利用LoRa与雷达探测结合实现列车接近预警的系统的制作方法

本实用新型涉及铁路上的无线通信领域，具体涉及一种利用LoRa与雷达探测结合实现列车接近预警的系统。

背景技术：

近年来，随着铁路运输量的不断增加，车流密度大大提高，列车运行间隔时间越来越短，保证铁路列车运输安全将是首要重点工作和难题，这就对运输安全保证措施提出了更高的要求。因此，既要提高铁路运输安全管理水平，杜绝管理上的疏漏，同时还要提高铁路运输安全装备的技术水平，防患于未然，是解决问题的根本。

当前国内采用的是国铁标准的800MHz列车接近防护报警系统，当前的这套国铁标准的800MHz列车接近防护报警系统是在列车的车头里面内置安装无线数据发送装置设备，在列车运行的时候定时发送列车运行行驶的数据信息，发送到列车行驶沿线上的施工人员、工作人员的便携的接收终端上进行预警提示。但列车行驶在一些特殊的铁路所处的路段，例如：地堑多、隧道多、山弯多等自然地理环境特点时就会造成了原有的800MHz列车接近防护报警系统以及150MHz、400MHz的对讲机等通信不畅。造成这种现象的原因是现有的800MHz列车接近防护报警系统以及150MHz、400MHz的对讲机通信在面对地堑多、隧道多、山弯多等自然地理环境条件时发送无线通信信号受地形的阻挡，致使铁路沿线施工人员、工作人员的接收终端的接收灵敏度相对于在平原等良好地形条件时大幅下降，在我们国内这样的铁路沿线的地形还是有很多的，甚至在部分地形更加复杂的路段连移动、联通的信号都无法覆盖，这样就会造成预警无线通信的传输可靠通信距离大幅下降，也就降低了预警提示的安全距离。这样就会出现由于预警通信无法及时预警造成的了一些事故悲剧。

技术实现要素：

鉴于上述现有技术状况，本实用新型的目的是开发一种利用LoRa与雷达探测结合实现列车接近预警的系统。这套列车接近预警系统主要是采用多普勒雷达探测和LoRa扩频通信技术的结合，同时在设备供电方面采用太阳能板和光合硅能电池的结合方案。其中采用雷达探测技术探测到来向和去向的接近列车，再采用LoRa扩频通信技术将列车的行驶方向、速度等信息传输到铁路沿线的施工人员的便携终端上，再由便携终端进行语音提示告警信息。本系统中还包含车站检测台，车站检测台也可通过LoRa接收中继台信号，并通过各车站的光纤网线组成内部局域网，实现对全网设备的操作、监控、管理和维护。

本实用新型采取的技术方案是：一种利用LoRa与雷达探测结合实现列车接近预警的系统，其特征在于，所述系统包括用于获取和发送列车的车速和行驶方向的雷达探测台、用于接收和转发雷达探测台发送的数据信息的N个中继台、用于接收雷达探测台和N个中继台发送的数据信息的N个手持终端、用于接收N个中继台发送的数据信息的N个车站检测台以及一个用于将N个车站检测台接收到数据信息通过各车站的光纤网线连接内部局域网的网管服务器，其中，雷达探测台分别与N个中继台及N个手持终端无线连接，N个中继台分别与N个手持终端及N个车站检测台无线连接，N个车站检测台通过铁路专用网络与网管服务器连接。

本实用新型所述的雷达探测台包括雷达探测头、第一ARM控制器STM32F407VGT6及第一LoRa通信单E19-433MS1W，所述的中继台包括第二LoRa通信单元E19-433MS1W、第二ARM控制器STM32F407VGT6及第三LoRa通信单元E19-433MS1W，所述的车站检测台包括第四LoRa通信单元E19-433MS1W和第三ARM控制器STM32F407VGT6；其中，雷达探测头的输入端探测行驶的列车，输出端通过RS232/RS485端口与第一ARM控制器的输入端连接，第一ARM控制器的输出端通过SPI端口与第一LoRa通信单元的输入端连接，第一LoRa通信单元的输出端通过LoRa端口与N个中继台中的第一中继台的第二LoRa通信单元的输入端无线连接，第二LoRa通信单元的输出端通过SPI端口与第二ARM控制器的输入端连接，第二ARM控制器的输出端通过SPI端口与第三LoRa通信单元的输入端连接，第三LoRa通信单元的输出端通过LoRa端口与下一个中继台的LoRa通信单元无线连接，以此类推，直至无线连接中继台N；雷达探测台的第一LoRa通信单元的输出端以及第一中继台的第二LoRa通信单元的输出端以至到中继台N的LoRa通信单元的输出端分别通过LoRa端口与N个手持终端无线连接；同时，第一中继台的第二LoRa通信单元的输出端通过LoRa端口与N个车站检测台中的第一车站检测台的第四LoRa通信单元的输入端无线连接，以此类推，直至中继台N的LoRa通信单元的输出端无线连接到车站检测台N的LoRa通信单元的输入端；第四LoRa通信单元的输出端与第三ARM控制器的输入端连接；第三ARM控制器的输出端通过网线连接网管服务器，以此类推，直至到车站检测台N的LoRa通信单元连接ARM控制器，再通过网线连接网管服务器。

