網(wǎng)絡(luò)數(shù)字廣播在地鐵車站PIS系統(tǒng)中的應(yīng)用

曾 浩，毛 雨，陳 倫

(1.重慶郵電大學(xué)，重慶 400065;2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三研究所，北京 100015)

0 引言

乘客信息系統(tǒng)(Passenger Information System，PIS)是當(dāng)今地鐵建設(shè)中的重要組成部分。它是以多媒體網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心，各終端為媒介向乘客提供信息服務(wù)的系統(tǒng)［1］。目前國(guó)內(nèi)地鐵建設(shè)發(fā)展迅速，車站PIS系統(tǒng)日臻完善，但PIS系統(tǒng)中的車站公共廣播系統(tǒng)仍以模擬為主，布線復(fù)雜，成本較高，不便于遠(yuǎn)程播放管理和信息的靈活發(fā)布［2］。隨著Internet技術(shù)的發(fā)展，IP網(wǎng)絡(luò)技術(shù)帶來(lái)的高速的傳輸和處理能力已經(jīng)普遍影響和改變著各個(gè)技術(shù)領(lǐng)域，并隨之產(chǎn)生很多新的應(yīng)用。新一代的地鐵車站信息系統(tǒng)的發(fā)展也極大地依托了IP網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

地鐵車站中的基于網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)字式分區(qū)廣播仍屬于公共廣播范疇。近些年，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高速發(fā)展，全盤由計(jì)算機(jī)控制管理和以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)的數(shù)字公共廣播系統(tǒng)陸續(xù)進(jìn)入市場(chǎng)，在車站PIS系統(tǒng)中設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)數(shù)字分區(qū)廣播系統(tǒng)是今后車站PIS系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢(shì)［3］。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括PC服務(wù)器模塊、以太網(wǎng)傳輸模塊和編解碼硬件終端模塊。一條地鐵線路包括不同的車站，每個(gè)車站對(duì)其分區(qū)，例如進(jìn)出站口、換乘通道、候車站臺(tái)、服務(wù)區(qū)等(在本系統(tǒng)中暫以1，2，3，4區(qū)代替)。不同區(qū)域可自由分組，對(duì)不同區(qū)或不同組進(jìn)行廣播。系統(tǒng)語(yǔ)音數(shù)據(jù)流以及硬件控制數(shù)據(jù)采用以太網(wǎng)傳輸。傳輸過(guò)程中加入三層交換機(jī)可以進(jìn)行跨局域網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)控制中心可以對(duì)某站某區(qū)域進(jìn)行直接廣播。根據(jù)這些特點(diǎn)，給出系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是每個(gè)終端都分配了IP地址，通過(guò)IP尋址實(shí)現(xiàn)靈活管理播放。每個(gè)車站的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本相同(圖1中主要描述A車站的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu))。整條線路包括總控制中心和每個(gè)車站的分控中心，控制中心服務(wù)器上安裝本系統(tǒng)的控制軟件可以對(duì)各個(gè)小區(qū)終端實(shí)現(xiàn)管理和廣播。因?yàn)榉?wù)器端軟件具有良好的擴(kuò)展性，所以總中心和分控中心可以安裝同一套控制軟件。控制中心主要提供前段語(yǔ)音源的采集和輸入(包括傳聲器、計(jì)算機(jī)內(nèi)音頻文件、DVD語(yǔ)音等)，在服務(wù)器端選擇播放區(qū)域后音頻文件直接進(jìn)入以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)傳輸，服務(wù)器播放區(qū)域的選擇程序里都配置了各個(gè)終端的IP地址，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)以太網(wǎng)傳輸至指定的播放終端。終端除實(shí)現(xiàn)播放功能以外還可采集語(yǔ)音(有安裝按鈕控制的傳聲器)，可以實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能，與控制中心連接通話。

1.2 系統(tǒng)通信設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)傳輸文件的特點(diǎn)，選擇基于UDP的TFTP協(xié)議實(shí)現(xiàn)客戶端與服務(wù)器端的通信過(guò)程。簡(jiǎn)單文件傳輸協(xié)議TFTP(Trivial File Transfer Protocol)是基于socket網(wǎng)絡(luò)編程，可實(shí)現(xiàn)文件的上傳(put)和下載(get)兩種類型的傳輸功能。在實(shí)際傳輸過(guò)程中，將編解碼終端設(shè)置為服務(wù)器，PC端設(shè)置為客戶端來(lái)實(shí)現(xiàn)通信，即PC對(duì)終端廣播的過(guò)程實(shí)際是TFTP協(xié)議中客戶端向服務(wù)器上傳(put)文件的過(guò)程，終端對(duì)PC端發(fā)送數(shù)據(jù)則是客戶端從服務(wù)器下載(get)的過(guò)程，通過(guò)數(shù)據(jù)流的傳輸實(shí)現(xiàn)了分區(qū)廣播的功能，其流程如圖2所示。

