CОЗДАНИЕ РАДИОИНТЕРФЕЙСА ДЛЯ СЧИТЫВАНИЯ ДАННЫХ С НАПОЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЙ АВТОМАТИКИ

RADIO INTERFACE FOR READING DATA FROM OUTDOOR UNITS OF RAILWAY AUTOMATICS

Artem Ryapolov

candidate of technical sciences, Omsk State Transport University,

Russia, Omsk

Victoria Tikhanuk

student, Omsk State Transport University,

Russia, Omsk

АННОТАЦИЯ

В статье предлагается вариант создания маломощного радиоинтерфейса для считывания данных с напольных станционных или перегонных устройств железнодорожной автоматики. Также предлагается алгоритм протокола взаимодействия устройств через радиоканал. Приводятся результаты экспериментального исследования предложенного решения.

ABSTRACT

In this article a low power radio interface for railway automatics is considered. Also an interaction protocol algorithm for communicating devices is described. In the last section of article an experimental results of proposed solution are shown.

Ключевые слова: радио, связь, радиоканал, радиоинтерфейс, железнодорожная автоматика, протокол радиосвязи, съем данных, напольное оборудование.

Keywords: radio, communication, radio channel, radio interface, railway automatics, communication protocol.

В 2008 году было выпущено распоряжение Правительства РФ № 877-р, в котором содержится Стратегия развития железнодорожного транспорта Российской Федерации до 2030 года [2]. В этом документе определены основные направления научных исследований в области железнодорожного транспорта. Одной из главных задач, указанных в Стратегии, является повышение безопасности и эффективности работы железных дорог. Для ее решения предполагается создать распределенные интеллектуальные системы диагностики и мониторинга объектов инфраструктуры и подвижного состава.

В частности, развитие систем управления движением поездов требует наличия систем мониторинга и телеуправления напольными устройствами железнодорожной автоматики, развитие цифровых систем связи и радиосвязи, создание подвижных средств для автоматизации контроля инфраструктуры и т. д. Данное направление на Российских железных дорогах имеет большой потенциал для совершенствования.

Авторы данной работы поставили перед собой задачу рассмотреть возможность усовершенствования процесса мониторинга для напольных устройств железнодорожной автоматики.

В станционных системах автоматики контроль состояния отдельных узлов решается путем применения кабельных линий, подключаемых к отдельным устройствам в пределах станций. Системы перегонной автоматики также используют кабельные линии, но в связи с ограниченностью числа кабельных цепей количество контролируемых объектов и параметров внутри отдельного объекта ограничено. Если возникнет необходимость включить в имеющийся кабель дополнительные устройства или снимать большее число параметров с напольных объектов, то, вероятно, емкости кабеля не хватит. Решить эту проблему может прокладка кабелей с большей емкостью. Например, это может быть волоконно-оптический кабель. Учитывая большую протяженность железных дорог на территории России, данный подход потребует больших денежных и трудовых затрат.

В дополнение к имеющимся проводным каналам связи с напольными станционными и перегонными устройствами может быть использован вариант маломощного радиоканала, который может применяться по-разному в зависимости от типа напольного устройства, протяженности участка, передаваемой информации т. п. Например, сбор некритичной информации о текущем состоянии перегонных устройств, которая не передается по проложенным кабельным линиям или не может быть интегрирована в существующие протоколы информационного обмена.

На рисунке 1 представлена схема возможной реализации съема информации с напольных устройств железнодорожной автоматики при использовании маломощного радиоканала. Обозначения элементов на рисунке: 1– локомотив или другое подвижное средство; 2 – радиоустройство опроса; 3 – напольные устройства, оборудованные радио интерфейсом; 4 – станционное устройство опроса; СПД – сеть передачи данных.

Рисунок 1. Беспроводной съем информации с напольных устройств железнодорожной автоматики

Изображенная на рисунке 1 система работает следующим образом. Съем информации с напольных устройств осуществляется при помощи маломощного радиоканала. В информационном обмене участвуют два устройства: опрашивающее и отвечающее на запросы напольное оборудование. Опрашивающее устройство оснащается приемопередающим радиоинтерфейсом и работает в режиме постоянного поиска – все время отправляет радиосообщения с кодом вызова ответного устройства. Напольное устройство также оборудуется радиоинтерфейсом, но работает в режим радиоприема. В момент, когда оба устройства оказываются в зоне надежного радиоприема, происходит установление соединения и считывание данных. Таким образом, если опрашивающее радиоустройство установить на подвижный объект, например локомотив, можно опросить и собрать информацию с нескольких напольных устройств.

Теперь остается передать накопленную информацию с подвижного объекта на станцию для последующего анализа и обработки. С этой целью можно использовать станционное опрашивающее устройство, которое будет установлено в месте прохода локомотивов, например в горловине станции. Для этого опрашивающего устройства объектом опроса будет радиоустройство, установленное на подвижном объекте. Также станционное устройство будет иметь подключение в сеть передачи данных, по которой собранная с напольных объектов информация будет передана на сервер обработки данных.

