鐵路護坡災害預警檢測系統設計

劉克鑫 張興強

摘要：針對鐵路護坡塌陷、異物侵入等位移性地質災害，本文實現了一種能夠自主檢測該并能自動報警的災害預警監測系統。該系統設計以stm32單片機為控制核心，結合測距模塊、攝像頭模塊等實現了對鐵路護坡安全的實時定點、多點監測。系統采用的主控MCU為ARM公司的STM32F407ZGT6芯片，激光測距采用了體積小巧，精度高，魯棒性較好的PLS-K-60 激光測距模塊。

關鍵詞：鐵路護坡災害;預警檢測;STM32F407ZGT6芯片;連續式激光脈沖多點精準測距

引言

全是鐵路永恒不變的主題。在整個鐵路運輸過程中，首要任務是保證運輸安全。隨著高速鐵路與高速列車技術的快速發展，高速鐵路列車運行速度的提高和列車密度的加大，如何保證行車安全變得越來越重要，各種異物侵入以及鐵路護坡塌陷事故[1]等具有突發性、無規律、不可預測等特點，這對行車安全保障體系提出了更高的要求。而原有既有線的安全模式已不能滿足高速鐵路運行的要求。2020年3月30日在京廣鐵路湖南郴州段發生的列車脫軌事故，其直接原因就是附近山體滑坡，T179次列車撞上塌方體，中斷行車。因此針對鐵路護坡危害，構建可靠安全的鐵路安全監控系統成了亟待解決的問題。

1.系統方案設計

如圖2 系統原理圖，該系統實現的主要功能有：激光脈沖式多點精準測距，液晶顯示數據，數模轉換，聲光報警，攝像頭影像監控，2.4G無線數據傳輸。測距頭通過將激光束發射到帶有標識的表面，收集測距信息，并通過RS232接口將其信息轉換成單片機可以接受的數據，通過對單片機的相應的引腳進行設置，從而通過IO把數據信息輸出到液晶顯示，并使測得數據與預先設置的最大限度數據范圍相比較，若不在范圍內，則使得聲音控制引腳以及信號燈控制引腳使能，進而產生聲光報警，并通過無線傳輸模塊將所產生的信息數據輸出到遠程監控中心。

系統采用連續式激光脈沖多點精準測距，激光二極管對準目標物發射激光脈沖，激光經過目標物反射到傳感器接收器上，被光學系統接收后成像到雪崩光電二極管上通過此飛行時間結合運動學公式來測得與目標物的距離，即光速與飛行時間一半的乘積即為與目標物的距離。為了進行災害實時檢測，在該模式下會以連續的方式執行測距測量。一旦測量結束，下一次測量就會立即啟動，用戶必須停止測距才能返回到待機狀態，最后的一次測量在停止前完成。采用多個激光測距頭進行多點激光測距，可靠性高，而且多點測量監測面積大魯棒性好。

2.硬件電路設計

2.1控制器電路

控制器選用ARM公司生產的stm32f4zgt6芯片，內核為32位高性能ARM Cortex-M4處理器，時鐘高達168M;存儲容量1024FLASH，192K SRAM;支持FPU（浮點運算）和DSP指令。多達17個通信接口和定時器，豐富的引腳和功能更是為電路設計提供了優良的基礎。

2.2測距模塊的選擇

根據實際情況，要求模塊要能夠進行長距離多點測量，并且要惡劣環境下能夠繼續保持工作，因此我們選擇了抗干擾能力較強的PLS-K-60，我們終端應用需要連接多臺激光測距模塊同時工作讀取距離值。在多從系統中，每個模塊接入網絡之前，所以每個模塊設置成不同地址位以避免沖突，然后通過控制單片機的總線讀取指定的所測量距離，分析實際應用情況我們選擇了連續測量模式，即進入連續測量：將模塊的連續測量控制引腳拉 P13.nCTRL 低后，再輸入 D/M/F 三個命令中的一個后，那么模塊就會開始連續測量，測量的速度根據 D/M/F 三個命令進行。

