无线通信的智能监控系统设计范文

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1监控系统组成和工作原理

1.1监控主机监控主机主要功能有对智能铁鞋和车轴电子标签的编码注册及更改，定时轮询铁鞋，铁鞋状态的实时显示，异常情况语音报警，铁鞋状态数据存储，轨道车编组设置，参数设置和上位机通信。监控主机采用蓄电池和内置锂电池的双电源供电方案，其组成由图所示，主要包括电源管理电路、红外通信模块、无线通信模块、电量检测、数据存储，语音报警、手制动检测电路、带触摸的TFT_LCD显示电路和串口通信电路。

1.2智能铁鞋智能铁鞋主要功能包括自身状态监测、获取所在位置的车轴电子标签信息和与监控主机无线通信等功能，自身状态的检测包括：铁鞋已支或未支，是否在铁鞋架上，铁鞋是否放置到位，电量是否充足等，智能铁鞋采用7.4v可充电锂电池供电，内部带有充电电路，铁鞋系统由电源管理电路、ARM、无线通信模块、红外通信模块、铁鞋到位检测、电量检测电路组成。

1.3车轴电子标签车轴电子标签功能为通过红外定时发送自身编码和电量信息，实现铁鞋放置的定位，主要由红外通信模块、电源管理和电量检测电路组成。车轴电子标签固定在车轮上方的位置，电源采用自放电率低的锂亚硫酰氯电池，经过软硬件综合低功耗设计，一块电池可以用5年左右。

2主要元器件选型及硬件电路设计

2.1控制器选择监控主机功能复杂，计算量大，实时性要求高，选择意法半导体Cortex-M3内核32位的STM32f103RCT6，其功能强大，价格低廉抗干扰能力强，集成外设丰富，内含RTC，8个定时器，一路SPI、2个12位的ADC、3通道UART串口和CAN总线控制器等众多外设，具有极高的集成度，杰出的功耗控制。各个外设均有独立的时钟开关，可通过关闭相应外设的时钟来降低功耗，时钟频率最高可到72MHz，程序存储器达28Kbytes，内部高速RAM达20Kbytes，这些资源正好满足监控主机的需要。智能铁鞋要用到2通道UART串口，根据智能铁鞋的功能和低功耗等方面考虑，处理器也选择选择意法半导体的STM32f103RCT6。车轴电子标签主要考虑低功耗设计，因此选用择意法半导体的超低功耗系列的8位单片机STM8L151K4T6。

2.2红外通信电路设计红外通信主要用于车轴电子标签和智能铁鞋之间，另外主机对智能铁鞋和车轴电子标签注册时也通过红外通信方式实现，根据现场情况和低功耗综合考虑，红外通信距离设计为2米。红外通信发射电路如图4所示，红外发送数据通过ARM内部串口发送，ARM内部产生38KHz的载波信号，两路信号经过三极管Q1和Q2组成的电路相与，实现对红外发送数据的调制，经过38KHz载波信号调制后驱动发光二极管，将38KHz调制信号转换为光脉冲信号，红外接收电路采用通用的一体化红外接收模块，经过芯片内部信号滤波放大解调后输入到ARM的串口，实现红外数据的接收。

2.3铁鞋放置到位检测电路设计铁鞋在放置时，若放不到位会存在较大的安全隐患，因此铁鞋到位检测十分重要，由于铁鞋内部空间狭小，不能采用超声波测距的方法，采用红外测距方式，铁鞋到位检测电路由红外发射和接收电路组成，红外发射电路发送一个固定数据，红外信号经过车轮反射后进入红外接收电路，如果接收信号和发送信号一致，认为电路铁鞋放置到位经过合理的电路参数设计，固定红外发射管的发射电流，设置红外检测距离为10cm。铁鞋到位检测发射电路如图5所示，接收电路也采用一体化红外接收头。

2.4无线通信设计无线通信芯片选择台湾笙科电子的A7108，工作频率为433MHz，具有优异的RF性能，可输出高达20dBm的发射功率，接收器拥有超高灵敏度，采用SPI方式设置A7108的参数，内建最大64字节的发送和接收缓冲区，最大通信距离可达1.6Km，支持四种低功耗工作方式，特别适合于电池供电的应用场合。本设计中智能铁鞋采用电池供电，无线通信占了整个功耗的一半，因此无线芯片采用定时唤醒来降低功耗。