Согласно вышесказанному, авторы данной статьи разработали макет радиоканала, структурная схема которого представлена на рисунке 2.

Рисунок 2. Структурная схема радиоканала для съема информации с напольных устройств автоматики

Рабочий диапазон частот радиоканала соответствует стандарту LPD433 (Low Power Device) [3], разрешенный для свободного использования при ограничении мощности передатчика в 10 мВт. В решении задачи беспроводного съема информации с близкорасположенных напольных устройств этой мощности хватает для работы на расстоянии до 20 м в прямой видимости.

Были собраны макеты двух устройств: опрашивающий комплект (справа на рисунке 2) и опрашиваемое устройство (слева на рисунке 2). В качестве управляющего элемента обоих радиоустройств был использован микроконтроллер STM32F07VG c ARM-ядром Cortex-M4 и тактовой частотой 168 МГц [4]. В опрашиваемом устройстве микроконтроллер предназначен для сбора информации от напольной аппаратуры. В опрашивающем комплекте микроконтроллер реализует передачу полученной информации компьютеру через USB-интерфейс, который настроен как виртуальный COM-порт.

Также общими элементами обоих комплектов являются передатчик и приемник, работающие на радиочастоте 433 МГц и передающие цифровые данные при помощи амплитудной модуляции [1]. Примером таких устройств являются маломощные модули MX-05V и MX-FS-03V, поставляемые в линейке Arduino. Микроконтроллер STM32F07VG имеет несколько встроенных универсальных синхронных/асинхронных приемопередатчиков (USART), один из которых был задействован для работы через радиоканал. Передача с использованием USART производится по 8 бит с одним стоповым битом.

Особенности подключения радиомодулей к USART заключаются в следующем. На передающей линии Tx USART всегда присутствует логическая единица. Приемник Rx USART обнаруживает начало передаваемого байта переходом из единицы в ноль. По окончании передачи ни линии Tx снова устанавливается логическая единица. Поскольку радиопередатчик выполняет модуляцию и передачу в момент подаче в него логической единицы от контроллера, он будет непрерывно генерировать несущую частоту при отсутствии передаваемых данных. Чтобы устранить этот недостаток, между USART и радиопередатчиком был установлен инвертор, на выходе которого постоянно присутствующем уровнем является ноль, а единицы появляются при передаче данных. На рисунке 3 представлены осциллограммы сигналов передачи байта: 1 – на линии Tx USART, 2 – после инвертора на входе в радиопередатчика.

Рисунок 3. Формирование сигнала на входе радиопередатчика

На приемном конце выполняется обратная процедура: принятая комбинация с выхода приемника подается на инвертор, чтобы преобразовать в уровни, понятные приемнику USART.

Второй особенностью применения связки USART и радиомоулей является срабатывание приемника от данных, который передает свой же передатчик. При работе USART по проводам такой проблемы нет, т. к. среды передачи приемника и передатчика разнесены в разные провода. В случае радиоканала среда объединена, поэтому решением здесь является низкоуровневое управление приемником USART, который необходимо выключать в момент передачи.

Разработка радиоинтерфейса предполагает помимо технических средств передачи данных организовать протокол обмена информацией. Создание протокола исходило из идеи, что съем информации с напольных устройств движущимся объектом является ненадежной процедурой. Опрашивающее устройство не знает, когда в зоне доступности появится опрашиваемое устройство. Опрашиваемое устройство в свою очередь также не знает, когда придет запрос на выдачу данных. Работа в условиях железных дорог предполагает наличие повышенного уровня электромагнитных помех, поэтому даже в случае начала обмена данными между устройствами связь может внезапно оборваться.

Был написан программный протокол работы двух радиоустройств, позволяющий учесть ненадежность связи по радиоканалу. Взаимодействие выполняется в несколько этапов.

Первый этап – установление соединения. Опрашивающее устройство через заданный интервал времени выполняет передачу вызывной комбинации – байт, состоящий из чередования единиц и нулей 0xAA. Как только в зоне доступности оказывается оборудование с радиоинтерфейсом, оно начинает отвечать первому устройству байтами подтверждения ­– байт из чередующихся нулей и единиц 0x55. На рисунке 4 представлены осциллограммы, снятые с линий передачи USART двух устройств: 1 – вызывающее устройство, 2 – вызываемое устройство.