本实用新型所述系统的供电电源包括光伏太阳能板和光合硅能电池，光伏太阳能板通过线缆与深埋在地下的光合硅能电池连接。

本实用新型所产生的有益效果是：

1、采用本系统，体现了雷达探测速度精度高、准确性强的特点，以及雷达不受风、雨、雾、冰雹等恶劣天气影响的优点。采用多普勒探测雷达频率为2.4G，雷达探测精度为0.1km/h，误差为-3~0km/h。

2、在雷达和设备间采用了双路通信方式（RS485 和RS232）, 这两个通信方式互相备份，以保障通信的稳定可靠。若一路出现问题，系统仍能够正常运行，与此同时会向网络发出雷达故障的信息，以便相关人员及时维修。

3、LoRa 无线扩频通信是基于军用扩频通信技术的通信方式，采用该通信方式具有低功耗、抗干扰、传输距离远、穿透力强和体积小等特点，应用于远距离、低速率、低功耗物联网无线通信领域。特别适合在地堑多、隧道多、山弯多等特殊路段中应用。

4、与传统的FSK或OOK调制技术相比，采用LoRa 无线扩频技术不仅扩大了无线通讯链路的覆盖范围，而且还提高了链路的鲁棒性。LoRa信号对建筑的穿透力也很强。LoRa扩频通信具有很高接收灵敏度，约-138dBm，且发射功率远远小于现有的800MHz列车接近防护报警系统的无线发射功率，本系统中LoRa发射端部分发射时的最大发射功率≤1W。

5、本系统外部供电方式灵活，采取太阳能光伏供电结合光合硅能电池备电续航方式，对光合硅能电池充放电均有控制器进行过压、过冲、过放保护，可保护电池不会因为上述原因损毁，光合硅能电池在充放电过程当中无酸雾、无氢气产生，在使用过程中不产生气体、不燃烧、不爆炸，安全性能好，同时光合硅能电池有具有很好的低温特性，在本系统方案中采用将电池深埋地下的安装方式，也保证了光合硅能电池全天候安全工作、存储，全方位多角度保障系统的顺利运行。

6、通过雷达探测并结合LoRa扩频通信技术实现对接近的列车进行预警提示，保障铁路沿线工作人员的人身安全。

附图说明

图1为系统组成框图；

图2为系统工作原理框图；

图3为系统采用的外部供电电源示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型作进一步说明：

参照图1，本系统包括用于获取和发送列车的车速和行驶方向的雷达探测台、用于接收和转发雷达探测台发送的数据信息的N个中继台、用于接收雷达探测台和N个中继台发送的数据信息的N个手持终端、用于接收N个中继台发送的数据信息的N个车站检测台以及一个用于将N个车站检测台接收到数据信息通过各车站的光纤网线连接内部局域网的网管服务器，其中，雷达探测台分别与N个中继台及N个手持终端无线连接，N个中继台分别与N个手持终端及N个车站检测台无线连接，N个车站检测台通过铁路专用网络与网管服务器连接。

参照图2，雷达探测台包括雷达探测头、第一ARM控制器STM32F407VGT6及第一LoRa通信单E19-433MS1W，中继台包括第二LoRa通信单元E19-433MS1W、第二ARM控制器STM32F407VGT6及第三LoRa通信单元E19-433MS1W，车站检测台包括第四LoRa通信单元E19-433MS1W和第三ARM控制器STM32F407VGT6；其中，雷达探测头的输入端探测行驶的列车，输出端通过RS232/RS485端口与第一ARM控制器的输入端连接，第一ARM控制器的输出端通过SPI端口与第一LoRa通信单元的输入端连接，第一LoRa通信单元的输出端通过LoRa端口与N个中继台中的第一中继台的第二LoRa通信单元的输入端无线连接，第二LoRa通信单元的输出端通过SPI端口与第二ARM控制器的输入端连接，第二ARM控制器的输出端通过SPI端口与第三LoRa通信单元的输入端连接，第三LoRa通信单元的输出端通过LoRa端口与下一个中继台的LoRa通信单元无线连接，以此类推，直至无线连接中继台N；雷达探测台的第一LoRa通信单元的输出端以及第一中继台的第二LoRa通信单元的输出端以至到中继台N的LoRa通信单元的输出端分别通过LoRa端口与N个手持终端无线连接；同时，第一中继台的第二LoRa通信单元的输出端通过LoRa端口与N个车站检测台中的第一车站检测台的第四LoRa通信单元的输入端无线连接，以此类推，直至中继台N的LoRa通信单元的输出端无线连接到车站检测台N的LoRa通信单元的输入端；第四LoRa通信单元的输出端与第三ARM控制器的输入端连接；第三ARM控制器的输出端通过网线连接网管服务器，以此类推，直至到车站检测台N的LoRa通信单元连接ARM控制器，再通过网线连接网管服务器。

