基于數(shù)字集群的地鐵車(chē)站廣播系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李保全,陳 明

(河北遠(yuǎn)東哈里斯通信有限公司,河北石家莊050200)

0 引言

現(xiàn)存的基于無(wú)線的地鐵車(chē)站廣播系統(tǒng)如調(diào)頻廣播系統(tǒng)、GSM手機(jī)廣播系統(tǒng)和專(zhuān)有頻段的手持機(jī)廣播系統(tǒng)都存在一定局限性,調(diào)頻廣播系統(tǒng)只能由廣播員在室內(nèi)固定廣播,不能對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況及時(shí)通報(bào);GSM手機(jī)廣播系統(tǒng)投資較高,且依賴(lài)GSM網(wǎng)絡(luò);專(zhuān)有頻段的手持機(jī)廣播系統(tǒng)需要單獨(dú)設(shè)計(jì)無(wú)線信號(hào)覆蓋,限于成本和頻段使用限制,其信號(hào)覆蓋存在盲區(qū),影響車(chē)站廣播效果。隨著反恐防災(zāi)形勢(shì)的日益嚴(yán)峻,上述局限性亟待解決。因此,在無(wú)線數(shù)字集群系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用的地鐵領(lǐng)域,設(shè)計(jì)出成本低、廣播地點(diǎn)和范圍靈活、操作方便的基于數(shù)字集群的地鐵車(chē)站廣播系統(tǒng)意義重大,應(yīng)用前景廣闊。

1 系統(tǒng)功能

針對(duì)應(yīng)用需求,下面從系統(tǒng)主要功能和系統(tǒng)特點(diǎn)2個(gè)方面介紹基于數(shù)字集群的地鐵車(chē)站廣播系統(tǒng)的功能。

1.1 系統(tǒng)主要功能

車(chē)站廣播系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)線手持臺(tái)通過(guò)車(chē)站廣播電臺(tái)終端進(jìn)行車(chē)站廣播。系統(tǒng)主要功能如下:

①接收無(wú)線手持臺(tái)的廣播信令和語(yǔ)音,自動(dòng)轉(zhuǎn)發(fā)給有線車(chē)站廣播系統(tǒng)。車(chē)站廣播電臺(tái)終端能夠接收基站覆蓋范圍內(nèi)的無(wú)線手持臺(tái)的廣播請(qǐng)求,解析出廣播信令和廣播語(yǔ)音,并通過(guò)有線鏈路自動(dòng)發(fā)送給與其在同一車(chē)站的有線車(chē)站廣播系統(tǒng),控制有線車(chē)站廣播系統(tǒng)完成語(yǔ)音廣播;

②自動(dòng)實(shí)現(xiàn)車(chē)站分區(qū)域廣播。為了有效控制廣播范圍,地鐵車(chē)站一般將整個(gè)車(chē)站區(qū)劃分為多個(gè)廣播區(qū)域,并且需要對(duì)選定的廣播區(qū)域單獨(dú)進(jìn)行廣播,針對(duì)該需求,在無(wú)線手持臺(tái)上能夠方便的選擇不同的廣播區(qū)域通話組,并向車(chē)站廣播電臺(tái)終端發(fā)送廣播請(qǐng)求,車(chē)站廣播電臺(tái)終端能夠自動(dòng)識(shí)別無(wú)線手持臺(tái)所使用的廣播區(qū)域通話組,并將該通話組映射為正確的廣播區(qū)域,進(jìn)而通過(guò)對(duì)應(yīng)的廣播信令控制有線車(chē)站廣播系統(tǒng)完成對(duì)指定區(qū)域的廣播;

③維護(hù)與有線車(chē)站廣播系統(tǒng)的通信鏈路。車(chē)站廣播電臺(tái)終端通過(guò)有線方式與有線車(chē)站廣播系統(tǒng)連接,并通過(guò)握手消息定時(shí)檢測(cè)雙方之間的通信鏈路。

1.2 系統(tǒng)特點(diǎn)

車(chē)站廣播系統(tǒng)具有如下特點(diǎn):

①投資較少,只需要定制開(kāi)發(fā)車(chē)站廣播電臺(tái)終端設(shè)備,地鐵現(xiàn)有的無(wú)線手持臺(tái)可以直接作為廣播發(fā)起設(shè)備,地鐵現(xiàn)有的有線車(chē)站廣播系統(tǒng)可以直接作為廣播播放設(shè)備,由于最大限度地利用了地鐵現(xiàn)有設(shè)備,所以系統(tǒng)建設(shè)成本較低;