а                                                                б

Рисунок 4. Осциллограммы, снятые с линий передачи данных USART двух радиоустройств

Осциллограмма на рисунке 4а показывает, что опрашивающее устройство отправляет вызывные комбинации каждые 5 мс (линия 1). Опрашиваемое устройство отсутствует в зоне радиоприема (выключено), поэтому на линии 2 нет ответных комбинаций. Рисунок 4б показывает процесс установления соединения, когда оба радиоустройства находятся в зоне уверенного радиоприема. В этом случае после получения подтверждения на первый вызывной байт опрашивающее устройство шлет вызывную комбинацию еще два раза с интервалом 1 мс. Данная процедура близка к процессу установления сеанса связи, выполняемого в проводных сетях передачи данных по протоколу TCP, когда узлы два раза обмениваются пакетами-рукопожатиями.

При получении трех подтверждений радиоустройства переходят ко второму этапу взаимодействия – запрос данных с опрашиваемого устройства. Опрашивающее устройство посылает команду запроса данных, состоящую из четырех байт – массив ASCII-кодов символов “RQST” (Request). Опрашиваемое устройство, получив один за другим четыре байта, сравнивает их с эталонным значением и если передача выполнена без ошибок, отправляет ответ, также состоящий из четырех байт – массив ASCII-кодов строки “CNFR” (Confirm). После получения подтверждения опрашивающее устройство переходит в режим ожидания массива информационных байтов. Опрашиваемое устройство после отправки подтверждения команды запроса данных передает текстовую строку из 50 байт, в которой содержатся значения запрашиваемых параметров. В данном случае тестовая строка, передаваемая между макетами устройств, выглядит так: “{"ID":1234,"U":123.456,"I":345.678,"R":567.890}”. Здесь содержится идентификатор устройства, а также значения измерения напряжения, тока и сопротивления.

Приняв 50 байт, радиоустройства переходят к третьему этапу взаимодействия – завершение соединения. Опрашивающее устройство подсчитывает количество принятых байтов. Когда оно становится равным 50, производится отправка сообщения с подтверждением успешного приема – четыре байта со строкой “CORR” (Correct). Если в процессе передачи произошел сбой, то отправляется строка “ERRO” (Error). Опрашиваемое устройство после приема подтверждения об успешной передаче переходит в режим блокировки на 30 сек, чтобы повторно не отвечать на команды опрашивающего устройства, пока оно не покинет зону радиоприема. При получении сообщения об ошибке производится повторная передача информационных байтов.

На рисунке 5 показаны осциллограммы передачи данных от опрашивающего (линия 1) и от опрашиваемого устройств (линия 2). Скорость передачи данных установлена 19,2 кБит/с. Общее время радиообмена составляет порядка 40 мс. Скорость передачи устанавливается при инициализации USART и может быть выставлена большей.

Рисунок 5. Процесс обмена данными между радиоустройствами

Обе стороны радиоинтерфейса, переходя в режим приема данных, включают защитный временной интервал. Если в течении этого периода времени новые данные не поступают, то ожидающее радиоустройство сбрасывает соединение и переходит в начальное состояние: опрашивающее – посылка вызывных кодов, опрашиваемое – ожидание вызова.

На рисунке 6 показан результат регистрации на ПК, переданных по радиоканалу данных.

Рисунок 6. Регистрация передаваемой информации на ПК

Опрашивающее устройство несколько раз выполнило считывание данных со второго радиоустройства в автоматическом режиме и передало по интерфейсу USB эти данные на ПК.

Выполненная работа показала, что созданные макеты радиоустройств могут быть успешно применены для дальнейшего решения задачи по беспроводному считыванию информации с напольных и других объектов железнодорожной инфраструктуры. Из практических выводов можно выделить то, что в условиях электрифицированных железных дорог мощности радиопередатчика 10 мВт, вероятно, будет недостаточно, чтобы в полной мере противостоять электромагнитным помехам.

Дальнейшая работа по улучшению радиоинтерфейса состоит в добавлении адресации радиоустройств и шифрования передаваемых данных. Адресация необходима при опросе нескольких устройств, находящихся в зоне видимости одного опрашивающего устройства. Шифрование должно скрыть содержание передаваемых данных от возможного злоумышленника.

Список литературы:

1. Головин О.В. Устройства генерирования, формирования, приема и обработки сигналов. Учебное пособие для вузов. – М.: Горячая линия – Телеком, 2012. – 783 с., ил.
2. Распоряжение Правительства РФ от 17.06.2008 № 877-р «О Стратегии развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 года» – [Электронный ресурс]. – Режим доступа. – URL: http://doc.rzd.ru/doc/public/ru?STRUCTURE_ID=704&layer_id=5104&id=3997 (Дата обращения 20.05.2016).
3. LPD433 – [Электронный ресурс]. – Режим доступа. – URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/LPD433 (Дата обращения 20.05.2016).
4. STM32F405xx, STM32F407xx – [Электронный ресурс]. – Режим доступа. – URL: http://www.st.com/resource/en/datasheet/stm32f405rg.pdf (Дата обращения 20.05.2016). – 201 с.