引言

在安防、交通、建設(shè)等現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)常需要進(jìn)行語(yǔ)音或文字信息的警示，比如安防禁區(qū)、道路交通路口或施工現(xiàn)場(chǎng)，本警示系統(tǒng)以鐵路道口應(yīng)用為例進(jìn)行研制開(kāi)發(fā)，可進(jìn)行預(yù)警信息提示，避免事故發(fā)生。

隨著鐵路行車(chē)速度、密度的不斷提高和公路車(chē)輛的急速增多，鐵路平交道口的安全問(wèn)題已經(jīng)變得非常突出。平交道口有區(qū)間和站內(nèi)之分，以及有人看守和無(wú)人看守之分。站內(nèi)道口由于多是地處人口稠密、經(jīng)濟(jì)活動(dòng)頻繁的市鎮(zhèn)地區(qū)，公路交通車(chē)輛日益增多，很多的站內(nèi)道口附近的鐵路行車(chē)作業(yè)非常復(fù)雜，正線(xiàn)、專(zhuān)用線(xiàn)、調(diào)車(chē)線(xiàn)等四通八達(dá)，通向道口的線(xiàn)路很多,與車(chē)站信號(hào)連鎖困難，所有的這些因素都制約了平交道口改為立交道口的進(jìn)程，這就決定了平交站內(nèi)道口在今后相當(dāng)長(zhǎng)的一個(gè)時(shí)期內(nèi)仍將繼續(xù)存在，服務(wù)于運(yùn)輸生產(chǎn)。

道口安全是鐵路運(yùn)輸安全的重要組成部分，鐵路道口是任何一條鐵路與公路的平面交叉，它是一個(gè)涉及多個(gè)管理部門(mén)（鐵路、公路、地方等），由人（駕駛員、交通參與者）、車(chē)（機(jī)車(chē)、汽車(chē)等）、設(shè)備（道口特性、安全裝置、公路幾何線(xiàn)形等）、環(huán)境（天氣、視距、車(chē)速等）組成的復(fù)雜系統(tǒng)叫道口交通是鐵路運(yùn)輸安全生產(chǎn)中的薄弱環(huán)節(jié)，也是道路運(yùn)輸?shù)奈ｋU(xiǎn)地段,它直接威脅著交通參與者的人身安全。在鐵路平交道口設(shè)置警示系統(tǒng)，可在列車(chē)接近道口前發(fā)出警示信息，提示道口值守人員及行人、過(guò)往的車(chē)輛注意，從而有效地避免道口交通事故的發(fā)生。

1 鐵路道口警示系統(tǒng)

圖1所示是鐵路道口平面示意圖。其中，A-1和A-2為紅外探測(cè)器，B-1和B-2為道口欄桿，C-1和C-2為閃爍警示燈,在D-1和D-2的合理位置設(shè)置LED等文字顯示設(shè)備，E為號(hào)角喇叭，K1、K4為火車(chē)到來(lái)檢測(cè)傳感器，K2、K3是火車(chē)離開(kāi)檢測(cè)傳感器。根據(jù)鐵路道口的控制要求，必須將火車(chē)到與離開(kāi)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，利用傳感器即可完成此要求；然后將檢測(cè)到的電信號(hào)送給相應(yīng)的電路進(jìn)行處理，使之產(chǎn)生輸出信號(hào)；再利用輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成道口欄桿起降及語(yǔ)音播報(bào)和文字顯示等相應(yīng)的功能，達(dá)到警示路人和車(chē)輛的目的。

鐵路道口警示系統(tǒng)采用圖2所示的總體方案設(shè)計(jì)，主要由觸發(fā)源、控制系統(tǒng)、系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)模塊組成。觸發(fā)源由按鍵、紅外探測(cè)器、傳感器等組成，觸發(fā)源將外部觸發(fā)信號(hào)送至控制系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的處理?？刂葡到y(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的中央處理系統(tǒng)，可將得到的檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的處理，通過(guò)硬件與軟件的結(jié)合來(lái)控制各個(gè)部分的工作，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各項(xiàng)功能。功能實(shí)現(xiàn)模塊包括文字顯示、燈光警示、語(yǔ)音播放和被控設(shè)備動(dòng)作等四個(gè)功能。

