基于無線通信的站臺安全門智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

周 超，陳 棟，魏耀南，劉 磊

(1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 電子計算技術(shù)研究所，北京 100081；2.北京經(jīng)緯信息技術(shù)有限公司，北京 100081；3.鐵科院（北京）工程咨詢有限公司，北京 100081)

站臺安全門是城市軌道交通中重要的安全防護(hù)設(shè)備，使軌道區(qū)與站臺候車區(qū)相對獨(dú)立，保障乘客候車安全，降低了地鐵列車給站臺帶來的噪聲污染，為乘客提供了舒適的候車環(huán)境[1]。目前，國內(nèi)外的站臺安全門監(jiān)控系統(tǒng)都是僅安裝于設(shè)備房內(nèi)[2]，需要有值班人員職守，時刻對控制設(shè)備、門體、信號系統(tǒng)等的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，保障列車門與站臺安全門的正常聯(lián)動動作和站臺安全門門體的正常工作。

關(guān)于站臺安全門監(jiān)控系統(tǒng)的研究已經(jīng)取得了一些成果，文獻(xiàn)[3]研究了站臺安全門監(jiān)控系統(tǒng)仿真平臺搭建的可行性，廣州地鐵公司在廣州一號線地鐵站臺安全門加裝工程中研究了無線擴(kuò)頻技術(shù)在車地?zé)o線通信中的使用[4]，但是關(guān)于無線通信傳輸技術(shù)如何在站臺安全門監(jiān)控系統(tǒng)的使用上相關(guān)研究較少。由于站臺安全門系統(tǒng)故障的突發(fā)性和隨機(jī)性，現(xiàn)行的條件下，工作人員無法現(xiàn)場快速查看設(shè)備關(guān)鍵部件參數(shù)和系統(tǒng)重要數(shù)據(jù)，導(dǎo)致故障排除效率較低，對地鐵運(yùn)營帶來了一定影響。此外，工作人員對滑動門調(diào)試時，只能通過門控單元（DCU）上按鍵進(jìn)行，有時限于DCU安裝位置，現(xiàn)場施工條件等原因，操作十分不便捷。同時，由于人體過于靠近滑動門，在調(diào)試過程中門體的突然運(yùn)動也會給工作人員帶來安全風(fēng)險。為實現(xiàn)站臺安全門設(shè)備的智能監(jiān)控與維保，本文對基于無線通信的站臺安全門智能監(jiān)控系統(tǒng)展開研究。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

基于無線通信的站臺安全門智能監(jiān)控系統(tǒng)主要由前端傳感器采集模塊、DCU、工控機(jī)和無線傳輸模塊、手持移動控制終端5部分組成。其總體架構(gòu)，如圖1所示。

圖1 站臺安全門智能監(jiān)控系統(tǒng)總體架構(gòu)

1.2 系統(tǒng)功能

站臺安全門控制系統(tǒng)由以下幾個部分組成，分別擁有著不同的控制權(quán)限和控制功能：（1）中央控制盤（PSC），是控制系統(tǒng)最核心的設(shè)備；(2)緊急控制盤（PEC），是在發(fā)生火災(zāi)等特殊情況下的操作設(shè)備；（3）就地控制盒(LCB)，是門單元發(fā)生網(wǎng)絡(luò)通信故障，電源故障等情況下，均可通過LCB使此門單元隔離；（4）DCU，控制單個滑動門動作；（5）就地控制盤（PSL），可以控制整側(cè)站臺安全門動作。PSC還連接不同專業(yè)設(shè)備的接口、門體單元、信號系統(tǒng)指令傳輸?shù)耐ㄐ趴偩€，完成上下側(cè)站臺安全門的控制、狀態(tài)監(jiān)視和故障報警功能[5]。

