地鐵閘機扇門控制系統的設計研究

王春行

（廣州新科佳都科技有限公司，廣東 廣州 510653）

1 地鐵閘機的組成結構

1.1 地鐵閘機簡介

閘機是一種通道阻擋裝置（通道管理設備），其設立在地鐵車站的入口處，用于管理人流并規范行人出入，主要應用于地鐵閘機系統、收費檢票閘機系統，是每個地鐵必備的設備之一。但由于人工操作容易失誤且緩慢，所以自動檢票閘機受到軌道交通的青睞。其核心作用是自動檢驗乘客的車票是否有效，分為進站閘機和出站閘機，由電子識別系統自動識別車票中的相關信息是否與當前乘車的信息相符，且一次只能通過一人，當票面被損壞或車票過期，與當前乘車使用的相關信息不符時，閘機會自動將乘客攔截在外，無法進站或出站，當電子識別系統發現其票面信息不符時，會立即自動落下閘板，作用及目的就是為了有效防止乘客逃票乘車。

1.2 地鐵閘機的組成結構

地鐵閘機主要是由扇門控制系統模塊、讀寫模塊、回收模塊、狀態顯示模塊、乘客信息模塊、電源模塊、加熱模塊、電路模塊以及維護模塊所組成，具體構成框架如圖1。

圖1 地鐵閘機組成結構圖

1.3 地鐵閘機扇門控制系統組成結構

地鐵閘機扇門控制系統主要是對乘客進出次序、方向、人數等狀態進行控制，它能夠實時監測乘客在通道中的行走情況，并保障持有效車票的乘客安全、順利通過閘機。若有些乘客的行為出現異常時（如：成人乘客之間通行沒有保持三十厘米距離，或是有乘客想非法尾隨通行），扇門控制系統便會將非法通過的乘客攔住。而扇門控制系統主要由電源、接口、左、右扇門控制板、信號采集板以及工控機所組成，左、右扇門控制版主要是控制扇門的開關。

信號采集版主要是通過傳感器采集乘客經過閘機通道的行為，然后上傳所采集到的數據信息；工控機根據所采集到的乘客行為信息數據進行分析和處理，并根據乘客的行為發送指令給左、右扇門控制板，使左、右扇門能按照指令同時開或關。具體組成結構如圖2 所示。

2 地鐵閘機扇門控制系統設計

2.1 傳感器位置的布置

為了保障乘客順利通行，及時檢測乘客在通道中的行為、位置及方向，還需要在閘機外殼上按照傳感器。但由于人體比例結構有所差異，為此在布置傳感器位置時，必須要圍繞人體結構之間的關鍵點（如：人體的踝關節、膝關節、腕關節、肘關節等位置）進行布置，從閘機入口處到扇門處1000mm 左右的區域內布置傳感器（見圖3），該區域內設置有判別區、檢測區，安全區等，為此可在通道最前端，也就是人體膝蓋的位置處按照兩個傳感器，用于識別乘客的行走方向；其次，在檢測區的上端也就是人體肘關節的位置布置3 個傳感器，用于檢測通道中乘客人數，布置時3 個傳感器之間的距離稍微大一些，以避免因乘客行走時擺動手臂而給傳感器帶來干擾；而在安全區通道兩邊可布置4 個傳感器，當傳感器檢測到乘客已經行至安全區域時，扇門不會關閉，以免夾傷乘客[1]。

圖3 閘機一側傳感器位置布置圖

2.2 乘客識別系統設計

乘客識別系統主要是檢測識別乘客正常通行，防止有的乘客為了逃票而出現多人通過的行為。但在日常檢測中，由于乘客穿著服裝等問題，導致識別系統不能準確檢測到乘客的走動情況時有發生。為此，在乘客識別系統設計中，可進行區域分類設計，如：邊界區設置傳感器。在檢測區的邊界區域內設置上下檢測點，當乘客沒有刷卡便踏入邊界區時，任意一個檢測點便會識別出而會發出警報，以防止乘客進入；在對進出檢測區設計時，可根據人體身軀厚度的特點在進口檢測區域和出口檢測區域分別設計三個檢測點，主要是為了防止識別不到而出現漏檢情況的發生；安全檢測區，則需要根據人體身高的特點設置檢測點，這樣是為了系統能夠識別到幼童，而避免出現檢測不到的情況發生（圖2）。