2.5语音报警电路设计当铁鞋或车轴电子标签电量不足，或者出现其他异常信息，监控主机将进行语音报警，语音播放电路由语音芯片和功率放大电路组成，语音芯片采用WTV170，为一次性烧录语音芯片，语音长度可达到80秒，采用三线串口通信，考虑到轨道车上噪音较大，语音芯片输出信号经过音频功放放大，驱动两个3W的喇叭，功放芯片选用D功率音频功放PAM8403，谐波失真小，噪声串扰小，效率高。语音报警电路如图6所示。3编组功能实现轨道车在施工时，常常需要将轨道车分开或者组合，为了实现对轨道车铁鞋的管理，编组功能的设计思路非常关键，针对每辆轨道车都有一个电子编号，轨道车所属的4只铁鞋也都有一个编码，针对目前轨道车的数量和实际车号情况，设计轨道编号为6位数字，不够6位的以字母x代替，其所属铁鞋编号为7位，编码规则为车号+序号，如某轨道车车号为32534，则其电子编号为32534x，所属4只铁鞋编号为32534x1，32534x2，32534x3，32534x4。在增加编组车辆时，只需要将需要编组车辆的电子编号输入即可，系统会自动将该车辆的四只铁鞋加入轮询序列，删除该编组车辆铁鞋，只需要删除该车辆的电子编号即可。这样就很方便地实现对车辆铁鞋的编组管理。

4通信协议

通信协议主要包括红外通信协议、无线通信协议和上位机通信协议，均为自定协议。红外通信协议如表所示，由9个字节构成，包括1个开始字节，1命令字节，3个车号字节，1轴号字节，1状态字节，1校验字节和1结束字节。命令字节0x01:查轴号，0x02:回发轴号，0x03:注册轴号，0x04:查询鞋号，0x06:回发鞋号，0x03:注册鞋号，校验字节为前面字节的数据和，表1给出了注册车轴电子标签号为23232301，其对应的车号为232323，状态字0x32表示电量充足。无线通信协议如表所示，由8个字节构成，包括1个命令字节，3个车号字节，1个轴号字节，1个鞋状态字节，1个轴状态字节，1个校验字节，在中数据发送时A7108会自动加入帧头和帧尾。命令字节0x31代表主机查询铁鞋状态，当主机发送查询命令时鞋状态字节和车轴状态字节为0x00，命令字节为0x32表示铁鞋回发数据，表2中数据表示铁鞋放置在轴号为2323604的车轴下面，铁鞋放置正确且电量充足，车轴电子标签电量足。

5软件设计

系统软件设计主要包括监控主机、智能铁鞋、车轴电子标签程序和上位机程序，智能铁鞋和车轴电子标签主要涉及到软件低功耗设计。监控主机主程序是核心，上电后进行系统初始化，主要包括时钟配置、端口配置、串口配置、定时器配置、AD转换器配置等，接着初始化无线模块和触摸屏，并显示主界面，系统定时轮询主机注册的所有车的铁鞋，并采用图标的形式实时显示铁鞋状态，如果铁鞋状态改变将存储，若出现异常情况语音报警提示。

6结论

针对目前防溜铁鞋的在使用和管理过程中存在的问题，分析了当前智能铁鞋的应用情况，提出了基于无线通信技术的轨道车智能防溜监控系统，以ARM为主控制器，设计了监控主机和智能铁鞋，铁鞋通过放置所在车轴位置电子标签信息定位，监控主机通过无线通信技术获取铁鞋和车轴电子标签状态信息，通过大屏幕LCD屏以图标图7监控主机主程序流程图形式实时显示铁鞋状态，并在本地存储铁鞋状态信息，当出现异常情况时通过语音提醒或报警。同时铁鞋状态信息可通过RS232串口传给上位机，进行铁鞋状态数据的存储和分析。目前该防溜监控系统已在郑州铁路局试用，实践证明，该系统运行稳定，性能可靠，能实时掌握铁鞋状态，对轨道车的安全起到了很大的作用。

作者：苏宝平单位：河南工业大学