BRT屏蔽門系統站點遠程監控終端設計

滿慶豐，張文楊，常磊

(北京航空航天大學 機械工程及自動化學院，北京 100191)

BRT屏蔽門系統站點遠程監控終端設計

滿慶豐，張文楊，常磊

(北京航空航天大學 機械工程及自動化學院，北京 100191)

設計了一種BRT屏蔽門系統的站點遠程監控終端。以STM32F407ZGT6作為主控芯片構建終端的硬件系統，闡述了網絡接口設計、本地存儲設計、CAN通信電路設計、無線遙控設計。終端在軟件上移植μC/OS-III系統，保證終端的多任務實時進行；移植LWIP，實現基于HTTP的網絡通信、遠程配置等功能。實驗結果表明，屏蔽門系統能正常工作，站點遠程監控的實時性、安全性較高。

STM32F407ZGT6；LWIP；BRT； μC/OS-III；遠程監控終端；HTTP

引 言

快速公交(Bus Rapid Transit)，是一種介于軌道交通和傳統公交之間的一種運輸方式，既具備軌道交通運量大、快捷、便利的特點，又具備傳統公交造價和營運成本低廉的優點[1-2]。屏蔽門系統，能夠為乘客提供安全、舒適的候車環境。目前，站臺屏蔽門系統已經在軌道交通中得到廣泛應用，并逐漸在BRT上推廣。而通過監控中心與站點的信息互聯，能有效地實現監控中心與各個站點系統之間的協調響應，進而提高BRT運行的自動化水平[3-4]。Internet技術的飛速發展，帶動了遠程監控技術的進步，基于Internet的遠程監控已經成為目前工控領域的研究熱點[5-7]。

本文以STM32F407ZGT6作為主控芯片，通過μC/OS-III+LWIP的嵌入式及以太網技術，設計屏蔽門系統站點監控終端。站點終端移植實時操作系統—μC/OS-III，保證終端的多任務實時進行；再移植小型TCP/IP協議棧LWIP，構建基于HTTP的站點終端與監控中心的以太網通信。在此基礎上，根據屏蔽門系統的工作需求設計完成站點數據存儲、無線通信、現場總線通信等模塊，實現了一種自動化程度高、成本低、安全、穩定、高效的屏蔽門系統站點終端單元。

1 BRT(Bus Rapid Transit,BRT)站點遠程監控終端硬件設計

根據模塊化設計的原則，將BRT屏蔽門控制系統分為主控部分(PGC)、門控部分(DCU)、車載遙控部分三大部分。PGC整合中央控制盤(PSC)、緊急控制盤(IBP)，完成人機交互、無線通信、數據存儲、站點遠程監控終端與監控中心通信等功能，PGC通過網絡線路與監控中心通信，通過無線通信方式與車載遙控部分通信，通過現場總線DCU連接。車載遙控部分在BRT到站以后向PGC發送開、關門命令，PGC接收其命令并向DCU發送相應開、關屏蔽門命令，完成屏蔽門開、關門的動作。DCU與PGC通過現場總線通信，接收PGC開、關門命令并控制相應直流無刷電機動作進行對應的響應，同時向PGC反饋各個屏蔽門的運行、故障狀態等。

BRT屏蔽門系統各個子站都一般布有可用的網絡線路，各個站點屏蔽門控制系統利用現有的網絡線路及Internet技術構建站臺遠程監控終端，實現站點遠程監控終端與監控中心的數據交互，響應監控中心發出的命令。同時各站點屏蔽門系統為了完成現場屏蔽門控制、數據存儲、狀態顯示等功能應該配置以下相應的內容：可靠、安全穩定的標準網絡接口；本地數據存儲；LCD狀態顯示及觸控；無線遙控；現場總線通信等。一般BRT屏蔽門系統結構框圖如圖1所示。

圖1 一般BRT屏蔽門系統結構框圖

圖2 站點PGC的系統結構圖

1.1 系統總體設計

本文主要研究與監控中心構建以太網通信的站點遠程監控終端、站點屏蔽門系統中的主控部分(PGC)，根據屏蔽門控制需求及以太網通信需求，得到系統的結構如圖2所示。PGC選擇STM32F407ZGT6微處理器作為主控芯片，該芯片集成FPU和DSP指令，擁有1個10/100M以太網MAC控制器、2個CAN總線等多種高性能標準接口。在MCU基礎上，利用已有的外設，設計相應的MCU外圍接口電路，在完成屏蔽門系統正常工作的同時，搭建站點終端與監控中心的HTTP通信，保障站點遠程監控的可靠性與穩定性。

