基于無線通信的站臺安全門智能監控系統設計與實現

周 超，陳 棟，魏耀南，劉 磊

(1.中國鐵道科學研究院集團有限公司 電子計算技術研究所，北京 100081；2.北京經緯信息技術有限公司，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設備，使軌道區與站臺候車區相對獨立，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境[1]。目前，國內外的站臺安全門監控系統都是僅安裝于設備房內[2]，需要有值班人員職守，時刻對控制設備、門體、信號系統等的狀態進行監控，保障列車門與站臺安全門的正常聯動動作和站臺安全門門體的正常工作。

關于站臺安全門監控系統的研究已經取得了一些成果，文獻[3]研究了站臺安全門監控系統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頻技術在車地無線通信中的使用[4]，但是關于無線通信傳輸技術如何在站臺安全門監控系統的使用上相關研究較少。由于站臺安全門系統故障的突發性和隨機性，現行的條件下，工作人員無法現場快速查看設備關鍵部件參數和系統重要數據，導致故障排除效率較低，對地鐵運營帶來了一定影響。此外，工作人員對滑動門調試時，只能通過門控單元（DCU）上按鍵進行，有時限于DCU安裝位置，現場施工條件等原因，操作十分不便捷。同時，由于人體過于靠近滑動門，在調試過程中門體的突然運動也會給工作人員帶來安全風險。為實現站臺安全門設備的智能監控與維保，本文對基于無線通信的站臺安全門智能監控系統展開研究。

1 系統設計

1.1 系統總體架構

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

圖1 站臺安全門智能監控系統總體架構

1.2 系統功能

站臺安全門控制系統由以下幾個部分組成，分別擁有著不同的控制權限和控制功能：（1）中央控制盤（PSC），是控制系統最核心的設備；(2)緊急控制盤（PEC），是在發生火災等特殊情況下的操作設備；（3）就地控制盒(LCB)，是門單元發生網絡通信故障，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），可以控制整側站臺安全門動作。PSC還連接不同專業設備的接口、門體單元、信號系統指令傳輸的通信總線，完成上下側站臺安全門的控制、狀態監視和故障報警功能[5]。

站臺安全門系統各部分的運行狀態都集中在站臺安全門監控系統中，通過該系統，運營人員只能在設備室中掌握當前車站站臺安全門系統的實時狀態與故障信息?；跓o線通信的站臺安全門智能監控系統需要將上位機中的數據進行采集、整理、分析、診斷，提供站臺安全門設備部件健康狀態和故障定位，方便維護人員準確快速排除故障。系統在功能設計上將監控狀態數據分為系統級數據管理模塊、站臺級數據管理模塊、單門級數據管理模塊3個部分。系統級數據包括信號系統數據和電源系統數據，主要監視信號系統開關門指令、站臺安全門系統全閉鎖狀態、電源輸出電壓波動情況等重要信息。站臺級數據主要包括PSL數據和PEC數據，主要顯示PSL和PEC的操作狀態和互鎖信息。還有單門級數據，包括單門故障、單門報警、手動解鎖等數據，主要反映電磁鎖工作狀態、電機速度曲線、開關門遇阻等單門的狀態信息，同時,工作人員可通過智能監控終端對門體發出控制命令，系統功能架構，如圖2所示。

圖2 站臺安全門智能監控系統功能架構

2 系統關鍵技術實現

2.1 數據采集模塊設計

為滿足站臺安全門的部件監測參數需求，系統使用了電壓傳感器、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 轉換，將采集到的各類數據實時發送給主控制器單元，數據采集系統結構，如圖3所示。

2.2 門控單元設計

DCU是站臺安全門的門控單元控制器，采用模塊化設計的思想對其結構進行設計，門機驅動器（JWPD）和門機控制器（JWPC）是其核心組成部分，通過數據輸入輸出接口與外界設備如指示燈、蜂鳴器、電磁鎖、微動開關等聯通。JWPC和JWPD的核心處理單元是STM 32芯片，該芯片功能強大、功耗低，具有快速的數據處理能力，同時，DCU使用UCOS嵌入式操作系統，實時性強，可多任務操作。DCU通過硬線連接以及M odbus總線與PSC連接，接收開關門命令的控制和對門體數據采集后的上傳。DCU通過CAN總線對門機驅動器控制，采用SVPWM控制算法計算出調整電機電壓的PWM信號組[6]，由該信號控制功率器件的開關，從而控制電機的電壓輸入，達到調速的目的[7]，DCU的電氣原理，如圖4所示。