圖2 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議通信流程

2 網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)的需求，終端編解碼器主要實(shí)現(xiàn)功能包括:1)通過(guò)以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù);2)解碼功能，將網(wǎng)絡(luò)上接收到的數(shù)字化音頻信號(hào)予以解碼并實(shí)現(xiàn)音頻輸出;3)編碼功能，終端有一個(gè)帶有開關(guān)的固定傳聲器，當(dāng)遇到緊急情況時(shí)可呼叫控制中心并通話。各個(gè)終端播放器采用相同的硬件結(jié)構(gòu)，根據(jù)系統(tǒng)功能需求，硬件設(shè)備主要由微控制器(MCU)、以太網(wǎng)收發(fā)器(PHY)、音頻編解碼芯片和電源等幾個(gè)模塊組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 終端編解碼器硬件結(jié)構(gòu)框圖

主控芯片采用 STMicroelectronics公司的STM32F107VCT6，該芯片是整個(gè)系統(tǒng)的核心，控制其他包括存儲(chǔ)器、網(wǎng)絡(luò)接口、LCD、編解碼芯片等單元。設(shè)計(jì)上整合了各種接口的網(wǎng)關(guān)設(shè)備，而且強(qiáng)化了音頻性能，可以從外部存儲(chǔ)器中讀取、解碼和輸出音頻信號(hào)。

以太網(wǎng)接口部分包括以太網(wǎng)控制器和以太網(wǎng)收發(fā)器PHY，本設(shè)計(jì)中STM32F107VCT6芯片內(nèi)部集成了以太網(wǎng)控制器，所以不必再專門連接以太網(wǎng)控制器而直接與物理器件PHY連接［4］。選用的PHY為SMSC公司的LAN8700。

單獨(dú)從終端電路板解碼MP3文件是不可能的，因?yàn)榻K端嵌入式設(shè)備的處理速度和資源等方面不能達(dá)到需求，所以要依賴于專用MP3解碼芯片，對(duì)其進(jìn)行控制，本系統(tǒng)中采用芬蘭VLSI公司的VS1003B來(lái)實(shí)現(xiàn)MP3解碼。VS1003B是一款有音頻編解碼功能的專業(yè)芯片，內(nèi)置音效處理功能，對(duì)傳聲器輸入或線路輸入的音頻信號(hào)進(jìn)行IMAADPCM編碼，它的解碼文件格式包括MP3和WMA等;該芯片內(nèi)置DAC和音頻放大電路可以驅(qū)動(dòng)30 Ω耳機(jī)，以上功能方便了電路的設(shè)計(jì)［5］。

此結(jié)構(gòu)中，LCD顯示模塊可以同步顯示廣播文件的一些重要數(shù)據(jù)和信息。在調(diào)試做好的PCB板時(shí)可先不連接以太網(wǎng)，從SD卡中讀取數(shù)據(jù)，調(diào)試好電路板的編解碼功能，再連接以太網(wǎng)接口便可測(cè)試并實(shí)現(xiàn)服務(wù)器端的數(shù)據(jù)收發(fā)功能。

3 服務(wù)器端控制軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)的PC端服務(wù)器工作在Windows下，PC端控制軟件是在Microsoft VC++6.0平臺(tái)上開發(fā)的，突出了操作方便、高效的特點(diǎn)。PC端服務(wù)器工作的一個(gè)重要功能就是可以實(shí)現(xiàn)分區(qū)廣播，即對(duì)選定的播放區(qū)域進(jìn)行個(gè)性化的廣播，包括人工廣播和背景廣播。此外，當(dāng)遇到緊急情況時(shí)，可以強(qiáng)插緊急廣播［6］。

在服務(wù)器端程序設(shè)計(jì)中，在音頻數(shù)據(jù)前添加了一個(gè)結(jié)構(gòu)體，用來(lái)存儲(chǔ)各個(gè)終端的IP地址，代碼為:

