軌道區段占用檢測系統的NB-IoT網絡通信節點設計*

陳子聰，熊志金

（廣州鐵路職業技術學院電氣工程學院，廣州 511300）

0 引言

軌道區段占用檢測系統作為軌道交通領域的關鍵技術，其演進歷程從最初的人工巡檢到電子信號系統，再到現代傳感器技術和人工智能的迅猛發展，見證了該領域的巨大進步。上述系統通過傳感器、監控攝像頭、激光測距儀等設備實時監測軌道狀態，確保列車安全運行和軌道設備正常維護[1-7]。華澤璽[1]對鐵路車站軌道區段占用檢測進行了研究，提出了一種新的計軸設備占用檢測方法，并結合仿真和實驗進行驗證。針對懸掛式單軌列車位置檢測問題，易立富等[3]提出了一種基于光纖光柵的懸掛式單軌列車位置檢測方法，可有效實現對軌道區段的占用狀態和列車完整性的檢測。軌道區段占用檢測系統持續的自動化和智能化，將進一步適應復雜的交通環境，提高列車運行的安全性和效率。

20 世紀末，由MIT 的Kevin Ashton 提出的物聯網代表信息技術領域的一項重大演進，并隨著技術和基礎設施的逐漸成熟而迅速發展[8-9]。早期的應用主要集中在利用射頻識別技術（Radio Frequency Identification，RFID）實現物品追蹤和管理[10]。然而，隨著互聯網的普及，物聯網開始廣泛滲透到各個領域，包括智能家居、智能城市、醫療保健、工業自動化等。當前，物聯網已經成為多個行業的關鍵技術，與邊緣計算[11-12]、人工智能[13-14]和大數據分析[15]等技術融合，為實現智能化和預測性能提供了強大支持。

不同的終端設計和應用場景對于通信技術的選擇和網絡特性要求具有多樣性，主要包含傳輸距離、網絡特性、網絡品質等方面。NB-IoT 作為物聯網中的一個重要分支，專注于連接低功耗、低數據速率的設備，為遠程監測和控制提供高效解決方案[16]。自2016 年標準制定以來，NB-IoT 得到了廣泛支持，并在全球范圍內快速部署。其顯著特點包括低功耗和長壽命，使得設備能夠長期運行，尤其適用于偏遠或難以訪問的環境。NB-IoT 已廣泛應用于智能城市、交通監測、環境監測等領域，且隨著5G 網絡的推廣，其性能和覆蓋范圍將進一步提升，預計將在更多應用場景中發揮關鍵作用，為數據采集和分析提供更多創新解決方案[17-21]。在相關研究中，黃日華等[17]成功構建了一種基于NB-IoT 和云平臺技術的豬舍環境智能監控系統，實現了對豬舍環境的遠程監測和實時調控。此外，針對照明路燈的能耗和管理模式問題，翁苗[18]提出了一種基于NB-IoT 的智慧路燈控制系統，實現了路燈的遠程智能控制，進一步降低了電耗和維護成本。徐濤等學者通過分析我國北方冬季存在的供熱困難問題，結合NB-IoT技術，提出了一種基于NB-IoT的集中供熱閥門遠程控制系統，可方便居民實現更便捷的遠程供熱控制。因此，通過NB-IoT的持續發展，其應用成本將進一步下降，有望促使其更廣泛地應用于不同的產業和領域。

基于上文的討論，本文針對軌道區段占用無線檢測系統的網絡通信需求，基于阿里云平臺，結合移遠BC260Y 模組，設計了一種NB-IoT 網絡通信節點，主要包含NB-IoT 模塊電路、串口通信模塊電路、USIM 接口模塊電路和電源模塊電路等四方面的設計。實際測試表明，所設計的NB-IoT網絡通信節點可以正常連接阿里云物聯網平臺進行軌道區段占用檢測信息和鋼軌損傷情況的數據傳輸，完全滿足軌道區段占用檢測系統的無線通信需求。

1 設計原理

1.1 軌道區段占用檢測系統介紹

基于光纖光柵的軌道占用狀態檢測方法，本文的思路如下：在所監測區段安裝計軸點，每個計軸點有2 個光纖光柵應變式傳感器，用于監測在這個軌道區段上運行的列車軸數及方向，每個傳感器通過一根光纖線將數據信息傳到光纖光柵解調儀，經解調儀把光信號轉為數據信號后傳給工控機，實現對傳感器數據分析并處理，得到列車軸數及軌道占用狀態。

此外，在所監測的軌道段內，分別在兩鋼軌安裝發射端及接收端的超聲波探頭。數據由發射站發出，經鋼軌傳導，由接收站接收發射站發出的超聲波信號，再對信號做濾波放大等處理，通過幅值比較等方式，分析在給定的時間內是否接收到了發射站發射的預先設定好的超聲波信號，以此來判斷從發射站到接收站之間的軌道是否有斷軌現象發生，數據最后通過串口直接傳送到工控機。軌道區段占用檢測系統構成如圖1所示。

圖1 軌道區段占用檢測系統構成

1.2 網絡通信節點的總體結構設計

NB-IoT 無線通信模塊的工作原理基于蜂窩網絡，采用窄帶通信技術，能夠在低功耗和低數據速率的情況下實現長距離通信。該模塊的通信是通過蜂窩基站進行的。蜂窩基站實現了無線電發射器和接收器的作用，能夠與多個設備進行通信。當設備需要發送數據時，它會將數據傳輸到附近的蜂窩基站，然后基站負責將數據轉發到目標設備。一旦目標設備接收到數據，它會向基站發送確認信號，以通知基站已經成功接收數據。這種通信方式有助于實現設備之間的可靠通信，適用于物聯網等需要低功耗、廣覆蓋和長距離通信的應用場景。

