铁路护坡灾害预警检测系统设计

刘克鑫 张兴强

摘要：针对铁路护坡塌陷、异物侵入等位移性地质灾害，本文实现了一种能够自主检测该并能自动报警的灾害预警监测系统。该系统设计以stm32单片机为控制核心，结合测距模块、摄像头模块等实现了对铁路护坡安全的实时定点、多点监测。系统采用的主控MCU为ARM公司的STM32F407ZGT6芯片，激光测距采用了体积小巧，精度高，鲁棒性较好的PLS-K-60 激光测距模块。

关键词：铁路护坡灾害;预警检测;STM32F407ZGT6芯片;连续式激光脉冲多点精准测距

引言

全是铁路永恒不变的主题。在整个铁路运输过程中，首要任务是保证运输安全。随着高速铁路与高速列车技术的快速发展，高速铁路列车运行速度的提高和列车密度的加大，如何保证行车安全变得越来越重要，各种异物侵入以及铁路护坡塌陷事故[1]等具有突发性、无规律、不可预测等特点，这对行车安全保障体系提出了更高的要求。而原有既有线的安全模式已不能满足高速铁路运行的要求。2020年3月30日在京广铁路湖南郴州段发生的列车脱轨事故，其直接原因就是附近山体滑坡，T179次列车撞上塌方体，中断行车。因此针对铁路护坡危害，构建可靠安全的铁路安全监控系统成了亟待解决的问题。

1.系统方案设计

如图2 系统原理图，该系统实现的主要功能有：激光脉冲式多点精准测距，液晶显示数据，数模转换，声光报警，摄像头影像监控，2.4G无线数据传输。测距头通过将激光束发射到带有标识的表面，收集测距信息，并通过RS232接口将其信息转换成单片机可以接受的数据，通过对单片机的相应的引脚进行设置，从而通过IO把数据信息输出到液晶显示，并使测得数据与预先设置的最大限度数据范围相比较，若不在范围内，则使得声音控制引脚以及信号灯控制引脚使能，进而产生声光报警，并通过无线传输模块将所产生的信息数据输出到远程监控中心。

系统采用连续式激光脉冲多点精准测距，激光二极管对准目标物发射激光脉冲，激光经过目标物反射到传感器接收器上，被光学系统接收后成像到雪崩光电二极管上通过此飞行时间结合运动学公式来测得与目标物的距离，即光速与飞行时间一半的乘积即为与目标物的距离。为了进行灾害实时检测，在该模式下会以连续的方式执行测距测量。一旦测量结束，下一次测量就会立即启动，用户必须停止测距才能返回到待机状态，最后的一次测量在停止前完成。采用多个激光测距头进行多点激光测距，可靠性高，而且多点测量监测面积大鲁棒性好。

2.硬件电路设计

2.1控制器电路

控制器选用ARM公司生产的stm32f4zgt6芯片，内核为32位高性能ARM Cortex-M4处理器，时钟高达168M;存储容量1024FLASH，192K SRAM;支持FPU（浮点运算）和DSP指令。多达17个通信接口和定时器，丰富的引脚和功能更是为电路设计提供了优良的基础。

2.2测距模块的选择

根据实际情况，要求模块要能够进行长距离多点测量，并且要恶劣环境下能够继续保持工作，因此我们选择了抗干扰能力较强的PLS-K-60，我们终端应用需要连接多台激光测距模块同时工作读取距离值。在多从系统中，每个模块接入网络之前，所以每个模块设置成不同地址位以避免冲突，然后通过控制单片机的总线读取指定的所测量距离，分析实际应用情况我们选择了连续测量模式，即进入连续测量：将模块的连续测量控制引脚拉 P13.nCTRL 低后，再输入 D/M/F 三个命令中的一个后，那么模块就会开始连续测量，测量的速度根据 D/M/F 三个命令进行。

