基于STM32的地鐵屏蔽門狀態監控與報警系統設計*

王加賓， 梁鑒如， 戴翌清， 施 聰， 陸鑫源, 陳 強

(1.上海工程技術大學 電子電氣工程學院，上海 201600；2.上海地鐵維護保障有限公司通號分公司， 上海 201600)

0 引 言

隨著城市軌道交通的快速發展，地鐵運行的里程和線路也在迅速增加，軌道交通的人身安全問題也得到了人們的高度重視。上海地鐵2號線作為市區軌道交通的骨干線路之一，由于信號與屏蔽門聯動功能的使用，屏蔽門的故障次數也在不斷增加。如列車車門和屏蔽門開關不聯動、屏蔽門非預期開關、交錯開門等故障現象，造成多次輕微傷人事故。作為保障乘客安全和地鐵系統正常運行的重要安全設施—地鐵站臺屏蔽門系統面臨很大的挑戰。為了減少因屏蔽門的故障造成的事故，提高地鐵運營效率和安全性，幫助運維人員快速找到故障點，本文對控制屏蔽門工作的繼電器的運行狀態監控進行設計。

1 系統總體設計方案

地鐵屏蔽門狀態遠程監控與報警系統整體框架如圖1所示。系統整體由3部分組成：數據采集模塊、單片機(micro controller unit,MCU)控制系統、個人電腦(personal computer,PC)端。電壓傳感器和電流傳感器用于檢測繼電器線圈電壓和電流；攝像頭1用于監測繼電器接點信號，判斷繼電器處于吸起還是閉合狀態；攝像頭2用于車地通信(train-to-wayside communication，TWC)系統信號的檢測，判斷列車是否到站。本文選用STM32F103作為主控制芯片，通過測量屏蔽門與信號系統的電氣接口,繼電器的通斷時的電氣參數變化，判別屏蔽門系統的運行狀況(欠壓、不工作等)，根據連鎖信號系統和屏蔽門的關聯關系，分析屏蔽門工作狀態是否正常，并將數據傳送到遠程服務器端，服務器根據屏蔽門故障檢測判據給出相應的處理建議[1]。

圖1 總體設計方案框圖

2 系統硬件設計

2.1 漏電流傳感器模塊

上海申通地鐵2號線使用了美國的PN—150B繼電器和國產JWXC—1700繼電器聯合進行屏蔽門的控制。為了不影響地鐵屏蔽門的正常運轉，本文采用信瑞達公司提供的F系列交流漏電流傳感器，安裝在繼電器的線圈外，用于檢測繼電器的電流，其測量原理如圖2所示。該漏電流傳感器依據互感器電磁阻離、磁調制工作原理將被測交流微電流、直流微電流轉換為直流電流、直流電壓并隔離輸出標準模擬信號或數字信號[2]。

圖2 漏電器傳感器的工作原理

為檢測該系列漏電流傳感器的性能，對該電流傳感器進行了模擬性試驗，試驗均在常溫下進行。該模擬試驗的檢測對象是國產JWXC—1700繼電器，在電壓0～5 V范圍內，對繼電器的電流及漏電流傳感器檢測到的漏電流進行了測試，其測試數據如表1所示。對試驗所得測試數據進行擬合化處理，可得該試驗所得擬合直線斜率為0.25,因此漏電流傳感器的輸出電壓與輸入電流具有良好的線性關系，且最小輸入電流時，輸出電壓也滿足設計需求，因此該型號的漏電流傳感器符合本設計的實際要求。

表1 模擬試驗數據

2.2 電壓采集傳感器模塊

本文采用卡斯柯信號有限公司生產的PBMCJ—1型屏蔽門電壓采集模塊，可以對屏蔽門供電電壓狀態以及屏蔽門控制繼電器工作狀態進行監測。設計上采用電磁隔離原理，即電壓輸入、電流輸入及輸出三方隔離，隔離電壓達2 kV，同時使用專業的MCU控制器，可以同時測量4路屏蔽門狀態的供電電壓。該模塊具有高精度、高隔離、低功耗、低漂移、抗干擾能力強的特點，可以滿足本文設計的需求。

