基于數字集群的地鐵車站廣播系統設計

李保全,陳 明

(河北遠東哈里斯通信有限公司,河北石家莊050200)

0 引言

現存的基于無線的地鐵車站廣播系統如調頻廣播系統、GSM手機廣播系統和專有頻段的手持機廣播系統都存在一定局限性,調頻廣播系統只能由廣播員在室內固定廣播,不能對現場情況及時通報;GSM手機廣播系統投資較高,且依賴GSM網絡;專有頻段的手持機廣播系統需要單獨設計無線信號覆蓋,限于成本和頻段使用限制,其信號覆蓋存在盲區,影響車站廣播效果。隨著反恐防災形勢的日益嚴峻,上述局限性亟待解決。因此,在無線數字集群系統被廣泛應用的地鐵領域,設計出成本低、廣播地點和范圍靈活、操作方便的基于數字集群的地鐵車站廣播系統意義重大,應用前景廣闊。

1 系統功能

針對應用需求,下面從系統主要功能和系統特點2個方面介紹基于數字集群的地鐵車站廣播系統的功能。

1.1 系統主要功能

車站廣播系統能夠實現無線手持臺通過車站廣播電臺終端進行車站廣播。系統主要功能如下:

①接收無線手持臺的廣播信令和語音,自動轉發給有線車站廣播系統。車站廣播電臺終端能夠接收基站覆蓋范圍內的無線手持臺的廣播請求,解析出廣播信令和廣播語音,并通過有線鏈路自動發送給與其在同一車站的有線車站廣播系統,控制有線車站廣播系統完成語音廣播;

②自動實現車站分區域廣播。為了有效控制廣播范圍,地鐵車站一般將整個車站區劃分為多個廣播區域,并且需要對選定的廣播區域單獨進行廣播,針對該需求,在無線手持臺上能夠方便的選擇不同的廣播區域通話組,并向車站廣播電臺終端發送廣播請求,車站廣播電臺終端能夠自動識別無線手持臺所使用的廣播區域通話組,并將該通話組映射為正確的廣播區域,進而通過對應的廣播信令控制有線車站廣播系統完成對指定區域的廣播;

③維護與有線車站廣播系統的通信鏈路。車站廣播電臺終端通過有線方式與有線車站廣播系統連接,并通過握手消息定時檢測雙方之間的通信鏈路。

1.2 系統特點

車站廣播系統具有如下特點:

①投資較少,只需要定制開發車站廣播電臺終端設備,地鐵現有的無線手持臺可以直接作為廣播發起設備,地鐵現有的有線車站廣播系統可以直接作為廣播播放設備,由于最大限度地利用了地鐵現有設備,所以系統建設成本較低;

②廣播地點不受限制,因為系統利用地鐵現有的無線數字集群網絡,該無線網絡為地鐵專用,在地鐵建設初期進行了詳細的覆蓋規劃和設計,其覆蓋范圍包括了所有站廳、站臺和隧道等區域,所以無線信號覆蓋盲區少,無線手持臺可以在任意地點發起無線廣播;

③廣播范圍靈活,無線手持臺能夠根據廣播范圍要求編入多個廣播區域通話組,在手持臺上選擇不同的廣播區域通話組即可對車站的不同區域進行廣播;

④自動接續,廣播用的無線手持臺操作方便,由于整個廣播過程的開始和結束控制對用戶是透明的,全部由車站廣播電臺終端自動完成,無線手持臺發起車站廣播的操作與常用的手持臺組呼操作相同,所以使用方便快捷,更能有效處理突發事件。

2 系統總體設計

基于數字集群的地鐵車站廣播系統將充分利用地鐵現有的數字集群網絡及其無線手持臺設備、有線車站廣播系統,設計和實現具有廣播控制和接入功能的“車站廣播電臺”,并對現有的無線手持臺和有線車站廣播系統進行必要的配置,從而實現無線手持臺隨時隨地的完成車站無線廣播。

2.1 系統組成

地鐵車站廣播系統由無線手持臺、數字集群基站、車站廣播電臺和有線車站廣播系統等設備組成,系統結構如圖1所示,其中車站廣播電臺是系統的核心設備,負責無線廣播的接入和控制,也是系統的重點設計內容。

圖1 系統結構示意圖

根據圖1的設計,無線手持臺發起廣播時,首先通過旋鈕選擇所需的廣播區域通話組,按下PTT(Push To Talk)發起無線組呼,該組呼通過數字集群標準的空中接口發送給車站廣播電臺,車站廣播電臺提取通話組信息和通話話音,以預先定義的2線音頻和RS422私有接口傳達給有線車站廣播系統,進而打開指定的車站區功放。

2.2 系統關鍵設計

為了最優地完成車站廣播通信過程,系統進行了如下關鍵設計:

①將數字集群系統中最常用的組呼、掃描功能引入車站廣播系統,直接利用數字集群的標準空中接口完成無線通信。組呼是一組用戶進行一對多的通信,用戶可以很簡單的選擇進入一個通話組,一旦選擇通話組,移動臺不需要任何動作,便可自動接收所有有關那個組的呼叫,要發起一個呼叫,用戶僅需按下PTT,[1]車站廣播電臺通過組呼接收廣播信息;掃描允許移動臺除了在自己的通話組工作外,可以監聽(掃描)所選其他通話組的通信[1],車站廣播電臺通過掃描實現分區域廣播。該設計最大限度的簡化了廣播發起者的操作,并有效保證了廣播的可靠性和成功率;