参照图3，本系统的供电电源包括光伏太阳能板和光合硅能电池，光伏太阳能板通过线缆与深埋在地下的光合硅能电池连接。

本系统的实现方法有以下步骤：

一、雷达探测台探测铁路上行驶的列车的车速和行驶方向，采用RS232/RS485双路通信方式将获取到的预警信息和数据传输到LoRa通信单元的发射部分，双路通信方式互相备份，以保障通信的稳定可靠。

二、雷达探测台采取LoRa 无线扩频的通信方式将获取到的预警信息和数据传输到N个中继台和N个手持终端，以扩大无线通讯链路的覆盖范围和提高接收灵敏度。

三、N个中继台和N个手持终端采取LoRa 无线扩频的通信方式接收雷达探测台无线传输的雷达预警信息进行告警提示；N个中继台采取LoRa 无线扩频的通信方式发送雷达预警信息至N个车站检测台。

四、N个车站检测台通过LoRa无线扩频的通信方式接收中继台信号，并通过各车站的光纤网线组成内部局域网，实现对全网设备的操作、监控、管理和维护。

五、采用太阳能光伏供电结合光合硅能电池供电方式进行设备供电，采用将光合硅能电池深埋地下的安装方式，以保证光合硅能电池全天候安全工作、存储。

本系统的雷达探测台安装在铁路沿线，通过雷达探测获取行驶通过雷达探测台处的列车的车速和行驶方向(来向和去向)，再通过RS485或RS232传输给LoRa发射端部分，LoRa发射端部分将获取的数据信息采用LoRa扩频通信的调制方式无线发送给中继台和手持终端。

中继台也是采用LoRa扩频通信技术接收雷达探测台发送的数据信息后再采用LoRa扩频通信方式转发出去,发送给下一个中继台、手持终端以及车站检测台。

手持终端应用于班组作业或个人巡护。手持终端内置LoRa收、发部分和GPS卫星定位模块，用于接收雷达探测台和中继台LoRa方式无线发送的数据信息，再进行语音提示告警。

车站检测台也是通过LoRa扩频通信技术接收中继台发送的信息。车站检测台将接收到信息通过各车站的光纤网线传输到内部的局域网的网管服务器上，实现对全网设备的检测，管理和维护。

本系统中的雷达探测台、中继台内置LoRa通信核心部件和GPS/北斗卫星定位部件，供电方式都采用光伏供电结合光合硅能电池供电方式进行设备供电。

本系统中的雷达探测台采用多普勒雷达探测铁路上行驶的列车的车速和行驶方向(来向和去向)，多普勒雷达探测技术可对上\下行列车机车的速度进行检测，多普勒雷达探测速度精度高、准确性强，雷达不受风、雨、雾、冰雹等恶劣天气影响。由于雷达探测台设备在整个系统的角色尤为重要，在雷达探测头和LoRa通信单元的发射部分采用了双路通信方式（RS485和RS232）, 这两个通信方式互相备份，以保障通信的稳定可靠。

本系统中的预警信息和数据传输部分采用LoRa无线扩频通信技术。列车车速和方向信息以及预警信息等数据通过RS485 或RS232通信方式从雷达探测台中的雷达探测头获取，然后通过LoRa无线扩频通信技术将获取到的数据信息无线传输到中继台和人员手持终端上，并进行告警提示。

在那些地堑多、隧道多、山弯多等特殊路段的铁路沿线上布置安装雷达探测台获取接近的行驶列车的来向和去向以及车速，再将从雷达探测台获取的行驶列车的方向和车速等信息通过RS485 或RS232有线通信方式传输给LoRa发射端部分的，然后再由LoRa无线发射端部分将信息采用LoRa无线扩频通信技术方式无线发送沿线人员的手持终端上和中继台，再由手持终端进行语音提示告警信息。这其中在列车行驶的沿线上根据地形和列车行驶距离增设中继台进行信号传输的接续，以便能够完全足够覆盖整个路段避免信号盲区的出现。本系统中还包车站检测台，车站检测台也是通过LoRa无线扩频通信技术接收中继台信号，并通过各车站的光纤网线组成内部局域网，实现对全网设备的操作、监控、管理和维护。

本系统将雷达探测和LoRa无线扩频通信技术结合的设计，解决了地堑多、隧道多、山弯多等特殊路段的信号盲区预警通信无线传输不畅的问题。