基于多红外传感器的铁路无线通信切换系统设计

　　摘要：目前，设计的铁路无线通信切换系统切换耗时过长，导致切换后通信信号的稳定性较差。为了解决上述问题，基于多红外传感器设计一种新的铁路无线通信切换系统，并对系统的硬件和软件进行了设计。由电源、传感模块、处理模块构成数据采集节点，完成数据的切换，选用的芯片为 LOC3341，网络协调器负责数据交互、数据网络的建设以及监控终端与无线传感器的协调，单片机采用 AP34C63 作为 CPU，提高了切换速度。通过基站控制器内部切换、无线通信基站控制器切换、移动控制中心之间切换来实现软件操作。实验结果表明，基于多红外传感器的铁路无线通信切换系统能够有效缩短切换耗时，提高了切换后通信信号的稳定性。

　　关键词：多红外传感器;铁路无线通信;切换系统;切换设计

　　荣正官 电子设计工程 2022-01-05

　　近年来，随着铁路建设的迅猛发展，铁路无线通信信号的及时接收及传递显得尤为重要[1-2] 。多红外传感器是利用红外线的物理性质来进行测量的传感器。红外线又称红外光，具有反射、折射、吸收、干涉等性质，其具有一定的温度，能辐射红外线[3] 。多红外传感器测量时与被测物体不直接接触，所以不存在摩擦，具有灵敏度高、反应快等优点[4] 。

　　文中铁路无线通信系统采用了多红外传感器，即使线路接触不良，线路电压的改变在正常范围内就不会影响通信信号的正常传输，输出电流信号的大小也不会受到影响。文中设计的基于多红外传感器的铁路无线通信切换系统能够解决以上问题，通过布置节点协作，实时监测感知及采集通信电路信号并及时传递信息，其以成本低、功耗低、适应性强等优点在多个领域得到广泛应用。

　　1 基于多红外传感器的铁路无线通信切换系统硬件设计

　　基于多红外传感器的铁路无线通信切换系统硬件结构如图 1所示。

　　1.1 采集节点设计

　　数据采集节点如图 2所示。

　　根据图 2 可知，数据采集节点由电源、传感模块、处理模块构成，以此进行数据的采集、传输、监测以及接收。采集节点中的传感模块由发送模块、接收模块以及检测模块构成，利用无线传输模块进行数据传输，能够简单快速地为传输终端提供无线传输能力。当电流大小发生变化时，线路的电压幅值会发生相应变化[5] 。电路检测到通信信号时，三极管的强光会发生变化，输出高电平。采集的节点通过变化的高电平进行识别，识别到处理过的信号后，三极管的特性会转化为脉冲信号能够识别的性质，节点会转变成初始化，等待上层命令，进行命令解析后执行新的任务[6-7] 。任务开始接收节点数据，采集的节点通过电路传感器采集数据，进行数据预处理后对采集到的通信信号进行无线传输[8-9] 。传感器输出的是脉冲信号以及电流信号值，节点通过这两个信号进行数据采集及处理，避免了复杂的布线，实现了应用的简单、快速。

　　1.2 网络协调器设计

　　网络协调器节点如图 3所示。

　　根据图 3 可知，网络协调器由便携式控制器、存储器、微处理器 3 个模块构成。它的监测区域范围较大，首先通过便携式控制器中的传感器模块向 A/D 转换器进行数据转换，转换过程中将采集到的数据通过微处理器进行处理，再由数据处理和控制模块进行传输[10-11] 。在协调网络信号方面，网络协调器负责数据交互、数据网络的建设以及监控终端与无线传感器的协调。网络协调器对传输进来的数据进行数据通信处理，处理后进行协议封装并向铁路信号源进行实时发送，同时网络协调器还要负责与数据采集节点的协调，需要处理传输模块传输的大量数据，所以，微处理器是网络协调器中的重要部件，其对数据的吞吐能力和处理能力具有较高要求。网络协调器电路如图 4所示。

　　在考虑成本以及芯片质量的基础上，选用的芯片为 LOC3341，它具有性能高，成本低的优点，适合开发网络协调器。在解析网络程序过程中，将采集到的数据通过数据缓冲区发送到传感器中，经过处理完成网络协调器的适配。多红外传感器的通信模块采用 JNP3125 模块，该模块交互了接口标准，下行速率最高达到 76 kB/s，能够快速实现数据的传输，满足了应用中的各种需求，连接过程中产生的费用相对较低[12-13] 。