圖2 閘機扇門控制系統結構框架圖

2.3 傳感器狀態讀寫

圖4 乘客識別流程圖

為了能實時采集到各個傳感器的狀態信息，還需要進行讀采集系統模塊和讀寫模塊程序的設計，因為系統在運轉過程中，上位機一直處于待命狀態，而下位機也只能是采集傳感器的狀態，但并不進行儲存，只有上位機發送讀命令時，下位機才會將所收集到的狀態信息上傳。為此，在設計系統程序時，可以設定主程序和串口接收中斷程序。主程序主要用于采集各個傳感器實時狀態，并進行儲存；串口接收中斷程序主要是在接收到上位機的讀傳感器狀態命令時（見表1），對數據進行檢驗后通過串口將數據進行上傳。而讀寫程序主要是將扇門運作中的一些重要數據寫入E2PROM 數據寄存器之中，這樣能有效保存這些重要數據，即使系統斷電或下位機中斷工作，系統內的數據也不會丟失。

表1 上位機讀傳感器狀態數據圖

2.4 扇門控制電路設計

2.4.1 控制電機的電路

無刷直流電機作為控制扇門啟動、關閉的電機，也是扇門控制效果好壞的關鍵。為此，在設計無刷直流電機控制系統時，可結合其工作原理（見圖5）加入數模混合的控制系統和數字化系統。因為無刷直流電機性能要求比較高，數模控制器芯片、數字電路以及DSP 的運算速讀比較快，準確度比較高，能夠完成復雜的算法。而無刷直流電機啟動快的特性，能夠使扇門保持最佳的運作狀態，從而達到扇門快速啟動的要求。此外，無刷直流電機優異的調速特性，能夠使電源電壓在負載時改變轉速，使電源電壓實現平滑調速，將其應用到扇門控制系統中，扇門能在電機的帶動下完成啟動、關閉動作，尤其是扇門在關閉過程中，如果有乘客刷卡，控制電路的電機會立馬制動扇門迅速停止并迅速打開。可見，控制無刷直流電機的電路能使扇門啟動、關閉速度更加穩定可靠[2]。

圖5 無刷直流電機工作原理圖

2.4.2 驅動電路

在扇門控制系統中，由于使用的電機屬于貨源緊缺型，成本價格比較高，為了避免后期出現斷貨現象，為此，需選擇分立元件組成的驅動電路。這種驅動電路上側是集電極開輸出，能夠驅動P 溝道MOSFET 管，其開關速讀比較快，導通和關閉時間一般在39ns；下側是推挽輸出，具有100mA 電流驅動能力，能夠驅動N 溝道MOSFET 管。可見，其驅動電流較小，過載能力比較強，開關頻率比較高，耐壓性能比較好，將其應用到扇門控制系統中完全可以推動無刷直流電機的驅動功能。

2.4.3 電磁鐵控制電路

由于扇門的啟動與關閉動作是需要機械連桿牽引，為此，在設計電磁鐵控制電路時，可以選擇吸盤式的電磁鐵。該種電磁鐵在通電后會產生極大的電磁吸力，能夠有效控制扇門的往前、往后或停止動作，且動作靈活敏捷，比較穩定可靠，在設計時可根據電磁吸力與電壓的要求選擇相對應的電磁吸盤（見圖6）。

圖6 電磁鐵控制電路圖

3 總結

綜上所述，地鐵閘機扇門控制系統的設計是集多個學科為一體的系統工作，只有充分了解系統中各個程序、部件的工作原理與流程，才能設計出符合實際地鐵閘機扇門，在不斷的實踐與研究中不斷改進與提高地鐵閘機扇門系統技術，以實現安全、可靠的全自動化控制系統，為人們今后的出行提供便利。