②廣播地點(diǎn)不受限制,因?yàn)橄到y(tǒng)利用地鐵現(xiàn)有的無(wú)線數(shù)字集群網(wǎng)絡(luò),該無(wú)線網(wǎng)絡(luò)為地鐵專(zhuān)用,在地鐵建設(shè)初期進(jìn)行了詳細(xì)的覆蓋規(guī)劃和設(shè)計(jì),其覆蓋范圍包括了所有站廳、站臺(tái)和隧道等區(qū)域,所以無(wú)線信號(hào)覆蓋盲區(qū)少,無(wú)線手持臺(tái)可以在任意地點(diǎn)發(fā)起無(wú)線廣播;

③廣播范圍靈活,無(wú)線手持臺(tái)能夠根據(jù)廣播范圍要求編入多個(gè)廣播區(qū)域通話組,在手持臺(tái)上選擇不同的廣播區(qū)域通話組即可對(duì)車(chē)站的不同區(qū)域進(jìn)行廣播;

④自動(dòng)接續(xù),廣播用的無(wú)線手持臺(tái)操作方便,由于整個(gè)廣播過(guò)程的開(kāi)始和結(jié)束控制對(duì)用戶(hù)是透明的,全部由車(chē)站廣播電臺(tái)終端自動(dòng)完成,無(wú)線手持臺(tái)發(fā)起車(chē)站廣播的操作與常用的手持臺(tái)組呼操作相同,所以使用方便快捷,更能有效處理突發(fā)事件。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于數(shù)字集群的地鐵車(chē)站廣播系統(tǒng)將充分利用地鐵現(xiàn)有的數(shù)字集群網(wǎng)絡(luò)及其無(wú)線手持臺(tái)設(shè)備、有線車(chē)站廣播系統(tǒng),設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)具有廣播控制和接入功能的“車(chē)站廣播電臺(tái)”,并對(duì)現(xiàn)有的無(wú)線手持臺(tái)和有線車(chē)站廣播系統(tǒng)進(jìn)行必要的配置,從而實(shí)現(xiàn)無(wú)線手持臺(tái)隨時(shí)隨地的完成車(chē)站無(wú)線廣播。

2.1 系統(tǒng)組成

地鐵車(chē)站廣播系統(tǒng)由無(wú)線手持臺(tái)、數(shù)字集群基站、車(chē)站廣播電臺(tái)和有線車(chē)站廣播系統(tǒng)等設(shè)備組成,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,其中車(chē)站廣播電臺(tái)是系統(tǒng)的核心設(shè)備,負(fù)責(zé)無(wú)線廣播的接入和控制,也是系統(tǒng)的重點(diǎn)設(shè)計(jì)內(nèi)容。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)圖1的設(shè)計(jì),無(wú)線手持臺(tái)發(fā)起廣播時(shí),首先通過(guò)旋鈕選擇所需的廣播區(qū)域通話組,按下PTT(Push To Talk)發(fā)起無(wú)線組呼,該組呼通過(guò)數(shù)字集群標(biāo)準(zhǔn)的空中接口發(fā)送給車(chē)站廣播電臺(tái),車(chē)站廣播電臺(tái)提取通話組信息和通話話音,以預(yù)先定義的2線音頻和RS422私有接口傳達(dá)給有線車(chē)站廣播系統(tǒng),進(jìn)而打開(kāi)指定的車(chē)站區(qū)功放。

2.2 系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)計(jì)

為了最優(yōu)地完成車(chē)站廣播通信過(guò)程,系統(tǒng)進(jìn)行了如下關(guān)鍵設(shè)計(jì):

①將數(shù)字集群系統(tǒng)中最常用的組呼、掃描功能引入車(chē)站廣播系統(tǒng),直接利用數(shù)字集群的標(biāo)準(zhǔn)空中接口完成無(wú)線通信。組呼是一組用戶(hù)進(jìn)行一對(duì)多的通信,用戶(hù)可以很簡(jiǎn)單的選擇進(jìn)入一個(gè)通話組,一旦選擇通話組,移動(dòng)臺(tái)不需要任何動(dòng)作,便可自動(dòng)接收所有有關(guān)那個(gè)組的呼叫,要發(fā)起一個(gè)呼叫,用戶(hù)僅需按下PTT,[1]車(chē)站廣播電臺(tái)通過(guò)組呼接收廣播信息;掃描允許移動(dòng)臺(tái)除了在自己的通話組工作外,可以監(jiān)聽(tīng)(掃描)所選其他通話組的通信[1],車(chē)站廣播電臺(tái)通過(guò)掃描實(shí)現(xiàn)分區(qū)域廣播。該設(shè)計(jì)最大限度的簡(jiǎn)化了廣播發(fā)起者的操作,并有效保證了廣播的可靠性和成功率;

