快速公交與站臺(tái)門之間無線聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：快速公交BRT車輛在進(jìn)站停車和發(fā)車時(shí)需要與設(shè)置在站臺(tái)上的站臺(tái)門進(jìn)行同步的開關(guān)門動(dòng)作，為此設(shè)計(jì)了一套基于RFID無線射頻識(shí)別技術(shù)的聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由RFID單元、PLC控制器單元、DCU門控單元、PSA上位監(jiān)控單元等組成。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)能夠準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)車輛門與站臺(tái)門的無線聯(lián)動(dòng)，并能實(shí)時(shí)監(jiān)控和記錄各個(gè)在線設(shè)備的狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：快速公交BRT；站臺(tái)門；RFID無線射頻識(shí)別技術(shù)；RFID單元；PLC控制器單元 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：U270 文章編號(hào)：1009-2374（2017）10-0018-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.10.009

目前快速公交BRT車輛與站臺(tái)門之間的無線聯(lián)動(dòng)設(shè)計(jì)大多采用紅外、ZigBee、攝像等技術(shù)。考慮到現(xiàn)場(chǎng)開放式全天候運(yùn)營(yíng)工況環(huán)境，以上技術(shù)固有的缺陷無法滿足準(zhǔn)確聯(lián)動(dòng)，比如紅外技術(shù)受限于發(fā)射器與接收器之間的紅外感應(yīng)角度較小且不能有障礙物遮擋；ZigBee無線技術(shù)在短距離定位上，精度和重復(fù)度無法保證；攝像技術(shù)通過捕捉視頻采樣照片識(shí)別公交車輛，易受現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際環(huán)境制約，造成誤判等。本文設(shè)計(jì)了一套基于RFID無線射頻識(shí)別技術(shù)的聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)方案，包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩大部分，為BRT與站臺(tái)門之間實(shí)現(xiàn)高效而安全的運(yùn)營(yíng)創(chuàng)造條件。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要由RFID單元、PLC控制器單元、DCU門控單元、PSA上位監(jiān)控單元組成。系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖1所示：

1.1 RFID單元設(shè)計(jì)

RFID單元硬件主要由TAG車載標(biāo)簽、Reader閱讀器、天線等組成。標(biāo)簽采用全向天線，安放在車輛儀表盤內(nèi)預(yù)留位置處并設(shè)置輸入點(diǎn)（開門信號(hào)、關(guān)門信號(hào)、故障反饋等）和輸出點(diǎn)（開到位、關(guān)到位、故障報(bào)警等），標(biāo)簽通過輸入點(diǎn)采集司機(jī)按鈕操作信號(hào)，通過輸出點(diǎn)指示站臺(tái)門動(dòng)作狀態(tài)及報(bào)警。閱讀器安裝在站臺(tái)門固定側(cè)盒內(nèi)，設(shè)置控制和通訊端口且與PLC控制器進(jìn)行連接，完成無線收發(fā)數(shù)據(jù)向PLC有線信號(hào)的轉(zhuǎn)換。其中供電部分由就地電源模塊提供，即標(biāo)簽由車載電源供電，閱讀器由站臺(tái)門電源供電。

RFID單元硬件除由以上組成外，另外跟隨BRT車輛為司機(jī)配備了一個(gè)無線遙控器，內(nèi)置鋰電池、TAG標(biāo)簽及I/O口，作為司機(jī)緊急備用操作時(shí)使用。

RFID單元軟件通過PC機(jī)串口與閱讀器連接，使用自定義協(xié)議對(duì)閱讀器及標(biāo)簽相關(guān)參數(shù)進(jìn)行讀寫。主要參數(shù)包括設(shè)置閱讀器及標(biāo)簽唯一ID號(hào)（用于識(shí)別閱讀器和標(biāo)簽的物理屬性）、設(shè)置RF衰減值（通過對(duì)射頻高頻信號(hào)2.4GHz的修改達(dá)到控制閱讀器與標(biāo)簽磁場(chǎng)感應(yīng)距離目的）、設(shè)置RSSI門限（通過對(duì)射頻低頻信號(hào)125kHz的修改達(dá)到控制標(biāo)簽是否被激活的目的）。