2.3通信方式的選擇

常見的通信方式有SPI/I2C模式通信、2.4G無線通信、口對口通信、利用雙口RAM作為緩沖器通信、WPM、RS232以及DMA等。因為本設計涉及到傳輸距離和準確性問題，并且本設計需要多點通信和調頻通信，我們最終選擇了4G的通信方式并采用高新興物聯（GOSUNCN）公司的 LTE Cat.4 模塊。選用PID 型號是：C2E_L。該模塊采用 SMT 封裝形式，其性能穩定、外觀精巧、性價比高。支持 LTE-FDD、LTE-TDD、WCDMA 及 GSM 制式的全網通模塊，并支持 LTE Cat.4。在 LTE制式下，該模組可以提供最大 50Mbps 上行速率和 150Mbps 下行速率。極大滿足了在野外護坡監測傳輸數據的需要。

2.4攝像頭模塊

工作人員即可通過攝像頭影像監控設備對現場進行遠程觀測，判斷是否發生地質災害。該模塊我們選用ALIENTEK推出的一款高性能 500W 像素高清攝像頭模塊，該模塊采用 OmniVision 公司生產的一顆 1/4英寸 CMOS QSXGA（2592*1944）圖像傳感器：OV5640。ATK-OV5640 模塊采用該 OV5640傳感器作為核心部件，集成有源晶振和 LDO，并且集成了自動對焦（AF）功能，帶 2 個 1W的高亮 LED 閃光燈，具有非常高的性價比。

2.5OLED液晶顯示

在進行測距的同時，測得的距離信息數據會通過RS232接口將信息轉換為單片機可以接收的數據，單片機通過IO口實時將數據傳輸到OLED顯示屏上，以便工作人員進行實時觀測，同時，內部建立數據庫，以便日后進行數據調用與對比。

2.6聲光報警

激光脈沖測得數據與預先設置的最大限度數據范圍相比較，對于數據超出限制范圍的情況，單片機通過控制相應引腳使能，進而控制報警器與信號燈產生相應聲光報警。

3.軟件系統設計

本系統的軟件設計包括控制stm32f407zgt6內部運行程序和2.4G通信協議，以及使得各個模塊相互協作所需的程序。這三部分的程序都采用了標準程序開發的模塊化設計規范，提高程序的可讀性和可維護性，為以后的系統程序開發和完善提供了方便。

3.1應用程序實現

本系統應用程序采用C語言編寫，使用Keil uVision5集成開發環境進行軟件開發，Keil uVision5是一款專業的C語言軟件開發系統，在該軟件中匯集了C編譯器、宏匯編、連接器、庫管理等強大的功能，并且還提供了編譯器、安裝包和調試跟蹤等工具，可以讓用戶在對設計過程中實時查看相關信息，以便于迅速做出調整。程序流程圖如下所示。

3.2測距代碼實現

外部中斷串口接收測距數據部分程序：

void USART3_IRQHandler（void）

{u8 res;

if（USART3->SR&（1<<5））//接收到數據

{res=USART3->DR;

if（（USART3_RX_STA&（1<<15））==0）//判斷接收完畢的數據是否被處理，如果未處理，則不再接收任何數據

{ if（USART3_RX_STA<USART3_MAX_RECV_LEN） //還可以接收數據

{TIM3->CNT=0; //清空計數器

if（USART3_RX_STA==0） //使能定時器3中斷

{TIM3->CR1|=1<<0; //使能定時器3

}

USART3_RX_BUF[USART3_RX_STA++]=res; //記錄接收到的值

}

else

{USART3_RX_STA|=1<<15; //強制標記接收完成

} }}

5.結語

該鐵路護坡災害預警檢測系統設計具有以下優點：采用多點激光測距，可靠性高，精度高。抗干擾能力強，能夠抵抗惡劣天氣影響。多點測量監測面積大魯棒性好。成本低便于實施。結合OLED實時數據顯示系統與聲光報警系統，使得工作人員可以實時了解護坡狀態，使得安全保障大大增加。

參考文獻：

[1]鐵路路基設備監控預警系統[J]. 田小麗，劉寧. 中國鐵路. 2013（03）

[2]徐建強，楊建國，閻宗嶺，柴賀軍，黃河.公路邊坡危巖智能安全監測及現場災害報警技術[J].土工基礎，2017，31（02）：240-243.

[3]]李昕源，趙津藝，徐潔.基于stm32f407單片機的車內攝像拍照監控預警系統[J].技術與市場，2019，26（12）：128-129.

[4] 趙全利.單片機原理與應用技術（基于keil C與proteus）[M].北京：機械工業出版社，2016

臨沂大學自動化與電氣學院 276000