3 系統軟件設計

3.1 硬件控制系統的主要軟件設計

地鐵屏蔽門的開關主要由門使能繼電器、開門繼電器和門鎖閉繼電器控制，通過檢測這些繼電器的電壓和電流等狀態信息來組成屏蔽門執行側的監控，為快速找到地鐵屏蔽門故障點提供技術支撐。負責采集數據的屏蔽門電壓采集傳感器、漏電流傳感器和薄型攝像頭模塊均通過RS—485接口與主控制芯片STM32F103通信。RJ45遠程通信模塊支持TCP/IP協議，通過該模塊可以與遠程服務器建立連接，保證采集數據回傳的可靠性和實時性。屏蔽門監測終端主程序流程如圖3所示。硬件系統進行各模塊初始化工作后，RJ45模塊通過TCP/IP協議連接互聯網，與遠程地鐵監管中心建立網絡連接通道[3]。硬件系統與遠程監控中心建立連接后，會每隔3 s主動向監控中心以字符串的形式發送采集到的門使能繼電器、開門繼電器和門鎖閉繼電器的電壓、電流等數據信息，同時監控中心也可以將控制指令通過RJ45模塊回傳給硬件控制單元，形成數據傳輸回路。

圖3 屏蔽門監測終端主程序流程

3.2 遠程監控中心軟件設計

遠程監控中心基于MyEclipse平臺運用Java語言進行開發的軟件系統，服務器選用Apache tomcat 7.0,使用MySQL關系型數據庫。系統采用SSH(Spring，Struts2，Hibernate)的企業級整合框架進行開發。整個系統主要由9個核心模塊組成，系統功能模塊如圖4所示。

圖4 遠程監控系統功能模塊

實時顯示模塊，用于實時顯示地鐵站臺信息，如站臺上是否有車。如果頁面中屏蔽門為綠色代表列車進站屏蔽門處于開啟狀態；灰色代表此時站臺上無列車，屏蔽門處于關閉狀態；紅色代表屏蔽門處于故障狀態,白色部分表示玻璃幕墻；狀態量顯示模塊和模擬量時序圖模塊，用于分別顯示地鐵站臺的門使能繼電器、 開門繼電器和門鎖閉繼電器的狀態信息和電壓電流值，并通過時序圖和折線圖的形式展示；預警模塊，用于地鐵站臺屏蔽門故障狀態的實時報警，通過該部分的功能可以使維修人員快速找到故障點；歷史報警模塊和回放模塊為用戶提供近3年的歷史記錄，用戶可以通過選擇起始時間、截止時間或者線路等選項進行多條件動態查詢過去某一個時間段的報警信息；設置模塊用于設置繼電器電壓、電流的閾值；系統自檢模塊用于查看整個系統的運行狀態，及時查找到整個系統的故障點。

3.3 ECharts API 接口及加載

使用ECharts[6,7]時只需要在script標簽中正常引用即可，在繪圖前需要為ECharts設置一個擁有高度和寬度的DOM容器，然后通過.init()方法初始化ECharts實例，可以根據實際的項目需求設置同一個DOM容器中設置多個grid組件，由.setoption()生成一個多grid的動態折線圖[8]。

4 系統測試

在搭建好的硬件平臺和軟件平臺上進行測試，在PC端通過瀏覽器打開遠程監控中心系統，啟動服務器，保持網絡的暢通。屏蔽門運行狀態檢測平臺每隔3 s將采集到的數據傳送到服務器端，服務器端一方面將數據保存到MySQL數據庫，另一方面及時將數據傳送給瀏覽器端的遠程監控中心，遠程監控中心根據屏蔽門故障判斷依據來處理獲取的數據，及時對屏蔽門運行狀態做出預警或報警處理，并給出提示信息。

屏蔽門的運行狀態分為3種：故障、異常、正常。故障狀態需要進行報警處理，異常需給出預警提示。在實驗室中模擬屏蔽門出現這3種狀態，共采集了16組測試數據，如表2所示，S代表是否有車，R1～R3分別為門使能繼電器狀態，開門繼電器狀態，門鎖閉繼電器狀態。經過測試設計的數據采集模塊可以實時采集到屏蔽門的運行狀態數據，并通過TCP/IP將數據發送到遠程監控中心。屏蔽門運行狀態出現故障或異常時，遠程監控中心能夠及時進行報警或預警處理，并給出情況說明。

表2 實驗室采集屏蔽門狀態

5 結束語

基于STM32的地鐵屏蔽門狀態遠程監控與報警系統的檢測平臺通過采用模塊化設計，有效降低了檢測平臺功耗，減小檢測平臺的體積。遠程監控中心采用企業級的SSH框架，使得監控中心軟件系統具有高內聚、低耦合的優點，方便系統的維護和迭代。同時整個系統開放了數據檢測采集和傳輸接口，可以在其他地鐵線路較廣范圍的使用。本文設計的地鐵屏蔽門遠程監控與報警系統對于進一步降低上海地鐵2號線屏蔽門故障率，并在保障乘客人身安全等方面具有重要意義。