站臺安全門系統(tǒng)各部分的運(yùn)行狀態(tài)都集中在站臺安全門監(jiān)控系統(tǒng)中，通過該系統(tǒng)，運(yùn)營人員只能在設(shè)備室中掌握當(dāng)前車站站臺安全門系統(tǒng)的實時狀態(tài)與故障信息?；跓o線通信的站臺安全門智能監(jiān)控系統(tǒng)需要將上位機(jī)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、整理、分析、診斷，提供站臺安全門設(shè)備部件健康狀態(tài)和故障定位，方便維護(hù)人員準(zhǔn)確快速排除故障。系統(tǒng)在功能設(shè)計上將監(jiān)控狀態(tài)數(shù)據(jù)分為系統(tǒng)級數(shù)據(jù)管理模塊、站臺級數(shù)據(jù)管理模塊、單門級數(shù)據(jù)管理模塊3個部分。系統(tǒng)級數(shù)據(jù)包括信號系統(tǒng)數(shù)據(jù)和電源系統(tǒng)數(shù)據(jù)，主要監(jiān)視信號系統(tǒng)開關(guān)門指令、站臺安全門系統(tǒng)全閉鎖狀態(tài)、電源輸出電壓波動情況等重要信息。站臺級數(shù)據(jù)主要包括PSL數(shù)據(jù)和PEC數(shù)據(jù)，主要顯示PSL和PEC的操作狀態(tài)和互鎖信息。還有單門級數(shù)據(jù)，包括單門故障、單門報警、手動解鎖等數(shù)據(jù)，主要反映電磁鎖工作狀態(tài)、電機(jī)速度曲線、開關(guān)門遇阻等單門的狀態(tài)信息，同時,工作人員可通過智能監(jiān)控終端對門體發(fā)出控制命令，系統(tǒng)功能架構(gòu)，如圖2所示。

圖2 站臺安全門智能監(jiān)控系統(tǒng)功能架構(gòu)

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計

為滿足站臺安全門的部件監(jiān)測參數(shù)需求，系統(tǒng)使用了電壓傳感器、溫濕度傳感器、霍爾傳感器、限位傳感器等，傳感器模塊通過多路選擇器和 A/D 轉(zhuǎn)換，將采集到的各類數(shù)據(jù)實時發(fā)送給主控制器單元，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

2.2 門控單元設(shè)計

DCU是站臺安全門的門控單元控制器，采用模塊化設(shè)計的思想對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，門機(jī)驅(qū)動器（JWPD）和門機(jī)控制器（JWPC）是其核心組成部分，通過數(shù)據(jù)輸入輸出接口與外界設(shè)備如指示燈、蜂鳴器、電磁鎖、微動開關(guān)等聯(lián)通。JWPC和JWPD的核心處理單元是STM 32芯片，該芯片功能強(qiáng)大、功耗低，具有快速的數(shù)據(jù)處理能力，同時，DCU使用UCOS嵌入式操作系統(tǒng)，實時性強(qiáng)，可多任務(wù)操作。DCU通過硬線連接以及M odbus總線與PSC連接，接收開關(guān)門命令的控制和對門體數(shù)據(jù)采集后的上傳。DCU通過CAN總線對門機(jī)驅(qū)動器控制，采用SVPWM控制算法計算出調(diào)整電機(jī)電壓的PWM信號組[6]，由該信號控制功率器件的開關(guān)，從而控制電機(jī)的電壓輸入，達(dá)到調(diào)速的目的[7]，DCU的電氣原理，如圖4所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖4 DCU電氣原理圖

2.3 無線傳輸模塊設(shè)計

本文選用GSM模塊 M26作為無線通信中轉(zhuǎn)模塊。工控機(jī)接收Modbus傳輸?shù)臄?shù)據(jù)后，通過與M26的通信，可編程實現(xiàn)在串口端與網(wǎng)絡(luò)端之間提供高速雙向透明數(shù)據(jù)傳輸通道，方便用戶設(shè)備實現(xiàn)無線遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳輸[8]。

M26模塊具有豐富的接口，比如：開關(guān)機(jī)接口，串口，音頻接口，PCM接口，SIM接口，ADC接口，射頻接口，藍(lán)牙接口。其通用無線分組業(yè)務(wù)（GPRS）數(shù)據(jù)特性完全滿足系統(tǒng)的設(shè)計需要，GPRS上下行最大傳輸速度為85.6 kbps，編碼格式是CS-1，CS-2，CS-3和CS-4，支持通常用于PPP連接的密碼驗證協(xié)議（PAP），詢問握手認(rèn)證協(xié)議（CHAP），內(nèi)嵌協(xié)議包括：TCP，UDP，F(xiàn)TP，PPP，HTTP，NTP，MMS，SM TP，PING等，還支持非結(jié)構(gòu)化補(bǔ)充數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)[9]。M26模塊基本原理圖，如圖5所示。