RFID單元工作機(jī)制如下：（1）閱讀器及標(biāo)簽供電；（2）閱讀器開始以特定頻率發(fā)射低頻觸發(fā)信號(hào)，同時(shí)開始掃描區(qū)域內(nèi)標(biāo)簽信號(hào)；（3）當(dāng)車載標(biāo)簽進(jìn)入閱讀器觸發(fā)信號(hào)范圍，接收到觸發(fā)信號(hào)后，標(biāo)簽以高頻向閱讀器發(fā)送數(shù)據(jù)；（4）數(shù)據(jù)內(nèi)容包括標(biāo)簽ID、觸發(fā)器ID、標(biāo)簽以及閱讀器被觸發(fā)時(shí)的I/O狀態(tài)和場(chǎng)強(qiáng)值；（5）閱讀器穩(wěn)定收到標(biāo)簽數(shù)據(jù)一段時(shí)間（該時(shí)間段可調(diào)）后，通過I/O端口采集站臺(tái)門狀態(tài)并發(fā)送開關(guān)門命令，通過無線磁場(chǎng)耦合傳輸給標(biāo)簽；（6）區(qū)域內(nèi)標(biāo)簽被低頻信號(hào)激活一段時(shí)間（該時(shí)間段可調(diào)）后，通過I/O端口發(fā)送司機(jī)開關(guān)門命令并采集站臺(tái)門狀態(tài)，通過無線磁場(chǎng)耦合傳輸給閱讀器；（7）閱讀器通過串口與PLC控制器連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)全雙工讀寫。

1.2 PLC控制器單元設(shè)計(jì)

PLC控制器單元主要由CPU中央處理器、I/O模塊、通訊模塊等組成。CPU負(fù)責(zé)軟件算法及邏輯編程，I/O模塊負(fù)責(zé)外部輸入信號(hào)采集及數(shù)字邏輯信號(hào)的輸出，通訊模塊負(fù)責(zé)與RFID閱讀器、DCU門控器、PSA上位監(jiān)控單元之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

PLC軟件編程主要由以下功能模塊組成：（1）DCU門控器I/O邏輯處理功能塊，用于開關(guān)門命令及狀態(tài)的互鎖邏輯處理；（2）RFID單元I/O邏輯處理功能塊，用于開關(guān)門命令及反饋狀態(tài)的采集和數(shù)字濾波處理；（3）RFID單元參數(shù)自適應(yīng)調(diào)整功能塊，根據(jù)標(biāo)簽與閱讀器之間磁場(chǎng)強(qiáng)度值動(dòng)態(tài)調(diào)整RF及RSSI門限，吸納環(huán)境因素帶來的定位距離漂移誤差，確保標(biāo)簽與閱讀器之間建立起有效的磁場(chǎng)通道；（4）PSA監(jiān)控單元數(shù)據(jù)采集功能塊，PLC通過串口與PSA連接，通訊協(xié)議采用標(biāo)準(zhǔn)的MODBUS-RTU，按照03（讀寫）、04（只讀）功能碼傳輸相關(guān)變量；（5）故障診斷功能塊，用于分析在線設(shè)備包括RFID單元、DCU單元、PLC單元、PSA單元等各種故障報(bào)警及原因追述。

1.3 DCU門控器單元設(shè)計(jì)

DCU是站臺(tái)滑動(dòng)門電機(jī)的監(jiān)控裝置，每道滑動(dòng)門單元配置一套DCU門控單元，控制兩扇滑動(dòng)門動(dòng)作。門控單元主要由控制驅(qū)動(dòng)器、開關(guān)電源、接口單元及驅(qū)動(dòng)與控制軟件等組成。驅(qū)動(dòng)器負(fù)責(zé)電機(jī)電流、速度、位置曲線的檢測(cè)和計(jì)算，完成站臺(tái)門門體動(dòng)作的加減速曲線。

（1）控制器負(fù)責(zé)I/O信號(hào)采集和輸出（開關(guān)門命令、站臺(tái)門運(yùn)動(dòng)狀態(tài)反饋、位置反饋、各種故障狀態(tài)等），并完成1#DCU與N#DCU之間CAN通訊以及與PLC控制器之間的RS485通訊；（2）驅(qū)動(dòng)器負(fù)責(zé)電機(jī)電流、速度、位置曲線的檢測(cè)和計(jì)算，完成站臺(tái)門門體動(dòng)作的加減速曲線；（3）開關(guān)電源負(fù)責(zé)將站臺(tái)供電，諸如AC220V或DC110V等轉(zhuǎn)換成DCU控制驅(qū)動(dòng)器所需要的工作電源；（4）接口單元主要包括硬件I/O接口和通訊接口。其中I/O接口由單門操作盒LCB、整側(cè)站臺(tái)門操作箱PSL、就地狀態(tài)門頭燈DOI等組成，通訊接口由DCU之間的CAN通訊和DCU與PLC之間的RS485通訊組成；（5）驅(qū)動(dòng)控制軟件包括I/O邏輯控制和電機(jī)三環(huán)控制。負(fù)責(zé)站臺(tái)滑動(dòng)門按照設(shè)定的速度曲線實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的實(shí)時(shí)控制，能夠根據(jù)門體在安裝后滑動(dòng)門體推拉阻力的偏差，自動(dòng)修正速度曲線，使滑動(dòng)門到達(dá)規(guī)定的開關(guān)門時(shí)間。

