网络数字广播在地铁车站PIS系统中的应用

曾 浩，毛 雨，陈 伦

(1.重庆邮电大学，重庆 400065;2.中国电子科技集团公司第三研究所，北京 100015)

0 引言

乘客信息系统(Passenger Information System，PIS)是当今地铁建设中的重要组成部分。它是以多媒体网络技术和计算机技术为核心，各终端为媒介向乘客提供信息服务的系统［1］。目前国内地铁建设发展迅速，车站PIS系统日臻完善，但PIS系统中的车站公共广播系统仍以模拟为主，布线复杂，成本较高，不便于远程播放管理和信息的灵活发布［2］。随着Internet技术的发展，IP网络技术带来的高速的传输和处理能力已经普遍影响和改变着各个技术领域，并随之产生很多新的应用。新一代的地铁车站信息系统的发展也极大地依托了IP网络技术。

地铁车站中的基于网络传输的数字式分区广播仍属于公共广播范畴。近些年，随着计算机技术和网络技术的高速发展，全盘由计算机控制管理和以太网传输数据的数字公共广播系统陆续进入市场，在车站PIS系统中设计和实现数字分区广播系统是今后车站PIS系统发展的必然趋势［3］。

1 系统总体结构

1.1 系统拓扑结构

系统的设计主要包括PC服务器模块、以太网传输模块和编解码硬件终端模块。一条地铁线路包括不同的车站，每个车站对其分区，例如进出站口、换乘通道、候车站台、服务区等(在本系统中暂以1，2，3，4区代替)。不同区域可自由分组，对不同区或不同组进行广播。系统语音数据流以及硬件控制数据采用以太网传输。传输过程中加入三层交换机可以进行跨局域网数据传输，实现控制中心可以对某站某区域进行直接广播。根据这些特点，给出系统总体结构如图1所示。

图1 系统总体结构设计

本系统的主要特点是每个终端都分配了IP地址，通过IP寻址实现灵活管理播放。每个车站的结构设计基本相同(图1中主要描述A车站的设计结构)。整条线路包括总控制中心和每个车站的分控中心，控制中心服务器上安装本系统的控制软件可以对各个小区终端实现管理和广播。因为服务器端软件具有良好的扩展性，所以总中心和分控中心可以安装同一套控制软件。控制中心主要提供前段语音源的采集和输入(包括传声器、计算机内音频文件、DVD语音等)，在服务器端选择播放区域后音频文件直接进入以太网实现传输，服务器播放区域的选择程序里都配置了各个终端的IP地址，数据经过以太网传输至指定的播放终端。终端除实现播放功能以外还可采集语音(有安装按钮控制的传声器)，可以实现报警功能，与控制中心连接通话。

1.2 系统通信设计

根据系统传输文件的特点，选择基于UDP的TFTP协议实现客户端与服务器端的通信过程。简单文件传输协议TFTP(Trivial File Transfer Protocol)是基于socket网络编程，可实现文件的上传(put)和下载(get)两种类型的传输功能。在实际传输过程中，将编解码终端设置为服务器，PC端设置为客户端来实现通信，即PC对终端广播的过程实际是TFTP协议中客户端向服务器上传(put)文件的过程，终端对PC端发送数据则是客户端从服务器下载(get)的过程，通过数据流的传输实现了分区广播的功能，其流程如图2所示。

图2 网络协议通信流程

2 网络终端设备硬件设计

根据系统的需求，终端编解码器主要实现功能包括:1)通过以太网传输数据;2)解码功能，将网络上接收到的数字化音频信号予以解码并实现音频输出;3)编码功能，终端有一个带有开关的固定传声器，当遇到紧急情况时可呼叫控制中心并通话。各个终端播放器采用相同的硬件结构，根据系统功能需求，硬件设备主要由微控制器(MCU)、以太网收发器(PHY)、音频编解码芯片和电源等几个模块组成，其结构框图如图3所示。

图3 终端编解码器硬件结构框图

主控芯片采用 STMicroelectronics公司的STM32F107VCT6，该芯片是整个系统的核心，控制其他包括存储器、网络接口、LCD、编解码芯片等单元。设计上整合了各种接口的网关设备，而且强化了音频性能，可以从外部存储器中读取、解码和输出音频信号。

以太网接口部分包括以太网控制器和以太网收发器PHY，本设计中STM32F107VCT6芯片内部集成了以太网控制器，所以不必再专门连接以太网控制器而直接与物理器件PHY连接［4］。选用的PHY为SMSC公司的LAN8700。

