基于LoRa的鐵路隧道口泥石流實時報警系統(tǒng)

摘 要：針對當前鐵路隧道口泥石流災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)的不足之處，設(shè)計構(gòu)建了一個可獨立運行的鐵路泥石流災(zāi)害實時報警系統(tǒng)。其充分利用了當前成熟的LoRa遠距離無線通信技術(shù)、STM32低成本工業(yè)級芯片設(shè)備，實現(xiàn)了在3 000 m距離內(nèi)實時監(jiān)控泥石流災(zāi)害，而無需其他通信基礎(chǔ)設(shè)施支撐；通過設(shè)計的路由控制器，可實現(xiàn)更遠距離的無線報警功能。系統(tǒng)具有成本低、安裝維護便捷、反應(yīng)快速、運行可靠的特點，具備較強的實用性。

關(guān)鍵詞：泥石流報警；LoRa無線通信；LoRa路由器；無線傳感網(wǎng)絡(luò)；報警控制器；隧道

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）05-00-04

0 引 言

泥石流對鐵路交通，特別是對我國高速鐵路運行的危害性很大。由于高鐵和動車速度快、質(zhì)量大、剎車距離超過1 000 m，所以泥石流造成的事故嚴重性極高。泥石流的突發(fā)性會導(dǎo)致一般的泥石流預(yù)警系統(tǒng)失效。2022年6月4日D2809次旅客列車受泥石流撞擊事故中，列車緊急制動后仍然滑行900多米撞擊出軌[1]。在山區(qū)行駛的時速為200 km/h的動車，緊急制動距離通常超過千米。因此設(shè)計一個安裝維護簡單、性能可靠的泥石流實時無線遠程報警系統(tǒng)，具有很大的現(xiàn)實意義。

1 報警系統(tǒng)設(shè)計目標

國內(nèi)對泥石流災(zāi)害的研究主要集中在預(yù)警系統(tǒng)方面[2-8]。在大量的隧道口，特別是在復(fù)雜山區(qū)，建設(shè)有基礎(chǔ)設(shè)施的有線或無線通信系統(tǒng)，投資大，維護成本高。本項目設(shè)計的實時報警系統(tǒng)旨在解決如何構(gòu)建低成本的遠距離無線通信系統(tǒng)。對于鐵路隧道口泥石流現(xiàn)場直接報警的方式，是在離隧道口前后超1 km的位置上，設(shè)置多個紅色信號燈，警示高速列車制動剎車，如圖1所示。

針對信號燈離泥石流觸碰檢測裝置較遠，且隧道口沿線情況較復(fù)雜的問題，在報警系統(tǒng)設(shè)計中使用LoRa無線通信技術(shù)[9-10]來解決，正確安裝配置天線，可實現(xiàn)5 km內(nèi)的可靠無線通信，適合于鐵路隧道口泥石流實時報警系統(tǒng)。

2 報警控制器的設(shè)計

報警系統(tǒng)設(shè)計包含三類基本控制器裝置：網(wǎng)關(guān)設(shè)備、終端信號燈設(shè)備、帶路由的信號燈設(shè)備。其中都可以安裝報警檢測傳感器。路由設(shè)備運行路由通信程序，使無線網(wǎng)絡(luò)的通信范圍擴大。山區(qū)的鐵路隧道長度甚至超過10 km，需要在隧道內(nèi)安裝多個路由設(shè)備進行信息中繼。三種不同類型設(shè)備的LoRa通信地址設(shè)置見表1。

2.1 控制器的硬件配置設(shè)計

圖2所示為本文采用的控制器設(shè)備的主板結(jié)構(gòu)。其主要功能是搭建LoRa無線通信傳感器網(wǎng)絡(luò)以及進行信號檢測報警。終端設(shè)備無需顯示屏和NB-IoT模塊。