圖5 M26模塊基本原理圖

無線傳輸功能的實現(xiàn)原理如下：（1）每個門控單元的數(shù)據(jù)通過M odbus總線匯總到工控機(jī)；（2）站臺安全門系統(tǒng)數(shù)據(jù)通過USART傳輸?shù)組26模塊，M26模塊將數(shù)據(jù)通過GPRS傳輸?shù)絎eb服務(wù)器；（3）W eb服務(wù)器與手持設(shè)備通過In ternet進(jìn)行連接和通信數(shù)據(jù)接收；（4）實現(xiàn)在手持設(shè)備端讀取信號系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、單個門體狀態(tài)監(jiān)控數(shù)據(jù)，也可通過手持設(shè)備發(fā)送控制命令對門體進(jìn)行控制，如門體開關(guān)門指令、自學(xué)習(xí)指令等。

在本文中，AT 指令是應(yīng)用在手持移動設(shè)備和與服務(wù)器之間用于連接與通信的指令， AT 指令即A ttention。 AT指令的命令行開頭必須是“AT”或“at”，結(jié)尾是，它的格式是“<回車><換行><響應(yīng)內(nèi)容><回車><換行>”。

發(fā)送數(shù)據(jù)到M26：

MCU：AT+QISEND=8 （8：要發(fā)送給M26的字節(jié)數(shù)）

M26：> （或者）ERROR

MCU：20181234

（發(fā)送的數(shù)據(jù)內(nèi)容）

M26：SEND OK （或者）SEND FAIL n

M26: +QIRDI: 0,1,0 （數(shù)據(jù)到達(dá)通知）

從M26中讀數(shù)據(jù)：

MCU: AT+QIRD=0,1,0,4 （4：要求讀取4個 byte）

M26: +Q IRD: 120.24.76.130:6800,TCP,4 2018 OK （2018：所讀數(shù)據(jù)）

MCU: AT+QIRD=0,1,0,4 （4：要求讀取4個 byte）

M26: +QIRD: 120.24.76.130:6800,TCP,4 1234 OK （1234：被讀取數(shù)據(jù)）

MCU: AT+QIRD=0,1,0,4 （4：讀取4個byte）

M26: OK （沒有相關(guān)數(shù)據(jù)被讀出）

3 系統(tǒng)試驗

站臺安全門智能監(jiān)控系統(tǒng)界面，如圖6所示，該界面將各個車站設(shè)備的狀態(tài)分塊顯示，并根據(jù)列車的編組信息動態(tài)配置界面中滑動門的編組情況，顯示了電源狀態(tài)、IBP狀態(tài)、PSL狀態(tài)、PSC狀態(tài)等重要的系統(tǒng)級和站臺級數(shù)據(jù)信息。

圖6 站臺安全門智能監(jiān)控系統(tǒng)界面

監(jiān)控系統(tǒng)無線終端DCU監(jiān)控界面如圖7所示，可顯示DCU的工作參數(shù)、門體報警狀態(tài)、故障狀態(tài)、工作狀態(tài)等重要單門級數(shù)據(jù)信息。

無論是與監(jiān)控主機(jī)還是門控單元進(jìn)行連接，都可查看參數(shù)管理界面。在與監(jiān)控主機(jī)連接時，可對整個站臺的門控單元進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和參數(shù)下載操作；在與門控單元進(jìn)行連接時，可對該DCU進(jìn)行操作。界面如圖8所示，選中DCU編號可讀取和下載該DCU的參數(shù)，每次只準(zhǔn)對一個DCU進(jìn)行操作。在遠(yuǎn)程控制欄中，可選擇需要控制的多個DCU編號，遠(yuǎn)程控制的指令包括：遠(yuǎn)程開門、遠(yuǎn)程關(guān)門和遠(yuǎn)程自學(xué)習(xí)。

圖7 站臺安全門智能監(jiān)控系統(tǒng)DCU監(jiān)控界面

圖8 站臺安全門智能監(jiān)控系統(tǒng)單門控制界面

4 結(jié)束語

站臺安全門智能監(jiān)控系統(tǒng)主要由前端傳感器采集模塊、DCU、工控機(jī)和無線傳輸模塊、手持移動控制終端5部分組成，提出使用GSM模塊M26通過AT編程實現(xiàn)串口端和網(wǎng)絡(luò)端的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、傳輸，比傳統(tǒng)無線傳輸實現(xiàn)方法更加簡單、安全、可靠。通過試驗室中對該系統(tǒng)的試驗測試表明，該系統(tǒng)可解決目前站臺安全門運(yùn)營過程數(shù)據(jù)監(jiān)控不及時、智能化程度低、工作人員維保效率差等問題，同時，系統(tǒng)具有較強(qiáng)的實時性、可靠性和安全性，并一定程度上降低了站臺安全門維護(hù)成本。