基于GPRS无线通信的铁路LED信号灯故障检测

宋莉 刘伯鸿

摘  要： 研究一种基于GPRS通信的LED信号灯故障检测系统，该系统通过3片CD4051模拟开关结合MEGA8型控制器对与LED灯串联的限流电阻的电压信息进行采集判断，检测信号灯是否出现故障。信号灯检测信息的无线传输分为近距离获取信号灯检测信息与远距离传输数据信息两部分，近距离传输网络由nRF905无线传输收发芯片与MEGA8主控芯片建立，远距离GPRS网络由SIM300无线模块串口建立。该系统将无线通信技术应用于LED信号灯故障检测中，电路设计简单、具有很强的实用性和可操作性，且能够满足故障检测的实时性要求。

关键词： GPRS通信; LED信号灯; 故障检测; 近距离传输网络; 远距离数据传输; 无线通信技术

中图分类号： TN92?34; U284                     文献标识码： A                       文章编号： 1004?373X（2019）19?0028?04

Abstract： A LED signal lamp fault detection system based on GPRS communication is studied in this paper. In order to detect whether the signal lamp appears in fault， three CD4051 analog switches combined with the MEGA8 type controller are used in the proposed system to collect and judge the voltage information of the current?limiting resistance in series with the LED lamp. Wireless transmission of signal lamp detection information is divided into two parts （obtaining signal lamp detection information at a short distance and transmitting data information at a long distance）. The short distance transmission network is established by the nRF905 wireless transmission transceiving chip and the MEGA8 main control chip， and the long distance GPRS network is established by the serial port of SIM300 wireless module. In the proposed system， wireless communication technology is applied to LED signal lamp fault detection， which has a simple circuit design， strong practicability and operability， and can meet the real?time requirement of fault detection.

Keywords： GPRS communication; LED signal lamp; fault detection; short distance transmission network; long distance data transmission; wireless communication technology

0  引  言

随着我国科学技术的不断发展，铁道信号系统的发展也愈加迅速。作为高效运行的安全关键系统，铁路信号系统日益复杂，而交通信号灯作为铁路运行的基本语言，是信号系统中必不可少的基础设备，对道路交通的畅通与安全发挥着最直接的作用。交通信号灯一般装设于车站及铁路沿线，因其长时间工作于室外且易受环境的影响，极大地增加了设备故障发生的概率。若信号灯出现故障没有被及时发现维修，则会对交通运行产生极大的不利影响，甚至造成交通事故。

当前，判断交通信号灯是否出现故障，不再像以前一样依靠肉眼辨别，文献[1?2]提出一种依靠微型电子摄像机，通过形成的图像来获取信号灯的工作状态。但是这种方法算法复杂且需要图像结合，在实时性上不达标。文献[3]提出一种光电检测技术的方法，根据采集的光信号对交通信号灯状态进行判断并进行实时调整。本文设计一种基于GPRS（General Packet Radio Service）无线通信的故障检测系统，能够准确实时地判断出故障及故障具体位置并发出报警。

1  总体设计

本设计故障检测系统主要由LED信号灯、数据采集单元、主控制器单元、通信单元、报警单元五部分组成[4]，模块框图如图1所示。

采用Atmel公司的MEGA8型单片机作为系统的主控制器，判断采集的检测信息是否处于正常工作范围以及驱动GPRS通信单元传送信号灯信息。采集控制检测的信号主要由数据采集单元负责，数据采集单元采用3片CD4051模拟开关。通信单元主要通过GPRS/Internet网络负责采集的信号灯工作状态的数据传输[5]。

2  系统的硬件设计

2.1  系统数据采集方案设计

LED信号灯由多颗功率较小的彩色LED串、并联而成，一般最多有22组并联，且每组大约由3～5个LED串联[6]。在LED信号灯工作时，如果信号灯内部有一个LED出现故障时，则一组均出现断路或短路情况，可能造成局部LED不亮;如果有多组LED故障时，信号灯将彻底失去其指示功能。考虑到信号灯布置位置的特殊性，易受环境因素导致损坏，因此，对信号灯进行实时、准确的故障检测是非常必要的。