當(dāng)需要對(duì)某個(gè)或某幾個(gè)區(qū)域進(jìn)行播放時(shí)，在對(duì)應(yīng)的界面中選擇播放區(qū)域(如圖4所示)，這時(shí)就可以將選定的終端通過(guò)IP地址從配置文件中讀取，從而賦予結(jié)構(gòu)體中的變量。當(dāng)終端收到數(shù)據(jù)封包首先判定是否與自己的IP地址對(duì)應(yīng)，如果是，則播放，否則拒絕。該方法不需要每次廣播都對(duì)終端跟蹤，只須當(dāng)終端第一次加入該系統(tǒng)時(shí)將對(duì)應(yīng)的IP地址寫入配置文件即可，后續(xù)每次登陸界面后就會(huì)直接顯示終端在線狀態(tài)并可選擇進(jìn)行廣播。系統(tǒng)綜合界面業(yè)務(wù)平臺(tái)如圖4所示，圓點(diǎn)(綠點(diǎn))表示終端在線，可對(duì)選擇好的區(qū)域進(jìn)行人工廣播和背景廣播。當(dāng)終端遇到緊急情況可按動(dòng)終端報(bào)警按鈕，緊急廣播對(duì)應(yīng)區(qū)域變?yōu)榧t點(diǎn)閃爍，然后可選擇連接通話。

圖4 PC端綜合業(yè)務(wù)平臺(tái)界面(截圖)

客戶端和服務(wù)器端設(shè)計(jì)完成后，可對(duì)文件的傳輸播放進(jìn)行測(cè)試，包括2個(gè)方面:1)文件質(zhì)量的測(cè)試，先用Ultra-Edit對(duì)需要傳輸?shù)奈募M(jìn)行包分析，然后通過(guò)wireshark軟件對(duì)傳輸?shù)倪^(guò)程進(jìn)行抓包后對(duì)比得出丟包數(shù);2)通過(guò)wireshark軟件判定傳輸包的速度與文件的位速(一個(gè)數(shù)據(jù)流中每秒通過(guò)的信息量)對(duì)比，大于文件位速即可高質(zhì)量播放，如普通MP3文件的位速為320 kbit/s，TFTP協(xié)議規(guī)定每個(gè)包為512 byte，通過(guò)wireshark軟件計(jì)算出每秒傳輸TFTP包的個(gè)數(shù)，從而判定傳輸速度是否能達(dá)到文件位速。圖5為部分TFTP封包傳輸過(guò)程中wireshark軟件的抓包截圖。測(cè)試結(jié)果表明，本系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)廣播文件在以太網(wǎng)環(huán)境下高質(zhì)量傳輸和流暢的音頻播放。

圖5 TFTP封包wireshark抓包截圖

4 小結(jié)

本文給出了一種適用于地鐵車站PIS系統(tǒng)的數(shù)字式分區(qū)廣播系統(tǒng)，并對(duì)其終端硬件和控制服務(wù)器端軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)經(jīng)過(guò)測(cè)試可實(shí)現(xiàn)對(duì)某一區(qū)域個(gè)性化廣播，傳輸質(zhì)量高，擴(kuò)展性強(qiáng)，具有較高的市場(chǎng)價(jià)值。這種基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和智能化控制的廣播系統(tǒng)，是今后車站PIS系統(tǒng)不斷完善和發(fā)展的必然要求。隨著網(wǎng)絡(luò)智能化的不斷提升，本系統(tǒng)的應(yīng)用范圍也將更加廣闊，如大型停車場(chǎng)、綜合寫字樓或商場(chǎng)等，其緊急報(bào)警和背景播放等功能將在信息發(fā)布領(lǐng)域中得到更廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。

［1］陳棟.地鐵乘客信息系統(tǒng)中無(wú)線局域網(wǎng)的研究與實(shí)現(xiàn)［D］.北京:北京交通大學(xué)，2006.

［2］ETSI TR 101496～3 v1.1.2.Digital Audio Broadcasting(DAB).Guidelines and rules for implementation and operation，part 3:broadcast network［S］.2001.

［3］鐘恭良.公共廣播的過(guò)去和現(xiàn)在(二)［J］.電聲技術(shù)，2005，29(6):45－49.

［4］陳昶.嵌入式MP3流IP數(shù)字廣播終端的研究與設(shè)計(jì)［D］.山西:太原理工大學(xué)，2008.

［5］曾衛(wèi)華.基于ARM－uClinux的網(wǎng)絡(luò)MP3設(shè)備的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2008(23):39－40.

［6］張乃謙，金立標(biāo).淺議中國(guó)開展緊急廣播建設(shè)應(yīng)具有的特點(diǎn)［J］.電視技術(shù)，2010，34(7):4－7.