２０１１年９月 铁道通信信号 Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ ２０１ １ 第４７卷第９期 ＲＡＩＬＷＡＹ ＳＩＧＮＡＬＬＩＮＧ＆Ｃ０ＭＭＵＮＩＣＡＴＩＯＮ Ｖｏ１．４７ Ｎｏ．９ 铁路无人值守机械室环境监控终端的改进设计 刘春辉 摘要：提出一种改进型铁路机械室环境监控终端，增加硬件终端选择模块，简化了软件设计， 用数字式温湿度传感器替换原模拟式温湿度传感器，提高了测量精度、简化了电路结构和现场施 工，降低了系统成本；增加网络通信接口，扩大使用场合。 关键词：铁路机械室；环境监控；ＡＶＲ单片机 Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｒｅｓｅｎｔｓ ａｎ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｔｅｒｍｉｎａｌ ｆｏｒ ｒａｉｌｗａｙ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｒｏｏｍ． Ｉｔ ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｓ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｓｏｆｔｗａｒｅ，ｆａｃｉｌｉｔａｔｅｓ ｆｉｅｌｄ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，ｄｅｂｕｇ ａｎｄ ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ ｂｙ ａｄｄｉｎｇ ｔｅｒｍｉ— ｎａｌ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｍｏｄｕｌｅ ｉｎ ｈａｒｄｗａｒｅ．Ｉｔ ｉｍｐｒｏｖｅｓ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ａｃｃｕｒａｃｙ，ｓｉｍｐｌｉｉｆｅｓ ｃｉｒｃｕｉｔ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｉｆｅｌｄ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｒｅｄｕｃｅｓ ｓｙｓｔｅｍ ｃｏｓｔ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｄｉｇｉｔａｌ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｈｕｍｉｄｉｔｙ ｓｅｎｓｏｒｓ ｔｏ ｒｅｐｌａｃｅ ｔｈｅ ａｎａｌｏｇ ｏｎｅｓ．Ｉｔ ｅｎｌａｒｇｅｓ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｓｉｔｕａｔｉｏｎｓ ｂｙ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｎｅｔｗｏｒｋ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｒａｉｌｗａｙ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｒｏｏｍ；Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ；ＭＣＵ ｏｆ ＡＶＲ 机械室环境是否安全、稳定， 直接影响到整个铁路系统能否正常 运行。尤其是山区，大量无人通信 站及高铁箱式机房需人工定期检查 机械室环境和安全，不仅给维护带 来极大不便，而且不能保证设备的 安全运行。因此必须安装远程机械 室环境监控系统，实行机房环境集 中监控，实现维护便捷化、管理微 机化、人力统筹化。这里仅对安康 图ｌ 远程机械室环境监控系统组成框图 站的环境监控系统终端优化、改进 方案进行介绍。 １ 远程机械室环境监控系统 远程机械室环境监控系统由上位机和下位机 西安全路通号器材研究有限公司工程师，７１００４８西安 收稿日期：２０１１－０７－２１ ２部分组成，如图１所示。