1.2 網絡通信接口設計

STM32F407ZGT6芯片自身集成有以太網模塊，該模塊包括帶專用DMA控制器的MAC 802.3(介質訪問控制)控制器，支持 RMII (簡化介質獨立接口)和MII(介質獨立接口)，必須外接PHY芯片才能完成以太網通信。這里選用SMSC公司的LAN8720A芯片作為PHY芯片，該芯片具備高性能的10/100M以太網傳輸模塊，為了精簡引腳數量及獨立發送和接收數據路徑，LAN8720A芯片與MCU通過RMII接口相連。構建站點終端和監控中心的以太網通信時，PHY芯片LAN8720A充當物理層，STM32F407ZGT6自帶的MAC層充當數據鏈路層。圖3為以太網通信中STM32F407ZGT6與外接PHY芯片接口的電路圖，圖4為以太網通信中接出RJ45接口的電路圖。

1.3 本地存儲電路設計

站點屏蔽門系統中的數據存儲分為兩個方面：系統配置參數的存儲和屏蔽門運行數據的存儲。系統參數的存儲使用掉電數據不丟失的數據存儲方法，在STM32F407ZGT6中使用其內置的FLASH模擬EEPROM功能，保證系統的參數在掉電后不丟失，使用內部的D-Code數據總線訪問內置FLASH模塊，對其進行數據的讀/寫。

圖3 以太網通信接口圖

圖4 以太網通信RJ45接口圖

針對屏蔽門運行數據需要大量、快速存儲的需求，選用SD卡充當數據存儲設備。SD卡具備容量大、支持SDIO/SPI等多種驅動、數據傳輸快等優點。站點屏蔽門系統正常運行時，SD卡記錄屏蔽門的運行狀態及故障情況，根據站點需求再取出SD卡中的相應數據內容。這里，STM32F407ZGT6芯片通過SDIO接口與SD卡進行連接。

1.4 CAN通信電路設計

站點屏蔽門系統中， PGC不僅需要與監控中心構建以太網通信，還需要接收到達站點的BRT發出的開、關門指令，并將收到的開、關門指令通過CAN總線下發給站點上各個屏蔽門對應的DCU，由DCU控制電機轉動來實現相應屏蔽門的開、關門動作。這里選用NXP 公司的CAN收發芯片TJA1050，該芯片具備速率高、電磁抗干擾性強等特點。這里STM32F407ZGT6芯片通過收發芯片TJA1050接出CAN通信接口。

2 BRT站點遠程監控終端軟件設計

系統軟件設計的好壞直接決定了遠程監控終端的性能優劣。BRT站點遠程監控終端—站點屏蔽門控制系統PGC將站點屏蔽門的運行狀態和故障進行采集、處理及過濾以后，通過以太網將有效的數據信息實時發送給監控中心。

系統允許監控中心根據BRT運行線路調整、到站BRT開、關車身車門所需時間等實際情況，對各個站點進行遠程的參數配置、數據統計等。為了保證站點屏蔽門系統除以太網通信以外的正常工作，PGC端通過nRF24L01無線模塊接收到站BRT發出的屏蔽門開、關門指令并解析接收的無線命令數據，然后將解析后的有效信息發送給DCU控制開、關屏蔽門。

PGC端通過CAN總線與站點各個DCU構建CAN通信網絡，通過CAN總線控制DCU的方式，PGC間接控制各個屏蔽門的開、關門動作。在整個站點屏蔽門系統工作期間，TFTLCD觸摸屏在站點本地端實時監控現場的屏蔽門運行及故障狀態，完成本地端屏蔽門系統的狀態顯示和監控功能，同時本地端通過SD卡存儲的方式及時存儲屏蔽門系統的運行狀態及故障狀態。

為了方便系統的軟件設計及多任務實時運行，在系統PGC端移植μC/OS-III操作系統，同時為了滿足網絡通信的功能，在系統內移植TCP/IP協議棧LwIP。系統PGC的整體軟件設計結構，如圖5所示。