②最短化廣播建立時(shí)間。車(chē)站廣播電臺(tái)采用先進(jìn)的ARM9處理器以及嵌入式Linux操作系統(tǒng),開(kāi)發(fā)嵌入式的多線程應(yīng)用程序,在Linux操作系統(tǒng)中,線程具有高效性和可操作性,可以在共享內(nèi)存空間中并發(fā)執(zhí)行,大大減少了上下文切換的開(kāi)銷(xiāo)。線程可分為用戶(hù)級(jí)線程與核心級(jí)線程[2],系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)用戶(hù)級(jí)線程,包括專(zhuān)門(mén)的SB9600接口線程和車(chē)站廣播系統(tǒng)接口線程。SB9600接口線程從集群標(biāo)準(zhǔn)電臺(tái)的SB9600接口接收無(wú)線手持臺(tái)的廣播組呼信息,解析出廣播開(kāi)始、廣播區(qū)域和廣播結(jié)束等關(guān)鍵指令,車(chē)站廣播系統(tǒng)接口線程將上述指令通過(guò)RS422物理接口發(fā)送給有線車(chē)站廣播系統(tǒng);車(chē)站廣播電臺(tái)與車(chē)站廣播系統(tǒng)之間采用最優(yōu)化的通信協(xié)議,所有指令長(zhǎng)度均小于5字節(jié),設(shè)計(jì)握手消息、廣播開(kāi)始/確認(rèn)消息、廣播結(jié)束/確認(rèn)消息等。先進(jìn)的軟硬件設(shè)計(jì)和最優(yōu)的通信協(xié)議可以最短化廣播建立時(shí)間。

3 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

車(chē)站廣播系統(tǒng)的核心設(shè)備是車(chē)站廣播電臺(tái),系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)側(cè)重該設(shè)備的軟硬件實(shí)現(xiàn)。車(chē)站廣播電臺(tái)采用2U機(jī)架式安裝結(jié)構(gòu),使用過(guò)程中無(wú)需人員值守。車(chē)站廣播電臺(tái)實(shí)物如圖2所示。

圖2 車(chē)站廣播電臺(tái)實(shí)物

3.1 硬件實(shí)現(xiàn)

車(chē)站廣播電臺(tái)硬件主要包括電源模塊、數(shù)字集群標(biāo)準(zhǔn)電臺(tái)、主控板和接口板,硬件組成如圖3所示。

圖3 車(chē)站廣播電臺(tái)硬件組成

其中電源模塊直接采用成熟的標(biāo)準(zhǔn)模塊;數(shù)字集群標(biāo)準(zhǔn)電臺(tái)為數(shù)字集群系統(tǒng)的無(wú)線電臺(tái)終端,開(kāi)放SB9600和PEI接口供二次開(kāi)發(fā);接口板是定制開(kāi)發(fā)的,提供車(chē)站廣播電臺(tái)所需的各種外部接口;主控板是車(chē)站廣播電臺(tái)的核心電路板,完全定制開(kāi)發(fā),主要實(shí)現(xiàn)如下功能:

①核心控制。由專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)的ARM集成電路板實(shí)現(xiàn),板上搭載 ARM9處理器、Flash、SDRAM 和Clock等芯片;

②音頻處理。由音頻放大電路和音頻控制電路實(shí)現(xiàn);

③串口擴(kuò)展。通過(guò)串口擴(kuò)展芯片提供多個(gè)串口,用于SB9600接口和車(chē)站廣播系統(tǒng)接口等接口的通信;

④固件升級(jí)。通過(guò)以太網(wǎng)接口實(shí)現(xiàn);

⑤二次電源轉(zhuǎn)換。將電源模塊輸出的+12 V轉(zhuǎn)換為主控板所需的+5 V、+3.3V。

3.2 軟件實(shí)現(xiàn)

車(chē)站廣播電臺(tái)軟件采用多線程技術(shù)和模塊化設(shè)計(jì),每個(gè)模塊由一個(gè)線程來(lái)實(shí)現(xiàn),主要的模塊包括主線程模塊、SB9600接收線程模塊、SB9600發(fā)送線程模塊、廣播消息接收線程模塊、廣播消息發(fā)送線程模塊和固件升級(jí)線程模塊等,詳細(xì)模塊劃分及模塊之間的關(guān)系如圖4所示。

圖4 軟件模塊關(guān)系

針對(duì)每個(gè)線程,軟件均實(shí)現(xiàn)了一個(gè)線程函數(shù),主要的線程函數(shù)如下:

//廣播消息發(fā)送處理

static void*broadcast_send entry( void*r);

//廣播消息接收處理

static void*broadcast_rcv_entry( void*r);

//SB9600接口發(fā)送處理

static void*sb9600_send_ntry(void*r);

//SB9600接口接收處理

static void*sb9600_rcv_entry(void*r);

//主線程處理,程序入口

int MiniGUIMain(int argc,const char*argv[]);

