基于RFID射频识别技术的专用线道口预警装置的设计

赵建军

铁路专用线道口大多数属于无人值守道口，很少设置安全警示设备，公路上的行人及车辆横越道口时，不能提前发现专用线调车作业。另外，由于建筑物遮挡，调车作业列车接近道口，前方领车人员不能及时发现通过道口的行人和车辆状况，容易造成列车与行人、车辆相撞的事故。由于道口没有警示装置，甚至有时发生行人和车辆强过、硬闯道口的危险状况。因此，专用线无人值守道口在调车作业时具有一定的安全隐患，为了更好的保障铁路专用线运输安全，研制一种新型专用线无人值守道口调车作业安全预警装置。

1 设计思路

目前，报警装置的传感器主要有传统的电磁式传感器，车轮通过传感器时触发信号，应用有线或无线通信方式进行传输报警，需要布设通信线缆或者电源线缆，安装有点复杂，而且维护困难，在工务维修时易遭到破坏。因此，新型报警装置在列车接近道口范围内通过射频识别技术启动报警信号，提醒准备通过道口的车辆和行人注意观察列车接近。由于该装置常年置于户外，除了考虑装置的实用性，还需要考虑装置的可靠性和稳定性。基于目前的道口安全预警现状，新型道口预警装置应具有使用方便、易安装、易维护的特点，可对预警装置进行远程管理和状态查询。

2 硬件设计

该装置分为前端采集、控制单元、报警模块、太阳能供电和数据传输五部分。图1为预警装置结构图。

图1 预警装置结构图

2．1 前端采集系统

前端采集系统采用远距离射频识别技术（RFID）进行来车检测，主要包括手持终端和阅读器二部分，应用原理为阅读器对调车人员携带的终端进行识别，进而能够识别到通过的列车。RFID为非接触式的自动识别技术，通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，其最重要的优点是能穿透雪、雾、冰、涂料、尘垢和条形码无法使用的恶劣环境阅读标签，阅读速度极快，多数情况下不到100ms。

RFID由电子标签、读写器和数据处理系统三部分组成。其中，电子标签由天线和RFID芯片组成，每个芯片都含有唯一的识别码，用来表示电子标签所附着的物体。最近几年有源标签RFID产品具有远距离自动识别的特性，应用范围极广，工作频率有超高频433MHz、微波2．45GHz和5．8GHz。ISO／IEC制定了5种频段的空中接口协议，规范读写器与电子标签之间信息交互，以及不同厂家生产的设备之间互联互通。图2为射频识别系统结构图。

图2 射频识别系统结构图

一般要求列车接近专用线道口时间40s开始报警，经过道口的最大速度为30km／h，换算为报警距离约333m，由于报警距离比较远，阅读器采用 内核和 无线技术设计，具有灵敏度高、抗干扰强和识别距离远的特点，外接定向天线，识别距离可达300m以上，识别距离可以根据现场情况进行调节，阅读器和报警装置安装在专用线道口，阅读器识别终端接收到报警信号立即输出开关量信号。

手持终端采用有源433MHz的电子标签开发技术，采用纽扣电池供电，低功耗，使用寿命长，外置天线，接收灵敏度高。为了方便调车人员的操作，手持终端具有开关机按键，接收到阅读器所发出的信号后进行声音提示，调车人员可以进行按键报警操作。

2．2 控制单元

控制单元采用PLC进行逻辑判断和信号处理。可编程逻辑控制器 （PLC）是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。因此，中央控制单元采用SIEMENS的S7－200紧凑型可编程逻辑控制器CPU 222AC／DC／RLY。该PLC有8个数字输入和6个数字输出，其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术计算等面向用户的指令，并通过数字量和模拟量的输入和输出及有关外围设备扩充其功能。除了具有PLC的基本功能之外，还具有强大的指令集和丰富的通信功能。图3为PLC应用设计的接线图，其输入端接阅读器的输出信号，输出端为可直接驱动语音模块继电器输出。

2．3 报警模块

报警模块为声光报警单元，有过往列车通过道口时向行人和车辆发出警示。报警模块主要应用多功能数字语音模块FS－K51，应用工业级芯片，12～30V直流宽电压供电，抗强干扰，适合在恶劣环境下工作，可以从计算机下载语音文件，板载25W大功率功放工作温度－40°～＋80°。语音触发方式可通过PLC输出电平触发，音量大小和播放方式可控。报警方式采用声光报警，报警延时时间根据铁路道口管理的相关文件规定进行计算，要求大于40s。

2．4 太阳能供电系统

由于铁路专用线两侧取电不方便，供电部分采取太阳能系统发电。对该装置整体功耗进行计算，太阳能电池板功率达到50W即可满足应用，蓄电池 参数为DC 1 2V，容量为1 2Ah。立杆高度达到3m即可，基础钢筋混泥土灌装，埋深为1m。

图3 PLC接线图

2．5 数据传输

报警装置预留接口实现远程调试及控制功能。为了方便对报警装置远程监测和调试，设计Modbus RTU通信协议和PLC的RS－485接口进行远程管理，采用支持电信3GEVDO的 MD－639E DTU模块进行开发，可以远程调试PLC，应用稳定可靠。

3 软件设计

上位机管理软件要求功能丰富和界面友好，选择LABVIEW图形化软件进行开发，实现运行状态、阅读器状态和电源等监测功能，尽可能达到管理人员足不出户，掌握设备的运行状态，便于维护和管理。主控单元程序分为阅读器输出采集、报警输出控制和故障检测3个模块，功能包括：判断列车接近道口信号、准确控制报警模块工作、定时控制和故障检测。主程序采集2个射频阅读器的数据，通过自动／手动触发模式，实现道口来车报警提示。图4为系统工作流程图。

4 总结

目前我国单线和复线的道口列车接近报警时间不小于40s，列车经过道口速度按照20km／h计算，40s约行走220m。专用线调车列车的长度不固定，若按照200m长度计算，全车通过道口的时间约80s，报警时间设置根据不同的道口可进

图4 系统工作流程图

行调整，本方案报警时间设置为2min。在2min之内，如果火车驶离道口，报警自动停止；如果没有驶离，说明火车将长时间停留，2min后报警将停止，行人和车辆可通过铁路。程序设置一定的时间实现去抖，防止因信号不稳定而引起误报警。该装置经过多次试验，优化软硬件的设计，改进不足之处，已达到满意的效果。

呼和浩特局专用线无人值守道口有142处，有的道口日均通过行人和车辆的流量很大，最多的达2000人次，调车次数多的达到130次，如白塔站专用线取送作业达40次。为维护铁路运输安全生产，在铁路无人看守道口设置自动报警装置，能有效避免无人看守道口交通事故的发生，保证行人和车辆的安全通行。该安全预警装置的研制，起到强化调车作业安全的作用，也为我国铁路道口行人和车辆安全通行提供了一项行之有效的措施。

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