其中，上位机安装在监 控中心，一般多位于铁路局，有时也位于交通、管 设备下。此次割接尾纤一般需要１５～３０ ｍｉｎ，在 观察２４ ｈ，一切正常后拆除老设备及其配线，割 此时间内所有业务全部中断。割接完毕后所有业务 接结束。 全部自动恢复。 施工现场情况千差万别，必须要根据本站实际 ６．第二次要点割接业务。将老设备落地的业 情况，选择一个合理高效的割接开通方案。以上是 务时隙依次断开并重新在新设备上用同样的时隙落 ２种最常见的割接开通方案，另外还有一种是在既 地，同时在相应的配线端子上将老设备配线取下， 有传输系统中新增一套传输设备，与新增信号中继 插上新设备配线。一条业务割接完成后再进行下一 站或远动站相配套，因为是完全新增，故方案比较 条，直到完成所有业务。每条业务最多中断 简单不再多述。 ５ ｍｉｎ。 （贡任编辑：诸红） ７．全部完成后核对网管告警及所有业务状况， ７５— 铁道通信信号２０１１年第４７卷第９期 理极其便利的车站；上位机的核心是一个基于工控 机的在可视化平台上设计的测控软件，通过通信接 口、按照一定的通信协议实现上下位机间的数据交 换；上位机除了对下位机测控外，还要进行相关环 境参数的设置，以及监测数据的显示、报警、存 储、查询和打印等。下位机即所有的环境监控终 端，一般安装在车站机械室。环境监控终端监控对 象分为监控和监测２类，监控对象包括温度、湿度 及风速，监测对象包括烟雾、红外、积水、门磁。 实际应用中监测传感器和控制机构必须安装在合适 的位置，如红外传感器应安装在门、窗处，烟雾传 感器应安装在容易发生火灾处，积水传感器应安装 在易有积水的地方。 原环境监控终端存在以下问题： １．终端选择模块采用纯软件编号，每个终端 必须有一套专用的运行软件，给安装、调试和维护 等带来不便。 ２．温、湿度测量模块采用模拟式传感器，增 加了电路结构和现场安装时的系统布线。 ３．通信模块采用ＲＳ－４８５通信接口，单一的通 信方式，限制了系统的应用场合。 ２改进型环境监控终端 ２．１硬件设计 环境监控终端主要由温、湿度监控模块、烟雾 测量模块、红外测量模块、积水测量模块、门磁测 量模块、空调监控模块等组成。在原环境监控终端 的基础上，设计一种改进型环境监控终端，图２为 其组成框图。 图２改进型环境监控终端组成框图 １．终端选择模块。终端选择模块由１０ ｋＱ×８ 的排阻、八位拨码开关和８个Ｉ／Ｏ口组成。当拨动 八位拨码开关的某一位开关时，该位的输出可实现 高、低电平的交替变化。当终端向上位机发送数据 时，应先读取ＪＰ—Ａ１一ＪＰ－Ａ８的值，并将其作为终 一７６一 端地址给上位机，并将通信的终端地址与之比较， 相等时上位机读取该终端的数据，终端选择模块电 路原理如图３所示。这种用硬件编址替代原来软件 编址方式，大大简化了系统程序，便于实现终端识 别。八位拨码开关共有２５６种组合，可实现２５６个 终端编号。 ＲＰ１ １ｍ ８ １ ＶＣＣ Ａｄｄｒ Ｓｅｔｌ ２ ＪＰ Ａｌ １ Ｉ广— ｃｊ口 １６ ＧＮＤ ３ ＪＰ Ａ２ ２ ４ ＪＰ Ａ３ ３ Ｉ∞Ｉ １５ ｌ∞ ｌ ｌ ｌ４ Ｉ亡口Ｉ Ｚ里 § Ｉ１ ８ ＪＰ Ａ７ ７ Ｉ Ｉｃ＝亡ｌ＝＝ＤＩ Ｉ ｃ Ｉｌ０ ｃ＝口：口ｌ Ｉ 图３ 终端选择模块电路原理图 ２．温湿度测量模块。实时测量机械室的温湿 度，并与预设值比较，控制空调的运行模式，从而 实现铁路通信室温湿度监控。原监控终端中采用模 拟式温湿度ＪＷＢ—ＫＣ．Ｖ，而改进型监控终端采用数 字式温湿度传感器ＡＭ２３０３。ＪＷＢ－ＫＣ—Ｖ的几何尺 寸比Ａｂｉ２３０３大许多，因此必须安装在监控终端外 部，而ＡＮ２３０３只要将其敏感部分暴露在监控终端 外部即可；其次，ＪＷＢ—ＫＣ．Ｖ必须外设专门的模拟 信号调理电路和Ａ／Ｄ转换模块，而ＡＭ２３０３只需 １个普通Ｉ／Ｏ口即可；再有，ＪＷＢ—ＫＣ．Ｖ市场价为 ３００元左右，而ＡＭ２３０３的市场价为５Ｏ元左右。因 此，改进后的温湿度测量模块，从测量精度、电路 设计、现场施工和成本等方面都得到明显改善。 ＡＭ２３０３内部由湿度传感器ＨＣ０２和温度传感 器ＤＳ１８Ｂ２０组成。