圖2  警示系統(tǒng)總體方案圖

2 警示系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

根據(jù)鐵路道口警示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，采用單片機(jī)C8051F340作為核心主控芯片。該芯片外設(shè)接口豐富，低功耗,性?xún)r(jià)比高，可以滿(mǎn)足道口警示系統(tǒng)的需求。

警示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案如圖3所示，主要包括SD卡電路、MP3解碼電路、功放電路、串口通信電路、列車(chē)行進(jìn)檢測(cè)電路和道口欄桿起降控制電路等。

圖3 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

按鍵主要受值班人員控制，值班人員可以根據(jù)具體的情況來(lái)觸發(fā)按鍵起到警示的作用；紅外探測(cè)器安裝在道口欄桿之前，在需要警示的情況下，當(dāng)路人強(qiáng)行通過(guò)時(shí)會(huì)觸發(fā)，此時(shí)將觸發(fā)信號(hào)送入控制電路中，將會(huì)有相應(yīng)的語(yǔ)音播報(bào)及文字信息顯示；列車(chē)行進(jìn)檢測(cè)電路主要作用是檢測(cè)列車(chē)的到來(lái)和離開(kāi)，其電路主要由傳感器組成，可選用磁鋼傳感器，由傳感器采集火車(chē)的行進(jìn)信息，將檢測(cè)信號(hào)送至單片機(jī)進(jìn)行處理；串行接口主要連接文字顯示設(shè)備，文字顯示設(shè)備可以是LED顯示器或者是視頻顯示設(shè)備（可在視頻上疊加文字）；閃爍警示燈可進(jìn)行燈光警示，尤其是夜晩對(duì)遠(yuǎn)處的行人和車(chē)輛進(jìn)行有效警示；SD卡主要存放警示的文字和語(yǔ)音內(nèi)容，以便于系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)用；道口欄桿升降電路是控制道口欄桿升降，火車(chē)到來(lái)時(shí)阻止行人和車(chē)輛的通行；語(yǔ)音解碼芯片采用VS1003B，可對(duì)單片機(jī)讀出的語(yǔ)音文件進(jìn)行解碼，以語(yǔ)音形式輸出，該芯片支持MP3及WMA文件格式叫功放電路對(duì)解碼后的警示語(yǔ)音內(nèi)容進(jìn)行放大，再送至號(hào)角喇叭進(jìn)行播放；話(huà)筒安置在道口房?jī)?nèi)，供值班人員進(jìn)行緊急情況的語(yǔ)音喊話(huà)。