　　1.3 单片机设计

　　单片机采用的 CPU 为 AP34C63，芯片为 67C54、 16位计数。单片机示意图如图 5所示。

　　单片机传输速度快，含有 3k POB、135 byteRAM，它的终端驱动力达到了 30 mA，具有较高的处理远端数据的能力。电压输入为 12 V，PIUTYC 为频率 2~15 kHz 的脉冲信号，无线通信方面选用 NMI376 RCEY 接 口 芯 片 来 完 成 数 据 的 交 互[14- 16] 。 NMI376RCEY 传输速率为 200 kbps，能连接多个采集节点，工作温度在-35~60 ℃。采用 67C54 芯片，能使脉冲信号的脉冲数值达到 16 bit，单片机无线收发功能强，能够很好地完成无线收发任务。

　　2 基于多红外传感器的铁路无线通信切换系统软件设计

　　多红外传感器包括光学系统、检测元件、转换电路。光路可分为透射型和反射型两种，检测元件可分为热检测元件和光电检测元件。这种光电检测元件具有很强的无线传输能力。该系统由频率发生器、监视器模拟器、功放器、网络解调器和晶体振荡器组成。它的传输速率可以达到 3 mbps。设定输出功率和频率后，就可以很好地完成信号发送和无线交互收发。3个计时器可用于脉冲频率的测量，分为两个脉冲信号计时器和一个脉冲计数计时器，通过测量计时器的值和计时器的时间可以确定测量频率。微处理器在接收外部脉冲信号时，通过下游线路将外部连接的引脚电平设为高、低电平，中断缓冲设为一次性响应，将数据集成到寄存器中，并用软件进行记录[16] 。基于多红外传感器的铁路无线通信切换流程如图 6所示。

　　首先进行铁路基站控制器内部切换：无线通信切换由一个服务区的基站切换到另外一个服务区的基站，在切换过程中由同一个基站控制器进行统一控制。

　　然后进行各个无线通信基站控制器之间的切换：通信切换由一个基站控制器切换到另一个不相关的基站控制器，在切换过程中，由同一个移动控制中心进行统一控制。

　　最后进行移动控制中心之间的切换：切换前后所在的区域在移动控制中心控制范围内，运行中的列车在切换过程中受同一个移动控制中心控制。当下一个区接到通信切换请求时，前面的通信系统要具备无记性的特点，在规定时间内无线闭塞中心接到切换请求呼叫后会发出指令，建立通信的传播路径，从而给移动交换中心发送切换命令。移动交换中心通过移动台连接通信通道，再通过基站控制器触发路径切换，使旧路径进行网络释放。在通信条件良好的情况下，无线通信切换的请求可在单服务的基础上进行扩展，使铁路无线通信切换更加便捷、高效。

　　3 实验研究

　　为了验证文中提出的基于多红外传感器的铁路无线通信切换系统的有效性，与传统的基于 ZigBee 技术的铁路无线通信切换系统及基于 MSP432 的铁路无线通信切换系统进行实验研究。

　　实验参数如表 1所示。根据上述参数，选用文中的切换系统和传统切换系统进行对比实验。切换耗时实验结果如图7所示。由图 7 可知，文中提出的基于多红外传感器的铁路无线通信切换系统耗时更短，能够在更短的时间内完成信息切换，确保通信数据在短时间内完成转换。

　　切换后的通信稳定性实验结果如图 8所示。根据图 8 可知，文中提出的切换系统切换后的无线通信电路稳定性更好，数据能够更加流畅地传输。传统系统在通信过程中，存在缓冲时间过长，起伏波动过大等问题。传统系统对铁路无线通信切换系统的分布及设计进行了较为细致且周密的分析，并对其电路信号的传输模式进行了研究，在铁路无线通信切换系统中，由于实时监控点数量多，监测数据及通信信号的发送实时性要求高，采用有线网络实现数据传输，其成本高、可延展性较差。传统的铁路无线通信切换系统传输数据的方式以及电路信号的发送、接收已不能满足铁路无线通信切换系统的需要。文中提出的基于多红外传感器的铁路无线通信切换系统具有更强的切换能力，能够更好地保证数据通信的安全性，更加值得推广使用。

　　4 结束语

　　文中设计的基于多红外传感器的铁路无线通信切换系统，采用多红外传感器无线数据采集技术以及无线通信切换技术的各自优势，成本低、配置方便、灵活、数据传输速率高、操作简单，可以有效地解决中国列车无线通信信号的传递，控制系统形式化等问题。通过以上的设计得出基于多红外传感器的铁路无线通信切换与国际通用标准相接近，可选取实际铁路通信施工建设的参考参数来建设通信设备。

　　除此之外，在铁路实际施工建设中要根据具体路况进行基站控制系统的建设，为了提高系统的可行性，通常在基站之间安装多红外传感器设备，以此提高通信系统的可靠性。多红外传感器在设计中有一定的实际用途，可以实现铁路通信设备的自动更新，数据的发送对铁路通信切换系统的实际运用奠定了基础。