其中，ＨＣ０２具有１６位分辨率， 在一４０ｃｃ～１２５℃范围内，典型精度为±２％ＲＨ； ＤＳ１８Ｂ２０具有１６位分辨率，典型精度为±０．２￣Ｃ， 测量范围为一４０℃一１２５℃。ＡＭ２３０３的数字输入、 输出引脚ＤＡＴＡ，用于与微处理器ＡＴＮＥＧＡ８的通 信和同步，采用单总线４０位数据格式，高位先出， 一次通信时间５ ｍｓ左右，其中４０位数据＝１６位 湿度数据＋ｌ６位温度数据＋８位校验和。信号传输 距离可达２０ ｍ以上。单线制串行接口，简化了硬 件接口电路，但增加了软件编程的难度。 ３．通信模块。改进型监控终端的通信模块， 保留原ＲＳ－４８５通信接口用于网络通信。ＲＳ－４８５接 ＲＡＩＬＷＡＹ ＳＩＧＮＡＬＬＩＮＧ＆Ｃ０ＭＭＵＮＩＣＡＴ１０Ｎ Ｖｏ１．４７ Ｎｏ．９ ２０１ １ 口最高传输速率可达１０ Ｍｂ／ｓ，最大传输距离标准 １２００ ｍ（９６００ ｂ／ｓ），总线上最多允许连接１２８个 收发器，具有良好的抗噪声干扰性。ＲＳ－４８５接口 组成的半双工网络，一般只需２根信号线，所以采 用屏蔽双绞线传输。 改进型监控终端的网络通信接口，采用 ＣＰ２２００芯片，集成了ＩＥＥＥ ８０２．３以太网媒体访问 控制器、１０Ｂａｓｅ—Ｔ物理层和８ＫＢ非易失性ＦＬＡＳＨ 存储器的单芯片以太网控制器。ＣＰ２２００可为具有 １１个以上端口Ｉ／Ｏ引脚的微控制器或主处理器增 加以太网通信功能。８位并行总线接口支持Ｉｎｔｅｌ和 Ｍｏｔｏｒｏｌａ总线方式，可选择复用或非复用方式寻 址。方式选择引脚，用于配置总线接口方式。 增加的网络通信接口，便于终端在Ｉｎｔｅｒｎｅｔ环 境中使用，简化施工，同时降低系统成本。系统中 上位机下传的通信协议由５个字节组成，依次为终 端号、终端号反码、命令码、数据码及异或和校验 码。其中，命令码主要包括温度、湿度、红外、门 磁、烟雾和积水等读取命令，以及空调设置命令； 数据码主要包括温度、湿度及风速等设定值。 终端上传的通信协议由６个字节组成，依次为 终端号、终端号反码、当前温度值、当前湿度值、 状态量组合码、异或和校验码。其中，状态量组合 码的Ｄｎ位表示２２０Ｖ交流电供电状态，Ｄ 和Ｄ 位 表示空调运行状态，Ｄ 位表示红外监测状态，Ｄ 位表示门磁监测状态，Ｄ 位表示烟雾监测状态， 位表示积水监测状态。系统中用１个字节的组 合码表示７个状态量，上传和下传数据字节个数固 定，减少了数据传输量，一定程度上简化了接收方 解码。 ４．其他模块。烟雾测量模块选用离子式ＭＱ一２ 型开关式烟雾传感器；红外测量模块选用热释电 ＨＷ３０５型开关式红外传感器；积水测量模块选用 自行设计、水导电原理的开关式积水传感器；门磁 测量模块选用ＨＫ．ＰＳ１５６１型开关式门磁传感器； 空调控制模块选用自行设计、基于红外线的万能遥 控模块。 ２．２软件设计 终端要按照上位机的命令进行工作，但在 ２２０Ｖ交流停电、供电后按照默认的系统参数工作。 夏季，系统默认温度上限为＋３０％；冬季，系统默 认温度下限为＋５℃。上位机对下位机的监控数据 采用点名制，而下位机扫描数据的周期为２ ｍｉｎ， 所以下位机需要预先按照通信协议定义变量，并按 照扫描结果不断刷新。图４为终端软件流程图。 图４终端软件流程图 ３结论 改进型铁路机械室环境监控终端，增加了终端 选择模块，简化了软件设计；数字式温湿度传感器 替换原模拟式温湿度传感器，提高了测量精度，简 化了电路结果，降低了系统成本；增加了网络通信 接口，扩大了使用范围，也可用于其他领域的环境 监测，如智能家居、现代化养殖大棚等。 参考文献 ［１］ 张晓莉，郭其一，马全松．铁路信号机械室环境温度监 测下位机设计［Ｊ］，铁路计算机应用．２００７，１６（１１）：４２ —４４． ［２］ 骆家强．远程机械室环境监控系统的研制［Ｄ］．硕士 学位论文，西安：西安科技大学． ［３］ 陈清彬．家居湿度智能控制［Ｊ］．电子制作，２０１０，１０ （１０）：４０—４３． 。 ［４］ 李金波，田民．基于单片机的智能家居系统设计［Ｊ］． 自动化技术与应用，２０１０，２９（６）：１２５—１３１． ［５］ 曲立东．城市轨道交通环境与设备监控系统设计与应 用［Ｍ］．北京：电子工业出版社，２００８，３． （责任编辑：诸红） 一７７—