警示系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)如下：沒(méi)有列車(chē)通過(guò)時(shí)，道口的閃光燈不工作，道口欄桿抬起，文字顯示設(shè)備上可顯示列車(chē)的通行時(shí)間以及提醒通行車(chē)輛和行人安全通過(guò)的提示信息；當(dāng)有火車(chē)到來(lái)時(shí)，傳感器K1或K4檢測(cè)到來(lái)車(chē)信號(hào)，單片機(jī)控制電路接收來(lái)到自傳感器的火車(chē)到來(lái)信號(hào)，此時(shí)通過(guò)控制電路將道口欄桿降下，同時(shí)單片機(jī)從SD卡中調(diào)用相關(guān)文字警示及語(yǔ)音文件，語(yǔ)音文件為MP3的格式，警示文字信息為T(mén)XT文件格式?？紤]到語(yǔ)音文件的播放時(shí)間較長(zhǎng)，因此單片機(jī)首先讀取SD卡中的相應(yīng)的TXT文件，并將該文件內(nèi)存儲(chǔ)的16進(jìn)制文件通過(guò)串口送至LED或視頻字符顯示設(shè)備，之后單片機(jī)打開(kāi)SD卡中存儲(chǔ)的相關(guān)MP3格式的音頻文件，音頻數(shù)據(jù)通過(guò)SPI總線(xiàn)傳輸?shù)揭纛l解碼芯片VS1003B進(jìn)行解碼，解碼之后會(huì)通過(guò)功放電路送至號(hào)角喇叭進(jìn)行播放,同時(shí)打開(kāi)閃爍警示燈，從而實(shí)現(xiàn)了文字及聲光警示行人和過(guò)往車(chē)輛有列車(chē)通過(guò)。紅外探測(cè)器安裝在道口欄桿之前的合適位置，在道口欄桿放下的情況下行人接近后會(huì)觸發(fā)紅外探測(cè)器，觸發(fā)信號(hào)就會(huì)驅(qū)動(dòng)單片機(jī)從SD卡中調(diào)用與之相關(guān)的警示內(nèi)容進(jìn)行文字和聲光警示，以警示行人禁止前行。如果行人還是繼續(xù)前行，此時(shí)道口房?jī)?nèi)的值班人員可按下相應(yīng)的按鍵，使系統(tǒng)顯示預(yù)制的文字警示信息和播放預(yù)存的語(yǔ)音警示信息，再則還可以通過(guò)話(huà)筒進(jìn)行嚴(yán)厲的語(yǔ)音警示。當(dāng)火車(chē)離開(kāi)后，傳感器K2或K3檢測(cè)到火車(chē)離開(kāi)，檢測(cè)信號(hào)驅(qū)動(dòng)單片機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作，包括道口欄桿升起、閃光警示燈停止閃爍、號(hào)角喇叭停止警示語(yǔ)音播報(bào)、文字顯示設(shè)備上顯示列車(chē)的通行時(shí)間以及運(yùn)行車(chē)輛和行人通過(guò)的信息。如果有突發(fā)事件發(fā)生，值班人員也可以通過(guò)話(huà)筒進(jìn)行語(yǔ)音播報(bào)來(lái)警示行人和過(guò)往的車(chē)輛。

3 SD卡中文件的命名規(guī)則

SD卡中寫(xiě)入了兩種格式的文件。一種是MP3格式的音頻文件，每個(gè)音頻文件的命名和文件內(nèi)容均不相同，語(yǔ)音文件的內(nèi)容可根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)合來(lái)錄制，這里要注意的是該語(yǔ)音文件的采樣率不得高于128Kb/s。另一種是TXT格式的文本文件，文本文件中寫(xiě)入了報(bào)警信息的相關(guān)16進(jìn)制代碼，每個(gè)文本文件的命名編碼規(guī)則和內(nèi)容也不相同，用于在文字顯示設(shè)備上顯示火車(chē)到來(lái)或離開(kāi)或警示信息的具體內(nèi)容。為了便于文件管理，將MP3文件的第一位確定為A，TXT文件的第一位確定為C，兩種文件名稱(chēng)的其他位對(duì)應(yīng)同一種警示事件時(shí)可采用相同的命名規(guī)則。

3.1 MP3文件命名規(guī)則

當(dāng)有事件發(fā)生時(shí)，播放器就會(huì)播放警示語(yǔ)音，但是，不同的事件播放的內(nèi)容不相同，各個(gè)音頻文件的命名也不相同。在對(duì)音頻文件命名時(shí)，采用4位編碼方式。其中，第1位為A，代表Audio音頻文件，其余的3位數(shù)字采用16進(jìn)制表示，每一位代表不同的含義。第2位代表按鍵觸發(fā)的相應(yīng)信息位，第3位代表火車(chē)到來(lái)和離開(kāi)信息位，如果此位為1，則代表有火車(chē)到來(lái)，第4位代表紅外探測(cè)器觸發(fā)信息位。例如A010.MP3的語(yǔ)音內(nèi)容為“火車(chē)就要開(kāi)過(guò)來(lái)了，行人車(chē)輛注意安全，不要穿越欄桿”。

3.2  字符文件名的命名規(guī)則

當(dāng)有事件發(fā)生時(shí)，文字顯示設(shè)備上就會(huì)用文字顯示具體的警示內(nèi)容，不同的事件顯示的警示信息也不相同，各個(gè)文本文件的編碼也不相同，每個(gè)文本文件中寫(xiě)入了文字顯示設(shè)備要顯示文字的16進(jìn)制代碼。在對(duì)文本文件命名時(shí)，同樣也采用4位編碼格式，其命名和音頻文件命名方式相同，例如，C010.TXT的文本文件中存儲(chǔ)的就是“火車(chē)即將到來(lái)車(chē)輛行人禁止通行”。

