)定PDU格式、設(shè)定工作方式。對(duì)應(yīng)指令形式如表1所示。系統(tǒng)的短消息發(fā)送能夠采取文本格式和PDU格式，由于使用文本格式比較麻煩，需要一套閾值編碼選項(xiàng)，效果也不太好，該系統(tǒng)才采用PDU格式短信，支持任何編碼。本系統(tǒng)主要發(fā)送“鐵鞋發(fā)生移動(dòng)”和“鐵鞋在快速移動(dòng)”短信息，經(jīng)過(guò)UCS2編碼得到對(duì)應(yīng)的中文Unicode碼[5]。將系統(tǒng)模塊放置在鐵鞋內(nèi)并安放在鐵軌上，當(dāng)鐵鞋傾斜放置不到位，離軌道面距離超過(guò)5cm時(shí)，開(kāi)始聲音報(bào)警，測(cè)試在火車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)報(bào)警，工作人員仍能聽(tīng)見(jiàn)。鐵鞋發(fā)生移動(dòng)：當(dāng)鐵鞋被快速的拖動(dòng)時(shí)，此時(shí)在車(chē)站站臺(tái)上的工作人員能收到“鐵鞋在快速移動(dòng)”的短信。當(dāng)鐵鞋由于振動(dòng)等原因發(fā)生緩慢移動(dòng)，采集到加速度信號(hào)如圖6所示。經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)的有源Butterworth低通濾波器處理后如圖7