處理器MCU采用低成本的工業(yè)級STM32G070 ARM處理器。LoRa通信模塊用于遠距離無線通信和組網(wǎng)。NB-IoT模塊用于連接云端監(jiān)控平臺。為監(jiān)測天氣環(huán)境狀態(tài)，主板配置了溫濕度傳感器和光照度傳感器。

2.2 主控網(wǎng)關(guān)設(shè)備的軟件設(shè)計

網(wǎng)關(guān)功能設(shè)計如圖3所示。程序主流程如圖4所示。觸碰信號的檢測采用中斷方式，反應(yīng)時間在毫秒級；其中全網(wǎng)報警處理功能是在檢測到任何一個觸碰開關(guān)被觸發(fā)后，控制器即刻以廣播方式在無線網(wǎng)絡(luò)內(nèi)傳遞報警信息，所有控制器收到后，都會開啟紅燈警示，達到快速報警要求。

LoRa通信數(shù)據(jù)處理是軟件設(shè)計的核心之一。對于三種不同類型的設(shè)備，處理流程不同。由于LoRa搭建的是無線網(wǎng)絡(luò)，特別是加入了路由設(shè)備，網(wǎng)內(nèi)每個設(shè)備會收到多份同樣的數(shù)據(jù)包，甚至會引起數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)死循環(huán)，需要設(shè)計合理的消息處理機制，提高通信效率。

2.3 通信消息處理機制的設(shè)計

為避免消息死循環(huán)和重復(fù)處理相同數(shù)據(jù)包，系統(tǒng)設(shè)計消息保存緩沖區(qū)Messages。默認消息保存的最長時間為3 s，即表示3 s內(nèi)，不能發(fā)送重復(fù)指令或重復(fù)處理。消息體內(nèi)包含有發(fā)送目標設(shè)備的地址ID號，當路由接收程序判斷該數(shù)據(jù)包是發(fā)給自己時，將終止轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。軟件設(shè)計中實現(xiàn)了采用多種方法來操作消息緩沖區(qū)，旨在減少網(wǎng)絡(luò)阻塞，提高數(shù)據(jù)通信的成功率。路由設(shè)備通信流程如圖5所示。

2.4 設(shè)備描述和監(jiān)控設(shè)計

文獻[11]介紹了基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的4D設(shè)備描述規(guī)范，對報警系統(tǒng)內(nèi)各嵌入式設(shè)備進行了統(tǒng)一的設(shè)備描述設(shè)計，實現(xiàn)了嵌入式設(shè)備的即插即用和統(tǒng)一的智能監(jiān)控，即設(shè)備上電自動建立無線自組織傳感器網(wǎng)絡(luò)和實現(xiàn)設(shè)備間M2M通信的指令統(tǒng)一處理。信息在上傳到云平臺后也實現(xiàn)了規(guī)范化的管理。

2.4.1 報警設(shè)備描述

使用4D設(shè)備描述方法描述的LoRa網(wǎng)關(guān)報警設(shè)備組成見表2。

終端報警設(shè)備沒有GPS信息和TCP通信功能，觸碰檢測開關(guān)也可選擇不安裝，從而減少子設(shè)備數(shù)量。

3 實時報警系統(tǒng)的測試

為模擬較復(fù)雜的實際環(huán)境，在郊區(qū)森林公園實際環(huán)境進行測試。

（1）測試1

1 500 m直線距離通信測試如圖6所示。測試方法：每隔一定時間，按下終端取消報警按鈕，發(fā)送狀態(tài)信息給網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)應(yīng)答，返回應(yīng)答信號；測試點終端收到信號后，紅色LED指示燈閃爍1次，表示通信成功。連續(xù)測試10次。測試結(jié)果見表4。

由表4可知，在無目視阻礙的情況下，兩節(jié)點間通信成功率為100%；在稍有障礙阻隔的情況下，發(fā)送頻率低于3 s/次時成功率較高；如果發(fā)送得太快，則可能會出現(xiàn)通信失敗的情況。因此在控制器程序中設(shè)置了3 s的消息緩沖時間。