圖5 嵌入式整體軟件設計框圖

利用移植好的μC/OS-III系統及站點屏蔽門系統的功能需求，系統主要的任務模塊如圖6所示。以太網通信任務模塊依靠已經移植好的LwIP協議棧構建站點遠程監控終端與監控中心的以太網通信，根據LwIP這個TCP/IP協議棧實現傳輸層的TCP通信及運用層的HTTP服務，進而完成監控中心與站點遠程監控終端的實時數據通信、遠程參數配置及遠程數據統計等功能。

為了系統更加靈活地根據現場情況運行，創建本地端參數配置任務模塊，允許不同站點根據現場實際情況配置該站點的屏蔽門開門時間、關門時間等系統參數。無線控制任務模塊基于NRF24L01，接收來自BRT車載遙控端的開、關門指令，并將無線信息解碼后傳遞給CAN及數據存儲任務模塊；CAN及數據存儲任務模塊接收無線任務模塊或者觸摸屏人機交互任務模塊控制命令，給屏蔽門各個DCU下發控制屏蔽門開、關門直接命令，同時接收來自各個DCU端的屏蔽門運行狀態及故障狀態的反饋，在這一過程中利用SD卡記錄并存儲屏蔽門運行及故障狀態。觸摸屏人機交互任務模塊完成本地端屏蔽門運行及故障狀態的顯示及檢測，同時在無線任務故障時通過觸摸屏按鍵方式控制站點相應位置屏蔽門的開、關門。

圖6 μC/OS-III任務模塊劃分

根據各個任務模塊的需求依次編寫MAC驅動、PHY芯片驅動、CAN驅動等相應驅動，給用戶應用程序提供相應的API接口，便于各個任務模塊對所需要的硬件進行正確的訪問。軟件設計中各個任務之間通過μC/OS-III提供的信號量、消息隊列及部分全局變量進行系統任務間的任務同步、消息傳遞等任務間通信，通過μC/OS-III提供的任務調度、任務切換等功能保證實時操作系統μC/OS-III的正常運行。

2.1 系統應用工具移植

2.1.1 μC/OS-III操作系統

μC/OS-III作為一個嵌入式實時操作系統，擁有以下特點：沒有任務數量的限制、可剝奪、可同時等待多個內核對象、防止死鎖等功能[8]。為了減少移植的復雜性，在官網上下載μC/OS-III在STM32F4XX上移植好的工程文件，基于這個工程文件進行相應的修改，避免從零開始完整移植整個操作系統[9]。在下載到的工程模塊的基礎上進行必要的修改，舉例說明，修改板級支持包bsp.c，bsp.h文件內的系統時鐘、頭文件內容等。

2.1.2 LwIP網絡通信協議棧

LwIP是由SICS(瑞典計算機科學院)的Adam Dunkels等人開發的一個小型開源TCP/IP協議棧，只需大約13 KB的RAM和大約40 KB的ROM即可正常運行，因此其適合簡單的嵌入式系統運用。移植LwIP時，下載LwIP官方例程模板，并在ST官網上下載以太網庫[10]。結合例程模塊、μC/OS-III系統及相應的MAC、PHY等硬件驅動，添加并修改LwIP源文件及中間文件，裁剪及配置LwIP，進而移植好整個LwIP協議棧。

2.2 以太網通信模塊設計

以太網通信的網絡傳輸模型中，LAN8720A為物理層，STM32F407ZGT6自帶的MAC層為數據鏈路層，而LwIP提供的是網絡層、傳輸層的功能，運用層采用HTTP(Hypertext Transfer Protocol)服務，實現監控中心與站點遠程監控終端的實時通信、遠程參數配置及遠程數據統計等功能。

針對上述需求，監控中心和站點監控終端之間傳輸層采用面向連接、可靠的TCP協議，在編寫PHY芯片驅動、STM32F407ZGT6自帶的MAC層驅動等相應驅動層代碼的基礎上，利用移植好的LwIP搭建好以太網通信傳輸模型中的物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層。同時為了監控中心可以簡單、快捷、有效地監控各個屏蔽門系統的運行狀態，采用基于HTTP協議的應用層，使用Web瀏覽器直接訪問站點遠程監控終端，實現監控中心與監控終端的以太網通信及數據交互。