主控制器采用Atmel公司的MEGA8型单片机，其具有8 KB的系统内可编程FLASH用于存放源程序[7]，23个可编程I/O端口，且自带10位模数转换器，共8路。MEGA8型单片机具有抗干扰性强、价格低廉、功耗低、稳定性和灵活性好等优点，在满足系统需要的同时可有效降低成本。

LED信号灯一般由红、黄、绿三种颜色组成，正常工作时，这三种颜色的LED管压降[8]在2～2.9 V，设电路正常工作的电压为12 V，则通过4个LED管上的电压大于10 V，可知与二极管串联的限流电阻上的电压小于2 V，通过限流电阻上的电流即LED正常工作的电流为20 mA。本设计所采集的信号为限流电阻上的电压值。由欧姆定律[R=UI=]2 V/20 mA=100 Ω，可设限流电阻阻值为100 Ω。采用CD4051模拟开关采集控制检测的信号，其输入的3位地址码的二进制八种组合用于选择8路通道，当有电平位移情况时，使用7号端子VEE电源端，此时在单组电源供电的条件下，多路开关可达到直接被CMOS电路的数字信号控制的目的。使用3片CD4051模拟开关将多组LED分别与单片机连接，单片机内模数转换器的8路模拟开关中的地址线再分别与3片CD4051的输出线相连接。首先对其内部地址译码，在3片CD4051中选中1片，接着经过外部地址译码后，再选中对应此4051的一个通道进行A/D转换。然后，将74LS192计数器转接成八进制计数器，将MEGA8单片机产生的時钟脉冲送入74LS192计数器UP端，控制已被接成八进制的计数器从000～111循环计数，接着将74LS192计数器的QA，QB，QC端信号送入8选1模拟开关的3个地址端A，B，C，这样8路限流电阻上的电压就被采集完成，最后通过模拟开关的3号端子将采集到的电压信号送入单片机自带的A/D转换输入端进行A/D转换，并判断此电压值是否为正常值[9]。

在进行模数转换过程中，采用单片机内部稳定参考电压[VREF]=2.56 V。定义[VdW]为一只LED上的管压降，[Vlim]为限流电阻上的压降，[VIN]为输入电压，[VOUT]为输出的数字电压。由于[d10]位的A/D转换的上限值为1 024，则[VOUT=VIN×1  024VREF]。断路和短路都可视为LED处于故障状态：

1） 断路情况发生时，输入与输出电压均为0;

2） 当存在[n]个LED短路情况时（[n≥1]），则有[VIN=Vlim+nVdW]，此时，[VIN>VREF]，即转换输出结果为10位转换结果的上限，此时[VOUT=]1 024。

由于在现实环境中，干扰情况时有发生，故可将检测阈值适当调整，把检测阈值设为0.3 V和2.5 V，即当120（0.3 V）<[VOUT]<1 000（2.5 V）时，即判定工作正常，反之，则判定该组LED故障。

由于MEGA8型单片机完成一次模数转换约需要100 μs，LED灯组最多22组，故完成22路模数转换仅需2.2 ms左右，数据采集的实时性要求完全能够满足。

2.2  系统通信方案设计

通信单元设计中，主要采用GPRS/Internet的无线网络方式完成对采集的信号灯工作状态的数据传输[10]。GPRS技术具有对数据进行分组接发，快速处理的特点。设计中主要包括两个部分：终端节点处获取数据部分与路由节点处传输数据部分。首先通过nRF905无线传输收发芯片与MEGA8主控芯片建立近距离的无线传输网络来获取信号灯检测信息;再依靠SIM300无线模块串口建立GPRS网络实现远距离的数据信息传输，由此完成对信号灯检测信息的无线传输[11]。