利用一個路由中繼控制器，可以實現(xiàn)3 000 m遠距離的無線通信，且通信過程穩(wěn)定無壓力。

森林公園中生長著大量的楠竹和樟樹，目視無法穿透。三個設(shè)備被長達幾十米的竹林和小山坡隔開，竹林高度在5～10 m范圍內(nèi)，這樣的環(huán)境比實際鐵路沿線環(huán)境更復(fù)雜。此外，公園小路與路由設(shè)備之間有多處彎路。首先要保證路由設(shè)備與網(wǎng)關(guān)之間的通信成功率為100%（與網(wǎng)關(guān)設(shè)備之間只有低于10 m高的竹林障礙，且直線距離約為600 m）。

結(jié)果表明：在竹林高度不超過10 m，山坡障礙物高度或?qū)挾刃∮诘扔? m的情況下，通信成功率極高。竹林高度超過10 m時，則信號衰減嚴重，無法通信。由于LoRa技術(shù)使用433 MHz的電磁波通信，波長大約為0.7 m，穿透力較強。因此對于一般的鐵路沿線情況，LoRa設(shè)備直接與網(wǎng)關(guān)主設(shè)備通信即可。在鐵路轉(zhuǎn)彎半徑過小處增加路由中繼設(shè)備即可解決通信障礙問題。

4 結(jié) 語

本文使用LoRa無線遠距離通信技術(shù)，設(shè)計了三類控制器設(shè)備，用以組建無線自組網(wǎng)，解決了無需基礎(chǔ)設(shè)施的網(wǎng)絡(luò)快速構(gòu)建難題；通過自主設(shè)計的LoRa路由設(shè)備和消息傳遞機制，確保在鐵路隧道口和隧道內(nèi)超過3 km范圍內(nèi)實現(xiàn)可靠且快速的無線通信，有效保障了泥石流災(zāi)害報警系統(tǒng)的實時性，即便報警主機被瞬間（gt; 0.05 s）摧毀，報警信號也能被迅速傳播，報警信息生效，使報警系統(tǒng)具備較高的實用價值。

參考文獻

[1] 唐俊.泥石流塌方多次導(dǎo)致列車事故，鐵路險情為何難以自動預(yù)警？ [N/OL].界面新聞，2022-06-04. https：//www.jiemian.com/article/7552233.html.

[2] 王雨.基于大數(shù)據(jù)分析與挖掘的鐵路區(qū)域泥石流災(zāi)害預(yù)警模型研究[D].成都：電子科技大學，2022.

[3] 宋陽，耿燦欣，林娟娟，等.復(fù)雜山區(qū)泥石流環(huán)境下高鐵安全運營的預(yù)警模型[J].南京理工大學學報，2020，44（4）：416-423.

[4] 徐根祺，溫宗周，李麗敏，等.鐵路沿線泥石流災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2021，21（10）：71-75.

[5] 魏高榮. 泥石流次聲監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計[D].北京：中國地質(zhì)大學，2017.

[6] 鄧冉. 鐵路沿線泥石流監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)的建立和示范[D].長沙：湖南農(nóng)業(yè)大學，2016.

[7] 裴來政，譚建民，閆舉生，等.王家溝泥石流實時監(jiān)測及預(yù)警判據(jù)研究[J].地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護，2022，33（2）：9-20.

[8] 尚東方，劉敦龍，韓雪，等.基于次聲監(jiān)測的泥石流實時預(yù)警系統(tǒng)[J].計算機與現(xiàn)代化，2020（3）：6-12.

[9] 甘泉. LoRa物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)[M]. 北京：清華大學出版社，2021.

[10] 房華，彭力. NB-IoT/LoRa窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2019.

[11] 吳志輝. 基于4D設(shè)備描述協(xié)議的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備智能監(jiān)控方法 [J]. 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2023，13 （7）：15-19.