基于LORA無線技術的鐵路客車火災報警裝置設計

劉東 張鋒

1. 奧維通信股份有限公司 遼寧 沈陽 110179；

2. 沈陽中科奧維科技股份有限公司 遼寧 沈陽 110179

1 技術背景

隨著鐵路運營規模的不斷擴大，旅客運輸的安全性日益受到社會各界的廣泛關注。列車火災是鐵路客運在安全性方面的重中之重，一旦發生就會造成重大的人員、財產損失及嚴重的社會不良影響。

火災報警系統可以分為有線和無線兩種形式。目前，有線系統耗材多,功耗大，設計、施工及維護復雜。而無線火災報警系統中的火災探測器可以方便地安裝在室內的任意位置或無法安裝有線系統的場所[1]。

LoRa無線通信技術是基于擴頻技術的超遠距離無線傳輸技術。LoRa通信技術最大特點，靈敏度高、傳輸距離遠、功耗低、組網節點多[2]。由于多徑分散的能量落在頻域上的相鄰位置上，采用Gray編碼能減少錯誤發生在相鄰位置時錯誤的 bit數，提升了系統的性能[3]。LoRa調制技術擁有比 FSK更加突出的抗衰落性能， 驗證了LoRa通信在低速率遠距離通信場景的優越性[4]。

2 火災報警裝置設計

2.1 硬件組成

鐵路客車火災報警裝置主要由控制主機、控制分機、煙感探測器、手持報警器和移動式參數設置器組成。

在列車中部的廣播車設置1臺控制主機，單節車廂內部安裝有2個控制分機，每個控制分機連接1臺感煙探測器，乘務人員配置1臺手持報警器。

各控制分機與控制主機通過無線通信方式傳送信息，當某節車廂發生火災報警時，該節車廂的控制分機發出語音報警信息，并通過無線通信方式傳送到控制主機；主機接收到報警信息后，傳送給各節車廂的控制分機，同時發出語音報警；控制分機或者語音報警器接收到報警信息后發出語音報警。

2.2 網絡設計

為保證輪詢數據的傳輸穩定性、及時性、可靠性，輪詢信息的傳輸采用星型和鏈型兩種傳輸機制相互冗余的方式實現。

當煙感報警器采集到某一節車廂出現火災煙霧信息時，立即通過星型傳輸上報控制主機，控制主機將告警信息廣播，煙感報警器和手持報警器接到控制主機告警指令后，均將該告警信息在本節車廂廣播，攜帶手持報警器的人員均可接收到告警信息，及時處理險情。

報警上報信息在星型傳輸不通后啟動鏈型傳輸，逐級傳輸報警信息，主機接收到報警信息后，啟動鏈型傳輸下發報警信息。

2.3 硬件設計

（1）控制主機設計

控制主機硬件電路包括處理單元（MCU）、LoRa模塊、存儲單元、USB接口、揚聲器驅動控制接口、RTC單元、日志導出單元、LED顯示單元、按鍵接口等。

LoRa通信模塊工作在410～510MHz 頻段，最大發射功率100mW，采用LoRa擴頻技術，鏈路預算達到164dB，傳輸距離遠，抗干擾能力強，適用于鐵路沿線電磁干擾大，地理環境多變，人員密集的動態列車場景。

（2）控制分機設計

控制分機硬件電路包括處理單元（MCU）、LoRa通信模塊、存儲單元、USB接口、揚聲器驅動控制接口、探測器接口等。

2.4 軟件設計

（1）控制主機軟件設計

火災報警裝置通常處于日常輪詢階段，目的是常規檢驗控制主機與各分機通信鏈路的實時連通性。輪詢周期為10分鐘，每次輪詢采用星型+鏈狀通信方式進行。

控制主機接收到分機上報的火警信息后，會通過自身的短信貓將火警信息以短信形式上報，同時下發火警信息。

（2）控制分機軟件設計

控制分機在日常輪詢過程中給予控制主機應答以及轉發鏈型輪詢和應答報文。

控制分機實時監測火警信號、上報火警信息、轉發火警信息、發出和取消火警報警等，分機檢測到火警警情則立刻上報。

3 產品實現及測試

基于本設計生產了1套列車火災報警裝置共1臺控制主機、20臺控制分機，安裝在沈丹線25G和25K型客車的電氣柜和照明柜中進行了長期的運行，運行時間超過1年，設備穩定運行，無錯報，漏報的情況發生，有效的驗證了報警裝置的可用性和可靠性。

圖1 控制主機產品

圖2 控制分機產品

4 結束語

本設計實現的基于LoRa的無線火災報警裝置，經過長期試驗驗證是可靠的、性能是先進的、工程實施及成本上具有相當大的競爭力。本設計實現的無線火災報警裝置使得鐵路客運的安全性有了顯著的提升，為旅客出行提供了安全保障。