廣播消息接收線程模塊、廣播消息發(fā)送線程模塊是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的主要模塊,主要設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了如下的處理函數(shù):

//根據(jù)無(wú)線手持臺(tái)的廣播信令生成要發(fā)送給車(chē)站廣播系統(tǒng)的消息,包括:開(kāi)始消息(含廣播分區(qū)信息)、結(jié)束消息

static void do _minigui _msg (unsigned char GuangboData);

//創(chuàng)建要發(fā)送給車(chē)站廣播系統(tǒng)的消息隊(duì)列,包括鏈路維護(hù)消息

static int create_broadcast_send_queue( void);

//處理車(chē)站廣播系統(tǒng)對(duì)開(kāi)始消息的應(yīng)答消息

static void do_broadcast_begin_msg(unsigned int GuangboData);

//處理車(chē)站廣播系統(tǒng)對(duì)結(jié)束消息的應(yīng)答消息

static void do_broadcast_end_msg(unsigned char GuangboData);

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖,采用實(shí)際設(shè)備搭建測(cè)試實(shí)驗(yàn)環(huán)境,重點(diǎn)驗(yàn)證系統(tǒng)功能的可用性和成功率。主要進(jìn)行了如下測(cè)試:

①無(wú)線手持臺(tái)對(duì)同一車(chē)站區(qū)域的廣播測(cè)試。在無(wú)線手持臺(tái)上選擇同一廣播區(qū)域通話組并按下PTT發(fā)起車(chē)站廣播,只要從有線車(chē)站廣播系統(tǒng)對(duì)應(yīng)廣播區(qū)域的揚(yáng)聲器聽(tīng)到無(wú)線手持臺(tái)的廣播語(yǔ)音即可判定本次廣播成功,并記錄從無(wú)線手持臺(tái)按下PTT至聽(tīng)到廣播語(yǔ)音所用的時(shí)間,即廣播建立時(shí)間,上述測(cè)試連續(xù)進(jìn)行100次,成功率為100%,每次廣播建立時(shí)間＜1 s;

②無(wú)線手持臺(tái)對(duì)不同車(chē)站區(qū)域的廣播測(cè)試。在無(wú)線手持臺(tái)上選擇不同的廣播區(qū)域通話組并按下PTT發(fā)起車(chē)站廣播,只要從有線車(chē)站廣播系統(tǒng)對(duì)應(yīng)廣播區(qū)域的揚(yáng)聲器聽(tīng)到無(wú)線手持臺(tái)的廣播語(yǔ)音即可判定本次廣播成功,并記錄廣播建立時(shí)間,上述測(cè)試連續(xù)進(jìn)行100次,成功率為100%,每次廣播建立時(shí)間＜1 s;

③車(chē)站廣播電臺(tái)與有線車(chē)站廣播系統(tǒng)之間的通信鏈路維護(hù)測(cè)試。將車(chē)站廣播電臺(tái)與有線車(chē)站廣播系統(tǒng)通過(guò)線纜連接,當(dāng)雙方設(shè)備均進(jìn)入正常工作狀態(tài)后,使用監(jiān)控軟件連續(xù)24小時(shí)監(jiān)測(cè)雙方設(shè)備之間的通信鏈路,沒(méi)有出現(xiàn)通信中斷。

通過(guò)上述3項(xiàng)測(cè)試,驗(yàn)證了系統(tǒng)功能的可用性和成功率。

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)地鐵領(lǐng)域現(xiàn)存的基于無(wú)線的車(chē)站廣播系統(tǒng)的局限性,介紹了基于數(shù)字集群的地鐵車(chē)站廣播系統(tǒng)的主要功能,并針對(duì)這些功能從系統(tǒng)組成和關(guān)鍵設(shè)計(jì)2個(gè)方面介紹了系統(tǒng)總體設(shè)計(jì),然后通過(guò)重點(diǎn)討論系統(tǒng)核心設(shè)備車(chē)站廣播電臺(tái)的軟硬件實(shí)現(xiàn)說(shuō)明了系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn),最后使用實(shí)際的測(cè)試實(shí)驗(yàn)環(huán)境對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試,通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析,驗(yàn)證了系統(tǒng)功能的可用性和成功率。

工程實(shí)踐證明,基于數(shù)字集群的地鐵車(chē)站廣播系統(tǒng)投資少,廣播地點(diǎn)、廣播范圍靈活,操作簡(jiǎn)便快捷,可廣泛應(yīng)用于地鐵正常運(yùn)營(yíng)以及突發(fā)事件的處理;經(jīng)過(guò)少量修改該系統(tǒng)也可應(yīng)用到鐵路、機(jī)場(chǎng)、油田和公安等領(lǐng)域,應(yīng)用前景廣闊。

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