借助JS(JavaScript)技術、SSI(,服務器嵌入)技術及CGI(公共網關接口)技術，在Dreamweaver CS6軟件上使用HTML(Hypertext Markup Language)語言編寫監控中心的網頁端監控界面，其中包含BRT運行線路主界面、BRT站點狀態顯示界面、BRT站點數據查詢及統計界面、BRT站點遠程參數配置界面、BRT站點遠程控制界面。BRT運行線路主界面用于顯示整條BRT運行線路上所有站點，根據監控中心的監控需求點擊進入相應的站點屏蔽門系統界面；BRT站點狀態顯示界面用于實時監控當前站點監控終端的運行狀態及故障狀態；BRT站點數據查詢及統計界面用于查詢或者統計當前站點任意一個或者全部屏蔽門的開關門次數等站點歷史信息；BRT站點遠程參數配置界面用于監控中心針對BRT的實際情況配置各個站點的系統參數；BRT站點遠程控制界面用于允許監控中心對站點的屏蔽門進行相應的控制。

2.3 CAN及數據存儲模塊設計

系統PGC與站點上各個DCU通過CAN總線進行數據通信。在整個系統運行期間，依靠SD卡及FLASH進行系統的數據存儲。系統PGC端通過SDIO接口接入SD卡，在軟件上移植FATFS并將SD卡掛載在FATFS文件系統上。可以接收來自DCU的運行狀態及故障信息，根據信息的內容利用FATFS文件系統完成系統運行數據的本地存儲，同時還能接收來自網頁端參數配置命令，調用FLASH對應的API函數，進行系統參數的必要存儲。

2.4 無線控制模塊設計

配置系統PGC端為nRF24L01接收模式，車載遙控部分為發送模式。PGC負責接收車載遙控部分發送的開、關門無線命令，完成解碼和處理任務，控制站臺屏蔽門開、關門動作。

結 語

本文所設計的遠程監控終端—站點屏蔽門系統PGC具備以下特點：

① 以STM32F407ZGT6為主控芯片，充分利用現有外設，搭建站點終端，以較低的成本實現屏蔽門系統的工作需求，并完成與監控中心的HTTP通信。

② 基于μC/OS-III的實時操作系統，保證系統實現以太網通信、本地端參數配置、無線控制、CAN及數據存儲、觸摸屏人機交互等子任務獨立實時進行，實現了站點終端控制站點屏蔽門正常工作的可靠性、實時性，同時也確保監控中心與站點終端以太網通信的實時性、穩定性。

③ 以LwIP協議棧為基礎，運用HTML和JS技術設計基于HTTP服務的遠程通信界面，實現監控中心對站點終端的實時數據傳輸、遠程參數配置、數據統計等功能。

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滿慶豐(教授)，主要研究領域為現場總線控制系統及工業測控網絡技術、機電控制及自動化、嵌入式系統應用技術；張文楊、常磊(碩士研究生)，研究領域為嵌入式技術、工業測控及自動化。

圖9 SignalTap II采樣波形

結 語

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秦玉龍(講師)，主要研究方向為嵌入式系統、FPGA技術應用、信號處理。

(責任編輯：楊迪娜 收稿日期：2017-02-06)

Site Remote Monitoring Terminal for BRT Platform Screen Door System

Man Qingfeng,Zhang Wenyang,Chang Lei

(School of Mechanical Engineering&Automation,Beihang University,Beijing 100191,China)

In the paper,a remote site monitoring terminal of BRT platform screen door system is designed.The system takes STM32F407ZGT6 as CPU to build terminal hardware system.The network interface,local storage,wireless remote control and CAN communication circuit are introduced. The site terminal transplants the real-time operating system μC/OS-III in the software,it ensures that the terminal of the multi task in real-time.The protocol stack LWIP is transplanted to achieve the function of HTTP network communication and remote configuration.The experiment results show that the remote site monitoring terminal is running well,the site platform door system works normal and the real-time and safety of remote monitoring is high.

STM32F407ZGT6;LWIP;BRT;μC/OS-III;remote monitoring terminal;HTTP

TP273

A

?迪娜

2017-02-27)