基于AVR单片机和GPRS的矿区铁路道口监测系统

1  引言

　　矿区铁路是衔接国家铁路与矿区的中间环节，是铁路运输网的重要组成部分。据有关资料统计，目前国内矿区铁路超过2万公里且其沿线附近通常分布着多个道口。由于道口大多分布在远离市区的矿山企业内部，并且其数量多、分散以及道口之间的距离长，加上矿区内各种运输工具的交叉作业及车辆、人员的不固定的流动，使矿区铁路道口的安全管理成为十分突出的问题。为使各级矿区管理部门能及时、准确掌握各个道口的的安全情况，本文以 Atmega128和MC55为核心，设计一套铁路道口监测系统，实现对铁路道口监测管理的自动化、数字化和网络化。这对保证矿区正常生产、提高矿山企业经济效益和通过道口车辆、行人安全具有重要意义。

　　2        系统组成

　　整个系统由道口监控中心组成。从功能上分，该系统可分为信号采集部分、道口部分、信号传输和发送部分以及道口监控中心５个部分。图１以其中的一个道口为例，给出简化后的系统总体框图。

　2.1 信号采集部分

　　信号采集部分主要用于采集列车接近及离去信号，为自动实现收放护栏提供决策信号。目前道口系统中有采用振动传感器、射频传感器,GPS+ ARM+GPRS、视频监控设备或踏板开关等几种方式检测来车信号，它们各有优缺点。本系统中信号采集部分由4个磁电传感器组成，分别成对的放置在道口两侧的钢轨内侧。 当有列车经过该置时，磁电传感器可检测到来车信号，经放大电路和A/D转换电路后，直接发送到单片机 Atmega128。

　　2.2 道口部分

　　道口部分设道口信号机、声光报警器和栏木装置各2套，分别用来指示火车即将到达信号、声光报警和执行放杆操作。在道口设置自动控制箱，既可由矿区道口监控室中心的PC机远程控制各装置动作，也可由操作人员在现场手动操作。报警器由音响电路板、筒式扬声器及回转警示灯组成，用来提醒来往车辆司机及过往行人注意安全不要抢道。

　　2.3 信号传输和发送部分

　　磁电传感器安装在距道口500 m左右处，当它检测到来车信号后，通过铜轴电缆将信号传送至道口自动控制箱内的单片机Atmega128。MC55是信号发送的主要设备，它将单片机采集到的数据打包后通过GＰRS网络传输到矿区道口监控中心，由道口监控中心对数据做进一步的分析处理。

　　2.４　矿区道口监控中心部分

　　矿区道口监控中心设ＰＣ机1台，主要用于接收各道口列车运行状态的数据。该监控中心采用动态IP结合DNS域名解析组网方式来实现对道口的远程监测。这种方式首先需要联系DNS服务商，为监控中心申请1个域名，把这个域名写入单片机Atmega128中。监控中心接入Internet后，与DNS服务器进行连接，将当前获得的动态IP报告给DNS服务器，再由DNS服务器找到监控中心公网动态IP，这样就可以在两者之间建立通讯连接。

　　3  系统硬件设计

　　系统硬件设计主要是指道口控制部分硬件设计，按照信号流程大体可以分为三个硬件模块，即传感器信号放大和Ａ/Ｄ转换电路设计、单片机Atmega128与MC55接口设计以及驱动现场各种设备接口电路设计，其中Atmega128与MC55接口电路是该监测系统硬件设计的重点和特色。图２给出以该接口电路为核心的监测站硬件系统电路图。ATmega128L和MC55都有标准的RS232接口，因此硬件设计相对比较简单，只需把Atmega128L的PE5与MC55的 IGT相连，用于启动MC55模块，Atmega128L的TX0/RX0与MC55的TX0/RX0相连，进行数据的输入输出；MC55的RING0接从ATmega128L的中断线，作为数据传输的中断信号。Atmega128是Atmel公司推出的８位高性能单片机，片内具有128KＢ的程序存储器, 4KB的数据存储器，4KB的EEPROM，有8个10位ADC通道、2个8位和2个16位硬件定时J计数器,8个PWM通道，具有可编程看门狗定时器和片上振荡器、片上模拟比较器、JTAG、UART、SPI,和I2C总线等接口以及六种可以通过软件选择的省电模式。本设计中，ATmega128L是整个数据采集系统核心，主要完成信号的传感器信号采集、软件滤波、数据运算及各种控制功能。M C55是西门子公司生产的GPRS二频模块，它除了具有GSM模块原有的功能外还支持分组业务功能，内嵌了TCP/IP协议；它的数据输入/输出接口实际上是一个串行异步收发器，符合RS232接口标准，且有固定的参数：8位数据位和1位停止位，无校验位。它与 Atmega128协同工作，共同完成数据的远程传输。[page]

4　系统软件设计

　　采用模块化的软件设计，将软件分成若干相对的独立的功能模块，并为各模块安排适当的入口和出口参数，使得模块之间的相互连接,组合灵活方便。整个监测系统软件设计主要由道口自动控制子系统和矿区监控中心子系统组成。

　　4.１ 道口自动控制软件设计

　　道口自动控制子系统的整个程序采用C语言和汇编语言相结合编程，使用模块化结构，其条理清楚、程序量精简，使得Atrnega128的速度和编译程序容量最优化。其主要的功能是根据磁电传感器的输出脉冲触发，通过单片机驱动现场各种报警设备，同时将驶过该道口的列车运行状态数据通过MC55发送给监测中心。该子系统软件按照功能可以分为定时器初始化模块、中断管理初始化模块、MC55初始化模块、中断信号滤波处理模块、列车状态数据计算模块、与上位机数据通信模块以及驱动现场各种设备模块。其软件设计主要包括主程序和中断服务子程序两大部份，其中中断信号滤波处理模块、驱动现场各种设备和列车状态数据计算模块在中断服务子程序中实现，其余模块在主程序中实现。图3给自动控制子系统软件的主流程图。

4.２ 矿区监控中心软件设计

　　矿区监控中心子系统主要功能是通过GPRS网络实时接收、显示和打印各个道口传上来的当前速度、与道口接近距离等有关列车运行的数据。该子系统采用是用高级语言VC编程，

　　该软件具有友好的用户界面，可以把所有的采集数据存入数据库，并可实现波形的显示和分析。按照功能可以分为系统登录模块、系统管理模块、与下位机数据通信模块、列车数据实时显示模块、列车数据入库模块和列车历史数据查询模块。

　　5  结束语

　　基于单片机和GPRS的矿区铁路道口监测系统是传感器技术、单片机技术与网络通信技术相结合的结果，它真正实现了铁路道口安全管理的自动化和信息化。它使得铁路道口监测网与信息网融为体，实现了对列车速度、列车行进的方向和其离道口距离等列车运行状态数据的实时采集、网络传输、动态显示、入库保存以及历史数据查询等功能，并且同时驱动道口信号机、栏木和声光报警信号；从而有效解决矿区铁路道口的事故隐患，为确保铁路道口行车安全提供保障。

　　本论文的创新点：针对矿区铁路道口安全管理的需求，利用现有的GPRS网络和单片机技术，设计了一套矿区铁路道口监测系统，主要对其硬件和软件进行了详细的阐述，从而为我国铁路运输业提供一个良好的解决方案。