2.3通信方式的选择

常见的通信方式有SPI/I2C模式通信、2.4G無线通信、口对口通信、利用双口RAM作为缓冲器通信、WPM、RS232以及DMA等。因为本设计涉及到传输距离和准确性问题，并且本设计需要多点通信和调频通信，我们最终选择了4G的通信方式并采用高新兴物联（GOSUNCN）公司的 LTE Cat.4 模块。选用PID 型号是：C2E_L。该模块采用 SMT 封装形式，其性能稳定、外观精巧、性价比高。支持 LTE-FDD、LTE-TDD、WCDMA 及 GSM 制式的全网通模块，并支持 LTE Cat.4。在 LTE制式下，该模组可以提供最大 50Mbps 上行速率和 150Mbps 下行速率。极大满足了在野外护坡监测传输数据的需要。

2.4摄像头模块

工作人员即可通过摄像头影像监控设备对现场进行远程观测，判断是否发生地质灾害。该模块我们选用ALIENTEK推出的一款高性能 500W 像素高清摄像头模块，该模块采用 OmniVision 公司生产的一颗 1/4英寸 CMOS QSXGA（2592*1944）图像传感器：OV5640。ATK-OV5640 模块采用该 OV5640传感器作为核心部件，集成有源晶振和 LDO，并且集成了自动对焦（AF）功能，带 2 个 1W的高亮 LED 闪光灯，具有非常高的性价比。

2.5OLED液晶显示

在进行测距的同时，测得的距离信息数据会通过RS232接口将信息转换为单片机可以接收的数据，单片机通过IO口实时将数据传输到OLED显示屏上，以便工作人员进行实时观测，同时，内部建立数据库，以便日后进行数据调用与对比。

2.6声光报警

激光脉冲测得数据与预先设置的最大限度数据范围相比较，对于数据超出限制范围的情况，单片机通过控制相应引脚使能，进而控制报警器与信号灯产生相应声光报警。

3.软件系统设计

本系统的软件设计包括控制stm32f407zgt6内部运行程序和2.4G通信协议，以及使得各个模块相互协作所需的程序。这三部分的程序都采用了标准程序开发的模块化设计规范，提高程序的可读性和可维护性，为以后的系统程序开发和完善提供了方便。

3.1应用程序实现

本系统应用程序采用C语言编写，使用Keil uVision5集成开发环境进行软件开发，Keil uVision5是一款专业的C语言软件开发系统，在该软件中汇集了C编译器、宏汇编、连接器、库管理等强大的功能，并且还提供了编译器、安装包和调试跟踪等工具，可以让用户在对设计过程中实时查看相关信息，以便于迅速做出调整。程序流程图如下所示。

3.2测距代码实现

外部中断串口接收测距数据部分程序：

void USART3_IRQHandler（void）

{u8 res;

if（USART3->SR&（1<<5））//接收到数据

{res=USART3->DR;

if（（USART3_RX_STA&（1<<15））==0）//判断接收完毕的数据是否被处理，如果未处理，则不再接收任何数据

{ if（USART3_RX_STA<USART3_MAX_RECV_LEN） //还可以接收数据

{TIM3->CNT=0; //清空计数器

if（USART3_RX_STA==0） //使能定时器3中断

{TIM3->CR1|=1<<0; //使能定时器3

}

USART3_RX_BUF[USART3_RX_STA++]=res; //记录接收到的值

}

else

{USART3_RX_STA|=1<<15; //强制标记接收完成

} }}

5.结语

该铁路护坡灾害预警检测系统设计具有以下优点：采用多点激光测距，可靠性高，精度高。抗干扰能力强，能够抵抗恶劣天气影响。多点测量监测面积大鲁棒性好。成本低便于实施。结合OLED实时数据显示系统与声光报警系统，使得工作人员可以实时了解护坡状态，使得安全保障大大增加。

参考文献：

[1]铁路路基设备监控预警系统[J]. 田小丽，刘宁. 中国铁路. 2013（03）

[2]徐建强，杨建国，阎宗岭，柴贺军，黄河.公路边坡危巖智能安全监测及现场灾害报警技术[J].土工基础，2017，31（02）：240-243.

[3]]李昕源，赵津艺，徐洁.基于stm32f407单片机的车内摄像拍照监控预警系统[J].技术与市场，2019，26（12）：128-129.

[4] 赵全利.单片机原理与应用技术（基于keil C与proteus）[M].北京：机械工业出版社，2016

临沂大学自动化与电气学院 276000