具體而言，本文所設計的網絡通信節點主要作用是實現工控機和阿里云物聯網平臺的無線通信，將工控機處理好的計軸、軌道占用、斷軌和鋼軌損傷等信息發送至阿里云物聯網平臺進行數據記錄。網絡通信節點的總體結構如圖2所示。

圖2 網絡通信節點的總體結構

2 網絡通信節點原理

NB-IoT 網絡通信節點的原理設計主要包含4 個部分，分別是NB-IoT 模塊電路、串口通信模塊電路、USIM接口模塊電路和電源模塊電路。

2.1 NB-IoT模塊電路設計

移遠BC260Y 是一款性能卓越、功耗低廉且支持多頻段的LTE Cat NB2 無線通信模塊。其緊湊的尺寸旨在最大程度地滿足終端設備對小型模塊產品的需求，同時提供了豐富的外部接口和協議棧，支持多種物聯網云平臺。此外，它采用了更易于焊接的LCC 封裝，可通過標準SMT 設備實現模塊的高效生產，以滿足各種復雜環境下的應用需求。因此，本文選擇移遠BC260Y 模組用于NB-IoT網絡通信節點的設計，如圖3所示。

圖3 NB-IoT模塊電路

此外，本設計還采用了PBY160808T-601Y-N 疊層片式鐵氧體磁珠以抑制信號線、電源線上的高頻干擾，削減靜電脈沖的影響。

2.2 串口通信模塊電路設計

CP2102 是高度集成的USB 轉UART 控制器芯片，支持調制解調器全功能信號，無需外部的USB 器件。本設計采用CP2102進行串口通信模塊設計，如圖4所示。

圖4 串口通信模塊電路

本設計采用BUS1 檢測是否接入USB，若接入，則BUS1為高電平，信號經過共集電極放大電路，信號放大打開Q2mos管，使VBUS腳輸出5 V 電壓，維持USB端供電，當沒有接入USB時，斷開，省電。

2.3 USIM接口模塊電路設計

USIM接口支持模塊訪問外部USIM卡，外部USIM卡通過模塊內部的電源供電，支持1.8/3.0 V 供電，其電路原理如圖5所示。值得注意的是，USIM＿DATA 必須加上拉電阻到USIM＿VDD 以提高抗干擾能力，應將其放置在靠近USIM卡座的位置。

圖5 USIM卡模塊電路

在圖5所示的USIM 卡模塊電路中，采用特定的電路設計方式來確保外部USIM 卡的良好性能并防止其受到潛在的損壞。為了抑制系統中的射頻干擾，本文在USIM接口模塊的USIM＿CLK、USIM＿RST 和USIM＿DATA 線上并聯了33 pF的電容。

外部USIM 卡插座被安置在模塊附近，確保了外部USIM 卡插座的信號線布線長度不超過200 mm。此外，將外部USIM 卡插座的信號線布線遠離射頻信號走線和VBAT電源線，以降低潛在的干擾風險。

在USIM 接口模塊中，還特別注意了USIM＿VDD 的去耦電容，其容量不超過1 μF，并將這個電容盡可能靠近外部USIM卡插座以提高性能。

2.4 電源模塊設計

TLV62568DBV 是一款高性能、低壓差、低靜態電流的線性穩壓器，適用于多種便攜式和低功耗設備的電源管理。結合本文所設計的NB-IoT網絡通信節點使用場景，利用其進行電源模塊設計，電源模塊電路如圖6所示。

圖6 電源模塊電路

2.5 PCB結構設計

在PCB結構方面，為使所設計的NB-IoT網絡通信節點緊湊、便于安裝使用，進行了如圖7所示的PCB排版設計。

圖7 PCB結構設計

本文所設計的網絡通信節點的主體結構尺寸為76.00 mm×33.50 mm，正面限高6 mm，背面限高3 mm。USB接口尺寸為14.8 mm×11.00 mm。

3 測試驗證與效果分析

為確保終端節點的數據信息與云端數據庫保持一致，采用MQTT 主題訂閱，終端節點訂閱云端服務器的軌道檢測信息。當云端服務器更新改主題信息，終端節點將會進行同步更新。通過移遠BC260Y 模組，所設計的NB-IoT 無線網卡充分利用了NB-IoT 通信特點，在保證終端節點與云端服務器信息同步的同時避免了冗余通信，提升了數據傳輸的高效性和準確性。

圖8和圖9分別為阿里云物聯網平臺中配置的設備運行日志和設備信息。

圖8 阿里云平臺設備運行日志

圖9 阿里云物聯網平臺配置的設備信息

本設計主要采用移遠提供的“QCOM”工具進行串口發送和接收數據，該工具無需安裝即可運行，方便使用。

圖10 表明所設計的NB-IoT 網絡通信節點調試已完成，可成功連接至阿里云物聯網平臺，并且能夠正常收發數據，實現了軌道區段占用檢測系統的無線網絡通信需求。

圖10 數據收發

4 結束語

為滿足軌道區段占用檢測系統的網絡通信需求，本文開發了一種高效可靠的基于阿里云平臺的NB-IoT網絡通信節點，主要包含NB-IoT模塊電路、串口通信模塊電路、USIM 接口模塊電路和電源模塊電路的設計。該設計具有多重優勢，具備無需中間網關設備、廣泛的覆蓋范圍、低終端功耗以及成本效益高等特點。這些特性顯著提高了高鐵軌道區段占用檢測系統的網絡通信效率和可靠性。通過實際測試，所設計的NB-IoT網絡通信節點可以正常連接阿里云物聯網平臺進行軌道區段的占用檢測信息和鋼軌損傷情況的數據傳輸。經驗證，所設計的NB-IoT 網絡通信節點完全滿足軌道區段占用檢測系統的無線通信需求。