②最短化廣播建立時間。車站廣播電臺采用先進的ARM9處理器以及嵌入式Linux操作系統,開發嵌入式的多線程應用程序,在Linux操作系統中,線程具有高效性和可操作性,可以在共享內存空間中并發執行,大大減少了上下文切換的開銷。線程可分為用戶級線程與核心級線程[2],系統主要設計用戶級線程,包括專門的SB9600接口線程和車站廣播系統接口線程。SB9600接口線程從集群標準電臺的SB9600接口接收無線手持臺的廣播組呼信息,解析出廣播開始、廣播區域和廣播結束等關鍵指令,車站廣播系統接口線程將上述指令通過RS422物理接口發送給有線車站廣播系統;車站廣播電臺與車站廣播系統之間采用最優化的通信協議,所有指令長度均小于5字節,設計握手消息、廣播開始/確認消息、廣播結束/確認消息等。先進的軟硬件設計和最優的通信協議可以最短化廣播建立時間。

3 系統功能實現

車站廣播系統的核心設備是車站廣播電臺,系統功能實現側重該設備的軟硬件實現。車站廣播電臺采用2U機架式安裝結構,使用過程中無需人員值守。車站廣播電臺實物如圖2所示。

圖2 車站廣播電臺實物

3.1 硬件實現

車站廣播電臺硬件主要包括電源模塊、數字集群標準電臺、主控板和接口板,硬件組成如圖3所示。

圖3 車站廣播電臺硬件組成

其中電源模塊直接采用成熟的標準模塊;數字集群標準電臺為數字集群系統的無線電臺終端,開放SB9600和PEI接口供二次開發;接口板是定制開發的,提供車站廣播電臺所需的各種外部接口;主控板是車站廣播電臺的核心電路板,完全定制開發,主要實現如下功能:

①核心控制。由專門開發的ARM集成電路板實現,板上搭載 ARM9處理器、Flash、SDRAM 和Clock等芯片;

②音頻處理。由音頻放大電路和音頻控制電路實現;

③串口擴展。通過串口擴展芯片提供多個串口,用于SB9600接口和車站廣播系統接口等接口的通信;

④固件升級。通過以太網接口實現;

⑤二次電源轉換。將電源模塊輸出的+12 V轉換為主控板所需的+5 V、+3.3V。

3.2 軟件實現

車站廣播電臺軟件采用多線程技術和模塊化設計,每個模塊由一個線程來實現,主要的模塊包括主線程模塊、SB9600接收線程模塊、SB9600發送線程模塊、廣播消息接收線程模塊、廣播消息發送線程模塊和固件升級線程模塊等,詳細模塊劃分及模塊之間的關系如圖4所示。

圖4 軟件模塊關系

針對每個線程,軟件均實現了一個線程函數,主要的線程函數如下:

//廣播消息發送處理

static void*broadcast_send entry( void*r);

//廣播消息接收處理

static void*broadcast_rcv_entry( void*r);

//SB9600接口發送處理

static void*sb9600_send_ntry(void*r);

//SB9600接口接收處理

static void*sb9600_rcv_entry(void*r);

//主線程處理,程序入口

int MiniGUIMain(int argc,const char*argv[]);

廣播消息接收線程模塊、廣播消息發送線程模塊是實現系統功能的主要模塊,主要設計實現了如下的處理函數:

//根據無線手持臺的廣播信令生成要發送給車站廣播系統的消息,包括:開始消息(含廣播分區信息)、結束消息

static void do _minigui _msg (unsigned char GuangboData);

//創建要發送給車站廣播系統的消息隊列,包括鏈路維護消息

static int create_broadcast_send_queue( void);

//處理車站廣播系統對開始消息的應答消息

static void do_broadcast_begin_msg(unsigned int GuangboData);

//處理車站廣播系統對結束消息的應答消息

static void do_broadcast_end_msg(unsigned char GuangboData);

4 實驗結果分析

根據圖1系統結構示意圖,采用實際設備搭建測試實驗環境,重點驗證系統功能的可用性和成功率。主要進行了如下測試:

①無線手持臺對同一車站區域的廣播測試。在無線手持臺上選擇同一廣播區域通話組并按下PTT發起車站廣播,只要從有線車站廣播系統對應廣播區域的揚聲器聽到無線手持臺的廣播語音即可判定本次廣播成功,并記錄從無線手持臺按下PTT至聽到廣播語音所用的時間,即廣播建立時間,上述測試連續進行100次,成功率為100%,每次廣播建立時間＜1 s;

②無線手持臺對不同車站區域的廣播測試。在無線手持臺上選擇不同的廣播區域通話組并按下PTT發起車站廣播,只要從有線車站廣播系統對應廣播區域的揚聲器聽到無線手持臺的廣播語音即可判定本次廣播成功,并記錄廣播建立時間,上述測試連續進行100次,成功率為100%,每次廣播建立時間＜1 s;

③車站廣播電臺與有線車站廣播系統之間的通信鏈路維護測試。將車站廣播電臺與有線車站廣播系統通過線纜連接,當雙方設備均進入正常工作狀態后,使用監控軟件連續24小時監測雙方設備之間的通信鏈路,沒有出現通信中斷。

通過上述3項測試,驗證了系統功能的可用性和成功率。

5 結束語

針對地鐵領域現存的基于無線的車站廣播系統的局限性,介紹了基于數字集群的地鐵車站廣播系統的主要功能,并針對這些功能從系統組成和關鍵設計2個方面介紹了系統總體設計,然后通過重點討論系統核心設備車站廣播電臺的軟硬件實現說明了系統的功能實現,最后使用實際的測試實驗環境對系統進行了測試,通過實驗結果分析,驗證了系統功能的可用性和成功率。

工程實踐證明,基于數字集群的地鐵車站廣播系統投資少,廣播地點、廣播范圍靈活,操作簡便快捷,可廣泛應用于地鐵正常運營以及突發事件的處理;經過少量修改該系統也可應用到鐵路、機場、油田和公安等領域,應用前景廣闊。

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