单独从终端电路板解码MP3文件是不可能的，因为终端嵌入式设备的处理速度和资源等方面不能达到需求，所以要依赖于专用MP3解码芯片，对其进行控制，本系统中采用芬兰VLSI公司的VS1003B来实现MP3解码。VS1003B是一款有音频编解码功能的专业芯片，内置音效处理功能，对传声器输入或线路输入的音频信号进行IMAADPCM编码，它的解码文件格式包括MP3和WMA等;该芯片内置DAC和音频放大电路可以驱动30 Ω耳机，以上功能方便了电路的设计［5］。

此结构中，LCD显示模块可以同步显示广播文件的一些重要数据和信息。在调试做好的PCB板时可先不连接以太网，从SD卡中读取数据，调试好电路板的编解码功能，再连接以太网接口便可测试并实现服务器端的数据收发功能。

3 服务器端控制软件设计与实现

本系统的PC端服务器工作在Windows下，PC端控制软件是在Microsoft VC++6.0平台上开发的，突出了操作方便、高效的特点。PC端服务器工作的一个重要功能就是可以实现分区广播，即对选定的播放区域进行个性化的广播，包括人工广播和背景广播。此外，当遇到紧急情况时，可以强插紧急广播［6］。

在服务器端程序设计中，在音频数据前添加了一个结构体，用来存储各个终端的IP地址，代码为:

当需要对某个或某几个区域进行播放时，在对应的界面中选择播放区域(如图4所示)，这时就可以将选定的终端通过IP地址从配置文件中读取，从而赋予结构体中的变量。当终端收到数据封包首先判定是否与自己的IP地址对应，如果是，则播放，否则拒绝。该方法不需要每次广播都对终端跟踪，只须当终端第一次加入该系统时将对应的IP地址写入配置文件即可，后续每次登陆界面后就会直接显示终端在线状态并可选择进行广播。系统综合界面业务平台如图4所示，圆点(绿点)表示终端在线，可对选择好的区域进行人工广播和背景广播。当终端遇到紧急情况可按动终端报警按钮，紧急广播对应区域变为红点闪烁，然后可选择连接通话。

图4 PC端综合业务平台界面(截图)

客户端和服务器端设计完成后，可对文件的传输播放进行测试，包括2个方面:1)文件质量的测试，先用Ultra-Edit对需要传输的文件进行包分析，然后通过wireshark软件对传输的过程进行抓包后对比得出丢包数;2)通过wireshark软件判定传输包的速度与文件的位速(一个数据流中每秒通过的信息量)对比，大于文件位速即可高质量播放，如普通MP3文件的位速为320 kbit/s，TFTP协议规定每个包为512 byte，通过wireshark软件计算出每秒传输TFTP包的个数，从而判定传输速度是否能达到文件位速。图5为部分TFTP封包传输过程中wireshark软件的抓包截图。测试结果表明，本系统成功实现广播文件在以太网环境下高质量传输和流畅的音频播放。

图5 TFTP封包wireshark抓包截图

4 小结

本文给出了一种适用于地铁车站PIS系统的数字式分区广播系统，并对其终端硬件和控制服务器端软件进行了设计。该系统经过测试可实现对某一区域个性化广播，传输质量高，扩展性强，具有较高的市场价值。这种基于网络技术和智能化控制的广播系统，是今后车站PIS系统不断完善和发展的必然要求。随着网络智能化的不断提升，本系统的应用范围也将更加广阔，如大型停车场、综合写字楼或商场等，其紧急报警和背景播放等功能将在信息发布领域中得到更广泛的应用和发展。

［1］陈栋.地铁乘客信息系统中无线局域网的研究与实现［D］.北京:北京交通大学，2006.

［2］ETSI TR 101496～3 v1.1.2.Digital Audio Broadcasting(DAB).Guidelines and rules for implementation and operation，part 3:broadcast network［S］.2001.

［3］钟恭良.公共广播的过去和现在(二)［J］.电声技术，2005，29(6):45－49.

［4］陈昶.嵌入式MP3流IP数字广播终端的研究与设计［D］.山西:太原理工大学，2008.

［5］曾卫华.基于ARM－uClinux的网络MP3设备的设计与实现［J］.微计算机信息，2008(23):39－40.

［6］张乃谦，金立标.浅议中国开展紧急广播建设应具有的特点［J］.电视技术，2010，34(7):4－7.