轨道区段占用检测系统的NB-IoT网络通信节点设计*

陈子聪，熊志金

（广州铁路职业技术学院电气工程学院，广州 511300）

0 引言

轨道区段占用检测系统作为轨道交通领域的关键技术，其演进历程从最初的人工巡检到电子信号系统，再到现代传感器技术和人工智能的迅猛发展，见证了该领域的巨大进步。上述系统通过传感器、监控摄像头、激光测距仪等设备实时监测轨道状态，确保列车安全运行和轨道设备正常维护[1-7]。华泽玺[1]对铁路车站轨道区段占用检测进行了研究，提出了一种新的计轴设备占用检测方法，并结合仿真和实验进行验证。针对悬挂式单轨列车位置检测问题，易立富等[3]提出了一种基于光纤光栅的悬挂式单轨列车位置检测方法，可有效实现对轨道区段的占用状态和列车完整性的检测。轨道区段占用检测系统持续的自动化和智能化，将进一步适应复杂的交通环境，提高列车运行的安全性和效率。

20 世纪末，由MIT 的Kevin Ashton 提出的物联网代表信息技术领域的一项重大演进，并随着技术和基础设施的逐渐成熟而迅速发展[8-9]。早期的应用主要集中在利用射频识别技术（Radio Frequency Identification，RFID）实现物品追踪和管理[10]。然而，随着互联网的普及，物联网开始广泛渗透到各个领域，包括智能家居、智能城市、医疗保健、工业自动化等。当前，物联网已经成为多个行业的关键技术，与边缘计算[11-12]、人工智能[13-14]和大数据分析[15]等技术融合，为实现智能化和预测性能提供了强大支持。

不同的终端设计和应用场景对于通信技术的选择和网络特性要求具有多样性，主要包含传输距离、网络特性、网络品质等方面。NB-IoT 作为物联网中的一个重要分支，专注于连接低功耗、低数据速率的设备，为远程监测和控制提供高效解决方案[16]。自2016 年标准制定以来，NB-IoT 得到了广泛支持，并在全球范围内快速部署。其显著特点包括低功耗和长寿命，使得设备能够长期运行，尤其适用于偏远或难以访问的环境。NB-IoT 已广泛应用于智能城市、交通监测、环境监测等领域，且随着5G 网络的推广，其性能和覆盖范围将进一步提升，预计将在更多应用场景中发挥关键作用，为数据采集和分析提供更多创新解决方案[17-21]。在相关研究中，黄日华等[17]成功构建了一种基于NB-IoT 和云平台技术的猪舍环境智能监控系统，实现了对猪舍环境的远程监测和实时调控。此外，针对照明路灯的能耗和管理模式问题，翁苗[18]提出了一种基于NB-IoT 的智慧路灯控制系统，实现了路灯的远程智能控制，进一步降低了电耗和维护成本。徐涛等学者通过分析我国北方冬季存在的供热困难问题，结合NB-IoT技术，提出了一种基于NB-IoT的集中供热阀门远程控制系统，可方便居民实现更便捷的远程供热控制。因此，通过NB-IoT的持续发展，其应用成本将进一步下降，有望促使其更广泛地应用于不同的产业和领域。

基于上文的讨论，本文针对轨道区段占用无线检测系统的网络通信需求，基于阿里云平台，结合移远BC260Y 模组，设计了一种NB-IoT 网络通信节点，主要包含NB-IoT 模块电路、串口通信模块电路、USIM 接口模块电路和电源模块电路等四方面的设计。实际测试表明，所设计的NB-IoT网络通信节点可以正常连接阿里云物联网平台进行轨道区段占用检测信息和钢轨损伤情况的数据传输，完全满足轨道区段占用检测系统的无线通信需求。

1 设计原理

1.1 轨道区段占用检测系统介绍

基于光纤光栅的轨道占用状态检测方法，本文的思路如下：在所监测区段安装计轴点，每个计轴点有2 个光纤光栅应变式传感器，用于监测在这个轨道区段上运行的列车轴数及方向，每个传感器通过一根光纤线将数据信息传到光纤光栅解调仪，经解调仪把光信号转为数据信号后传给工控机，实现对传感器数据分析并处理，得到列车轴数及轨道占用状态。

此外，在所监测的轨道段内，分别在两钢轨安装发射端及接收端的超声波探头。数据由发射站发出，经钢轨传导，由接收站接收发射站发出的超声波信号，再对信号做滤波放大等处理，通过幅值比较等方式，分析在给定的时间内是否接收到了发射站发射的预先设定好的超声波信号，以此来判断从发射站到接收站之间的轨道是否有断轨现象发生，数据最后通过串口直接传送到工控机。轨道区段占用检测系统构成如图1所示。

图1 轨道区段占用检测系统构成

1.2 网络通信节点的总体结构设计

NB-IoT 无线通信模块的工作原理基于蜂窝网络，采用窄带通信技术，能够在低功耗和低数据速率的情况下实现长距离通信。该模块的通信是通过蜂窝基站进行的。蜂窝基站实现了无线电发射器和接收器的作用，能够与多个设备进行通信。当设备需要发送数据时，它会将数据传输到附近的蜂窝基站，然后基站负责将数据转发到目标设备。一旦目标设备接收到数据，它会向基站发送确认信号，以通知基站已经成功接收数据。这种通信方式有助于实现设备之间的可靠通信，适用于物联网等需要低功耗、广覆盖和长距离通信的应用场景。