该通信单元中涵盖终端节点、路由节点与上位机三个子单元。终端节点通过主控单片机获取信号灯的检测信息，而检测信息的传输要包含两个电路：检测信息获取电路和无线传输电路。nRF905无线传输芯片与MEGA8主控芯片建立全双工同步串行的SPI总线通信，终端节点由此获取检测信息[12]。而该通信架构模式采用Master与Slave相结合，以实现串行数据线MOSI与MISO之间的数据通信。nRF905芯片可以在433 MHz，868 MHz和930 MHz三个ISM频段上工作[13]，本设计配合内置完整的通信协议与CRC，选用433 MHz的工作频段，实现自编码、自解码的功能。另外，该芯片具有高达10 dBm的发射功率，100 Kb/s的传输速率以及高抗干扰能力的高斯移频键控调制技术，能够使其在铁路道路环境中通信无碍。

路由节点的硬件电路设计主要由三部分构成，分别为nRF905芯片、SIM300模块和微控制器STC12C5A60S2，其电路原理图如图3所示。

路由节点首先对由nRF905芯片接收到的信号灯数据信息进行短距离传输，再通过SIM300模块串口建立GPRS/Internet网络对数据信息进行远距离传输。其中，SIM300是一款常用的GPRS无线通信模块，其内部集成了强大的TCP/IP协议，具有标准的AT控制命令接口，接收来自微控制器的AT指令时可选择RS 232串口通信方式。SIM300可以自动地将接收的数据打包成TCP/IP数据包，利用GPRS网络实现与上位机的连接，从而完成数据的快速传输。

3  系统的无线传输软件设计

无线传输软件设计包含近距离传输与远距离传输两部分，近距离数据传输部分的通信工作主要依靠nRF905芯片完成[14]。nRF905芯片通过其内部集成的Shock Burst技术同步发送和接收数据，该技术由Shock Burst RX发送和Shock Burst TX接收两种模式构成，PWR_UP，TRX_CE，TX_EN三个引脚决定其工作模式。当nRF905需要发送数据时，首先设置nRF905处于待机模式，即TRX_CE=0，PWR_UP=1，TX_EN=1。然后通过SPI接口将微控制器的地址和有效数据传送给nRF905，设置nRF905D的TRX_CE=1，TX_EN=1，激活Shock Burst TX模式。此时，nRF905将数据加前导码与校验码一并打包发送，并由DR引脚判断数据发送成功与否，若发送成功，重新设置TRX_CE=0，使其处于待机模式。当nRF905需要发送数据时，先设置nRF905处于待机模式，当TRX_CE=1，TX_EN=0时，激活Shock Burst RX模式。延时650 μs后nRF905监测载波信号，当发现与接收频率一致的载波时，接收数据，此时设置载波监测标志位CD=1。当接收到的数据包有效且地址匹配相同时，置AM=1。然后判断CRC位校验是否正确，若检验正确，则nRF905去掉前导码、地址位以及校验码，数据准备就绪后，置DR=1。再次置TRX_CE=0，使nRF905进入待機模式，对微控制器STC12C5A60S2的数据接口速率进行设置，当所有的数据被SPI接口有效读出后，重新置AM=0和DR=0，数据接收完成。nRF905内部结构示意图如图4所示。

终端节点工作时，首先对nRF905芯片的各个引脚以及状态寄存器模式等进行配置，然后选择433 MHz的工作频段和10 dBm的发射功率。当收到路由节点发送的回传数据指令时，终端节点读取数据。若读取的数据有效，则保存到TX_RXPLAYLOAD数组中打包发送至路由节点，发送结束后再次设置本节点处于接收状态，为下一次的数据接收做准备。

路由节点工作时，依次对nRF905芯片、SIM300模块串口以及定时器等的各个参数进行配置。当路由节点进入工作状态时，首先发送AT+GREG指令检测是否与服务商成功链接，随后通过向模块发送指定本地端口的指令并通过发送AT+CIPHEAD=1指令添加数据IP头。接着，查询flg_DNS，判断服务器链接状态，若判断服务器链接成功，模块可以检测到“CONNECT OK”信息，微控制器的数据通信工作便可通过AT+CIPSEND指令完成。

4  结  论

本文针对铁道信号系统中的基础设备LED信号灯设计了一种故障检测系统，该系统结合单片机与GPRS无线传输技术，能够自动检测信号灯是否出现故障并将检测数据无线发送给远端计算机，提高了故障检测自动化水平，成本低且稳定性能好，实际应用价值很高。

注：本文通讯作者为刘伯鸿。

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