基于無線通信的站臺(tái)安全門智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)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(jì)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(tái)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(tái)候車區(qū)相對(duì)獨(dú)立，保障乘客候車安全，降低了地鐵列車給站臺(tái)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(tái)安全門監(jiān)控系統(tǒng)都是僅安裝于設(shè)備房?jī)?nèi)[2]，需要有值班人員職守，時(shí)刻對(duì)控制設(shè)備、門體、信號(hào)系統(tǒng)等的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，保障列車門與站臺(tái)安全門的正常聯(lián)動(dòng)動(dòng)作和站臺(tái)安全門門體的正常工作。

關(guān)于站臺(tái)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(tái)安全門監(jiān)控系統(tǒng)仿真平臺(tái)搭建的可行性，廣州地鐵公司在廣州一號(hào)線地鐵站臺(tái)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(tái)安全門監(jiān)控系統(tǒng)的使用上相關(guān)研究較少。由于站臺(tái)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(chǎng)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(duì)地鐵運(yùn)營帶來了一定影響。此外，工作人員對(duì)滑動(dòng)門調(diào)試時(shí)，只能通過門控單元（DCU）上按鍵進(jìn)行，有時(shí)限于DCU安裝位置，現(xiàn)場(chǎng)施工條件等原因，操作十分不便捷。同時(shí)，由于人體過于靠近滑動(dòng)門，在調(diào)試過程中門體的突然運(yùn)動(dòng)也會(huì)給工作人員帶來安全風(fēng)險(xiǎn)。為實(shí)現(xiàn)站臺(tái)安全門設(shè)備的智能監(jiān)控與維保，本文對(duì)基于無線通信的站臺(tái)安全門智能監(jiān)控系統(tǒng)展開研究。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

基于無線通信的站臺(tái)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(dòng)控制終端5部分組成。其總體架構(gòu)，如圖1所示。

圖1 站臺(tái)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(tái)安全門控制系統(tǒng)由以下幾個(gè)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(gè)滑動(dòng)門動(dòng)作；（5）就地控制盤（PSL），可以控制整側(cè)站臺(tái)安全門動(dòng)作。PSC還連接不同專業(yè)設(shè)備的接口、門體單元、信號(hào)系統(tǒng)指令傳輸?shù)耐ㄐ趴偩€，完成上下側(cè)站臺(tái)安全門的控制、狀態(tài)監(jiān)視和故障報(bào)警功能[5]。

站臺(tái)安全門系統(tǒng)各部分的運(yùn)行狀態(tài)都集中在站臺(tái)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(tái)安全門系統(tǒng)的實(shí)時(shí)狀態(tài)與故障信息?；跓o線通信的站臺(tái)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(tái)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(jì)上將監(jiān)控狀態(tài)數(shù)據(jù)分為系統(tǒng)級(jí)數(shù)據(jù)管理模塊、站臺(tái)級(jí)數(shù)據(jù)管理模塊、單門級(jí)數(shù)據(jù)管理模塊3個(gè)部分。系統(tǒng)級(jí)數(shù)據(jù)包括信號(hào)系統(tǒng)數(shù)據(jù)和電源系統(tǒng)數(shù)據(jù)，主要監(jiān)視信號(hào)系統(tǒng)開關(guān)門指令、站臺(tái)安全門系統(tǒng)全閉鎖狀態(tài)、電源輸出電壓波動(dòng)情況等重要信息。站臺(tái)級(jí)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(jí)數(shù)據(jù)，包括單門故障、單門報(bào)警、手動(dòng)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(shí),工作人員可通過智能監(jiān)控終端對(duì)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(tái)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(shí)現(xiàn)

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

為滿足站臺(tái)安全門的部件監(jiān)測(cè)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(shí)時(shí)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(jì)

DCU是站臺(tái)安全門的門控單元控制器，采用模塊化設(shè)計(jì)的思想對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，門機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(shí)，DCU使用UCOS嵌入式操作系統(tǒng)，實(shí)時(shí)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(duì)門體數(shù)據(jù)采集后的上傳。DCU通過CAN總線對(duì)門機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制，采用SVPWM控制算法計(jì)算出調(diào)整電機(jī)電壓的PWM信號(hào)組[6]，由該信號(hào)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(jì)

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(shí)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(shí)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(jì)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(yàn)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(shí)現(xiàn)原理如下：（1）每個(gè)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(tái)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(shí)現(xiàn)在手持設(shè)備端讀取信號(hào)系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、單個(gè)門體狀態(tài)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，也可通過手持設(shè)備發(fā)送控制命令對(duì)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(dòng)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(gè) 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(gè) 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(gè)byte）

M26: OK （沒有相關(guān)數(shù)據(jù)被讀出）

3 系統(tǒng)試驗(yàn)

站臺(tái)安全門智能監(jiān)控系統(tǒng)界面，如圖6所示，該界面將各個(gè)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(dòng)態(tài)配置界面中滑動(dòng)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(jí)和站臺(tái)級(jí)數(shù)據(jù)信息。

圖6 站臺(tái)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(bào)警狀態(tài)、故障狀態(tài)、工作狀態(tài)等重要單門級(jí)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(shí)，可對(duì)整個(gè)站臺(tái)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(shí)，可對(duì)該DCU進(jìn)行操作。界面如圖8所示，選中DCU編號(hào)可讀取和下載該DCU的參數(shù)，每次只準(zhǔn)對(duì)一個(gè)DCU進(jìn)行操作。在遠(yuǎn)程控制欄中，可選擇需要控制的多個(gè)DCU編號(hào)，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(tái)安全門智能監(jiān)控系統(tǒng)DCU監(jiān)控界面

圖8 站臺(tái)安全門智能監(jiān)控系統(tǒng)單門控制界面

4 結(jié)束語

站臺(tái)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(dòng)控制終端5部分組成，提出使用GSM模塊M26通過AT編程實(shí)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(shí)現(xiàn)方法更加簡(jiǎn)單、安全、可靠。通過試驗(yàn)室中對(duì)該系統(tǒng)的試驗(yàn)測(cè)試表明，該系統(tǒng)可解決目前站臺(tái)安全門運(yùn)營過程數(shù)據(jù)監(jiān)控不及時(shí)、智能化程度低、工作人員維保效率差等問題，同時(shí)，系統(tǒng)具有較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性、可靠性和安全性，并一定程度上降低了站臺(tái)安全門維護(hù)成本。