具体而言，本文所设计的网络通信节点主要作用是实现工控机和阿里云物联网平台的无线通信，将工控机处理好的计轴、轨道占用、断轨和钢轨损伤等信息发送至阿里云物联网平台进行数据记录。网络通信节点的总体结构如图2所示。

图2 网络通信节点的总体结构

2 网络通信节点原理

NB-IoT 网络通信节点的原理设计主要包含4 个部分，分别是NB-IoT 模块电路、串口通信模块电路、USIM接口模块电路和电源模块电路。

2.1 NB-IoT模块电路设计

移远BC260Y 是一款性能卓越、功耗低廉且支持多频段的LTE Cat NB2 无线通信模块。其紧凑的尺寸旨在最大程度地满足终端设备对小型模块产品的需求，同时提供了丰富的外部接口和协议栈，支持多种物联网云平台。此外，它采用了更易于焊接的LCC 封装，可通过标准SMT 设备实现模块的高效生产，以满足各种复杂环境下的应用需求。因此，本文选择移远BC260Y 模组用于NB-IoT网络通信节点的设计，如图3所示。

图3 NB-IoT模块电路

此外，本设计还采用了PBY160808T-601Y-N 叠层片式铁氧体磁珠以抑制信号线、电源线上的高频干扰，削减静电脉冲的影响。

2.2 串口通信模块电路设计

CP2102 是高度集成的USB 转UART 控制器芯片，支持调制解调器全功能信号，无需外部的USB 器件。本设计采用CP2102进行串口通信模块设计，如图4所示。

图4 串口通信模块电路

本设计采用BUS1 检测是否接入USB，若接入，则BUS1为高电平，信号经过共集电极放大电路，信号放大打开Q2mos管，使VBUS脚输出5 V 电压，维持USB端供电，当没有接入USB时，断开，省电。

2.3 USIM接口模块电路设计

USIM接口支持模块访问外部USIM卡，外部USIM卡通过模块内部的电源供电，支持1.8/3.0 V 供电，其电路原理如图5所示。值得注意的是，USIM＿DATA 必须加上拉电阻到USIM＿VDD 以提高抗干扰能力，应将其放置在靠近USIM卡座的位置。

图5 USIM卡模块电路

在图5所示的USIM 卡模块电路中，采用特定的电路设计方式来确保外部USIM 卡的良好性能并防止其受到潜在的损坏。为了抑制系统中的射频干扰，本文在USIM接口模块的USIM＿CLK、USIM＿RST 和USIM＿DATA 线上并联了33 pF的电容。

外部USIM 卡插座被安置在模块附近，确保了外部USIM 卡插座的信号线布线长度不超过200 mm。此外，将外部USIM 卡插座的信号线布线远离射频信号走线和VBAT电源线，以降低潜在的干扰风险。

在USIM 接口模块中，还特别注意了USIM＿VDD 的去耦电容，其容量不超过1 μF，并将这个电容尽可能靠近外部USIM卡插座以提高性能。

2.4 电源模块设计

TLV62568DBV 是一款高性能、低压差、低静态电流的线性稳压器，适用于多种便携式和低功耗设备的电源管理。结合本文所设计的NB-IoT网络通信节点使用场景，利用其进行电源模块设计，电源模块电路如图6所示。

图6 电源模块电路

2.5 PCB结构设计

在PCB结构方面，为使所设计的NB-IoT网络通信节点紧凑、便于安装使用，进行了如图7所示的PCB排版设计。

图7 PCB结构设计

本文所设计的网络通信节点的主体结构尺寸为76.00 mm×33.50 mm，正面限高6 mm，背面限高3 mm。USB接口尺寸为14.8 mm×11.00 mm。

3 测试验证与效果分析

为确保终端节点的数据信息与云端数据库保持一致，采用MQTT 主题订阅，终端节点订阅云端服务器的轨道检测信息。当云端服务器更新改主题信息，终端节点将会进行同步更新。通过移远BC260Y 模组，所设计的NB-IoT 无线网卡充分利用了NB-IoT 通信特点，在保证终端节点与云端服务器信息同步的同时避免了冗余通信，提升了数据传输的高效性和准确性。

图8和图9分别为阿里云物联网平台中配置的设备运行日志和设备信息。

图8 阿里云平台设备运行日志

图9 阿里云物联网平台配置的设备信息

本设计主要采用移远提供的“QCOM”工具进行串口发送和接收数据，该工具无需安装即可运行，方便使用。

图10 表明所设计的NB-IoT 网络通信节点调试已完成，可成功连接至阿里云物联网平台，并且能够正常收发数据，实现了轨道区段占用检测系统的无线网络通信需求。

图10 数据收发

4 结束语

为满足轨道区段占用检测系统的网络通信需求，本文开发了一种高效可靠的基于阿里云平台的NB-IoT网络通信节点，主要包含NB-IoT模块电路、串口通信模块电路、USIM 接口模块电路和电源模块电路的设计。该设计具有多重优势，具备无需中间网关设备、广泛的覆盖范围、低终端功耗以及成本效益高等特点。这些特性显著提高了高铁轨道区段占用检测系统的网络通信效率和可靠性。通过实际测试，所设计的NB-IoT网络通信节点可以正常连接阿里云物联网平台进行轨道区段的占用检测信息和钢轨损伤情况的数据传输。经验证，所设计的NB-IoT 网络通信节点完全满足轨道区段占用检测系统的无线通信需求。