4文字警示信息的傳輸與顯示

文字顯示設(shè)備主要為L(zhǎng)ED顯示設(shè)備，也可采用視頻（字符疊加）顯示設(shè)備。LED顯示設(shè)備安裝在圖1所示的D-1和D-2處，視頻顯示設(shè)備主要安裝在值班室內(nèi)部，為值班人員提供文字信息顯示，這里主要以L(fǎng)ED設(shè)備為例來(lái)說(shuō)明其工作過(guò)程。

SD卡中用于文字警示的文本文件要遵照LED文字顯示設(shè)備的要求來(lái)制作，按照本系統(tǒng)的要求制作的C010.TXT的顯示文字為“火車(chē)即將到來(lái)車(chē)輛行人禁止通行”，其TXT文件的內(nèi)容為“01D60400000000007F001F000101000A0100020002BB02F002B302B502BC02B402BD02AB02B502BD02C002B40200020002B302B502C102BE02D002D002C802CB02BD01FB01D601B901CD01A801D001D001AA”，共82個(gè)字節(jié)。其中，前21個(gè)字節(jié)為顯示參數(shù)設(shè)置；第22?81字節(jié)為被顯示文字的GB2312代碼與顯示顏色的組合，比如“禁”字的GB2312的編碼為“BDFB”，這里組合后為“BD01FB01”，其中“01”表示該字為紅色顯示，“02”為綠色顯示；最后一個(gè)字節(jié)AA為結(jié)束標(biāo)志字節(jié)。

由于存儲(chǔ)在SD卡中的字符文件的內(nèi)容是以16進(jìn)制的形式存放的，當(dāng)有事件發(fā)生時(shí)，單片機(jī)接收到相應(yīng)的觸發(fā)信號(hào)后去調(diào)用SD卡中相對(duì)應(yīng)的TXT格式的文本文件。這里要注意的是，單片機(jī)讀出的文本文件中的16進(jìn)制代碼實(shí)際上是該代碼的ASCII形式，需要單片機(jī)將該ASCII代碼轉(zhuǎn)換為16進(jìn)制后，再通過(guò)串口發(fā)送給LED顯示模塊。本系統(tǒng)選用的LED設(shè)備在單片機(jī)與其通信時(shí)需要先進(jìn)行握手，其過(guò)程為單片機(jī)通過(guò)串口先向LED模塊發(fā)0101，然后接收LED發(fā)送回來(lái)的確認(rèn)數(shù)據(jù)01，之后需要在3s內(nèi)將顯示數(shù)據(jù)一次發(fā)送完成，最后在LED顯示模塊上顯示警示內(nèi)容。在使用串口調(diào)試助手連接LED設(shè)備時(shí)，一定要注意3s內(nèi)這個(gè)時(shí)間限制。LED顯示的流程圖如圖4所示。

圖4  LED顯示模塊流程圖

5 結(jié)語(yǔ)

本文以鐵路道口應(yīng)用為例設(shè)計(jì)了一個(gè)基于SD卡的文字聲光警示系統(tǒng)。由于警示系統(tǒng)的語(yǔ)音文字信息采用的是SD卡存儲(chǔ)，文字及語(yǔ)音內(nèi)容修改方便，因此可以使用于其他的場(chǎng)合，例如安防、普通十字路口、施工現(xiàn)場(chǎng)、學(xué)校、博物館等,只需要將SD卡中的警示內(nèi)容更改為現(xiàn)場(chǎng)相對(duì)應(yīng)的警示內(nèi)容即可，無(wú)需改變軟件程序及硬件電路。同時(shí)，本系統(tǒng)可擴(kuò)充以太網(wǎng)等電路模塊，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

20211024_617538aadf1ca__基于SD卡的文字聲光警示系統(tǒng)