圖3 數據采集系統結構圖

圖4 DCU電氣原理圖

2.3 無線傳輸模塊設計

本文選用GSM模塊 M26作為無線通信中轉模塊。工控機接收Modbus傳輸的數據后，通過與M26的通信，可編程實現在串口端與網絡端之間提供高速雙向透明數據傳輸通道，方便用戶設備實現無線遠距離的數據傳輸[8]。

M26模塊具有豐富的接口，比如：開關機接口，串口，音頻接口，PCM接口，SIM接口，ADC接口，射頻接口，藍牙接口。其通用無線分組業務（GPRS）數據特性完全滿足系統的設計需要，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連接的密碼驗證協議（PAP），詢問握手認證協議（CHAP），內嵌協議包括：TCP，UDP，FTP，PPP，HTTP，NTP，MMS，SM TP，PING等，還支持非結構化補充數據業務[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原理如下：（1）每個門控單元的數據通過M odbus總線匯總到工控機；（2）站臺安全門系統數據通過USART傳輸到M26模塊，M26模塊將數據通過GPRS傳輸到Web服務器；（3）W eb服務器與手持設備通過In ternet進行連接和通信數據接收；（4）實現在手持設備端讀取信號系統、電源系統、單個門體狀態監控數據，也可通過手持設備發送控制命令對門體進行控制，如門體開關門指令、自學習指令等。

在本文中，AT 指令是應用在手持移動設備和與服務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”，結尾是，它的格式是“<回車><換行><響應內容><回車><換行>”。

發送數據到M26：

MCU：AT+QISEND=8 （8：要發送給M26的字節數）

M26：> （或者）ERROR

MCU：20181234

（發送的數據內容）

M26：SEND OK （或者）SEND FAIL n

M26: +QIRDI: 0,1,0 （數據到達通知）

從M26中讀數據：

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：所讀數據）

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：被讀取數據）

MCU: AT+QIRD=0,1,0,4 （4：讀取4個byte）

M26: OK （沒有相關數據被讀出）

3 系統試驗

站臺安全門智能監控系統界面，如圖6所示，該界面將各個車站設備的狀態分塊顯示，并根據列車的編組信息動態配置界面中滑動門的編組情況，顯示了電源狀態、IBP狀態、PSL狀態、PSC狀態等重要的系統級和站臺級數據信息。

圖6 站臺安全門智能監控系統界面

監控系統無線終端DCU監控界面如圖7所示，可顯示DCU的工作參數、門體報警狀態、故障狀態、工作狀態等重要單門級數據信息。

無論是與監控主機還是門控單元進行連接，都可查看參數管理界面。在與監控主機連接時，可對整個站臺的門控單元進行遠程控制和參數下載操作；在與門控單元進行連接時，可對該DCU進行操作。界面如圖8所示，選中DCU編號可讀取和下載該DCU的參數，每次只準對一個DCU進行操作。在遠程控制欄中，可選擇需要控制的多個DCU編號，遠程控制的指令包括：遠程開門、遠程關門和遠程自學習。

圖7 站臺安全門智能監控系統DCU監控界面

圖8 站臺安全門智能監控系統單門控制界面

4 結束語

站臺安全門智能監控系統主要由前端傳感器采集模塊、DCU、工控機和無線傳輸模塊、手持移動控制終端5部分組成，提出使用GSM模塊M26通過AT編程實現串口端和網絡端的數據轉換、傳輸，比傳統無線傳輸實現方法更加簡單、安全、可靠。通過試驗室中對該系統的試驗測試表明，該系統可解決目前站臺安全門運營過程數據監控不及時、智能化程度低、工作人員維保效率差等問題，同時，系統具有較強的實時性、可靠性和安全性，并一定程度上降低了站臺安全門維護成本。