基于LORA无线技术的铁路客车火灾报警装置设计

刘东 张锋

1. 奥维通信股份有限公司 辽宁 沈阳 110179；

2. 沈阳中科奥维科技股份有限公司 辽宁 沈阳 110179

1 技术背景

随着铁路运营规模的不断扩大，旅客运输的安全性日益受到社会各界的广泛关注。列车火灾是铁路客运在安全性方面的重中之重，一旦发生就会造成重大的人员、财产损失及严重的社会不良影响。

火灾报警系统可以分为有线和无线两种形式。目前，有线系统耗材多,功耗大，设计、施工及维护复杂。而无线火灾报警系统中的火灾探测器可以方便地安装在室内的任意位置或无法安装有线系统的场所[1]。

LoRa无线通信技术是基于扩频技术的超远距离无线传输技术。LoRa通信技术最大特点，灵敏度高、传输距离远、功耗低、组网节点多[2]。由于多径分散的能量落在频域上的相邻位置上，采用Gray编码能减少错误发生在相邻位置时错误的 bit数，提升了系统的性能[3]。LoRa调制技术拥有比 FSK更加突出的抗衰落性能， 验证了LoRa通信在低速率远距离通信场景的优越性[4]。

2 火灾报警装置设计

2.1 硬件组成

铁路客车火灾报警装置主要由控制主机、控制分机、烟感探测器、手持报警器和移动式参数设置器组成。

在列车中部的广播车设置1台控制主机，单节车厢内部安装有2个控制分机，每个控制分机连接1台感烟探测器，乘务人员配置1台手持报警器。

各控制分机与控制主机通过无线通信方式传送信息，当某节车厢发生火灾报警时，该节车厢的控制分机发出语音报警信息，并通过无线通信方式传送到控制主机；主机接收到报警信息后，传送给各节车厢的控制分机，同时发出语音报警；控制分机或者语音报警器接收到报警信息后发出语音报警。

2.2 网络设计

为保证轮询数据的传输稳定性、及时性、可靠性，轮询信息的传输采用星型和链型两种传输机制相互冗余的方式实现。

当烟感报警器采集到某一节车厢出现火灾烟雾信息时，立即通过星型传输上报控制主机，控制主机将告警信息广播，烟感报警器和手持报警器接到控制主机告警指令后，均将该告警信息在本节车厢广播，携带手持报警器的人员均可接收到告警信息，及时处理险情。

报警上报信息在星型传输不通后启动链型传输，逐级传输报警信息，主机接收到报警信息后，启动链型传输下发报警信息。

2.3 硬件设计

（1）控制主机设计

控制主机硬件电路包括处理单元（MCU）、LoRa模块、存储单元、USB接口、扬声器驱动控制接口、RTC单元、日志导出单元、LED显示单元、按键接口等。

LoRa通信模块工作在410～510MHz 频段，最大发射功率100mW，采用LoRa扩频技术，链路预算达到164dB，传输距离远，抗干扰能力强，适用于铁路沿线电磁干扰大，地理环境多变，人员密集的动态列车场景。

（2）控制分机设计

控制分机硬件电路包括处理单元（MCU）、LoRa通信模块、存储单元、USB接口、扬声器驱动控制接口、探测器接口等。

2.4 软件设计

（1）控制主机软件设计

火灾报警装置通常处于日常轮询阶段，目的是常规检验控制主机与各分机通信链路的实时连通性。轮询周期为10分钟，每次轮询采用星型+链状通信方式进行。

控制主机接收到分机上报的火警信息后，会通过自身的短信猫将火警信息以短信形式上报，同时下发火警信息。

（2）控制分机软件设计

控制分机在日常轮询过程中给予控制主机应答以及转发链型轮询和应答报文。

控制分机实时监测火警信号、上报火警信息、转发火警信息、发出和取消火警报警等，分机检测到火警警情则立刻上报。

3 产品实现及测试

基于本设计生产了1套列车火灾报警装置共1台控制主机、20台控制分机，安装在沈丹线25G和25K型客车的电气柜和照明柜中进行了长期的运行，运行时间超过1年，设备稳定运行，无错报，漏报的情况发生，有效的验证了报警装置的可用性和可靠性。

图1 控制主机产品

图2 控制分机产品

4 结束语

本设计实现的基于LoRa的无线火灾报警装置，经过长期试验验证是可靠的、性能是先进的、工程实施及成本上具有相当大的竞争力。本设计实现的无线火灾报警装置使得铁路客运的安全性有了显著的提升，为旅客出行提供了安全保障。