1.4 PSA上位監(jiān)控單元設(shè)計(jì)

PSA上位監(jiān)控單元主要由通訊驅(qū)動(dòng)模塊、數(shù)據(jù)監(jiān)控模塊、數(shù)據(jù)庫模塊、故障報(bào)警模塊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模塊組成。通訊驅(qū)動(dòng)模塊負(fù)責(zé)解析PLC控制器設(shè)備層數(shù)據(jù)通訊協(xié)議及點(diǎn)表內(nèi)容，數(shù)據(jù)監(jiān)控模塊負(fù)責(zé)在線設(shè)備所有數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集并進(jìn)行相關(guān)參數(shù)設(shè)置，數(shù)據(jù)庫模塊完成歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、歸檔、查詢，故障報(bào)警模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)變量的實(shí)時(shí)及邏輯報(bào)警。

（1）通訊驅(qū)動(dòng)模塊主要負(fù)責(zé)下位設(shè)備層數(shù)據(jù)與上位監(jiān)控PSA之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換與內(nèi)容傳輸，包括串口自定義協(xié)議、標(biāo)準(zhǔn)MODBUS-RTU、MODBUS-TCP等；（2）數(shù)據(jù)監(jiān)控模塊包括用戶管理、監(jiān)視畫面編輯與發(fā)布、變量篩選及存儲(chǔ)、工藝流程VBS腳本開發(fā)等；（3）數(shù)據(jù)庫模塊主要用于變量及報(bào)警記錄的歸檔和查詢，包括實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫；（4）故障報(bào)警模塊負(fù)責(zé)對(duì)在線設(shè)備，諸如RFID、DCU、PLC等單元進(jìn)行實(shí)時(shí)故障診斷，對(duì)故障按級(jí)別進(jìn)行分類顯示和處理。同時(shí)加入自學(xué)習(xí)算法，對(duì)故障部位、部件及次數(shù)等變量參數(shù)進(jìn)行函數(shù)統(tǒng)計(jì)和計(jì)算，自動(dòng)估算易損件類型和預(yù)更換時(shí)間等；（5）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模塊主要負(fù)責(zé)與二級(jí)計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)，諸如綜合監(jiān)控ISCS進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，即將站臺(tái)級(jí)的數(shù)據(jù)按照規(guī)約篩選后匯總到數(shù)據(jù)集控中心，便于集控中心對(duì)所有BRT站點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控。

2 結(jié)語

當(dāng)快速公交BRT越來越多地服務(wù)于各大城市時(shí)，它的快捷性、安全性、高效性受到了嚴(yán)格的考驗(yàn)。站臺(tái)門作為公交車與乘客之間的安全屏障，如何實(shí)現(xiàn)在全天候工況下與BRT車輛精準(zhǔn)而穩(wěn)定的聯(lián)動(dòng)，讓司機(jī)進(jìn)站及出站時(shí)可以實(shí)時(shí)掌握站臺(tái)門狀態(tài)并提前做出預(yù)案，讓乘客可以安全上下車，節(jié)約車輛駐車等待時(shí)間等要求，需要通過成熟、可靠、安全的系統(tǒng)設(shè)計(jì)來保證。系統(tǒng)中采用RFID無線射頻識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)了BRT車輛與站臺(tái)門之間的無線對(duì)話，并通過系統(tǒng)中核心門控DCU單元以及PSA上位監(jiān)控單元，使就地車輛司機(jī)、乘客和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)集控中心可以實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)全過程掌控車輛及站臺(tái)門狀態(tài)，最終讓司機(jī)操作簡(jiǎn)單，乘客上下車快捷，讓作為后臺(tái)的數(shù)據(jù)集控中心做出高效的行車安排和調(diào)度。

參考文獻(xiàn)

[1] 石蕾，陳敏雅.RFID系統(tǒng)中閱讀器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電腦開發(fā)與應(yīng)用，2008，（7）.

[2] 郎為民.射頻識(shí)別（RFID）技術(shù)原理與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[3] 城市軌道交通技術(shù)規(guī)范（GB 50490-2009）[S].

[4] 張鳳珊.電氣控制及可編程序控制器（2版）[M].北京：中國(guó)輕工業(yè)出版社，2003.

[5] 羅永道，張?jiān)粕?通用組態(tài)軟件在實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的應(yīng)用[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2004，（10）.

作者簡(jiǎn)介：趙忠（1981-），男，上海人，上海嘉成軌道交通安全保障系統(tǒng)股份公司工程師，研究方向：軌道交通站臺(tái)門電氣自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)及研發(fā)、上位機(jī)SCADA監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

（責(zé)任編輯：黃銀芳）