基于无线通信的站台安全门智能监控系统设计与实现

周 超，陈 栋，魏耀南，刘 磊

(1.中国铁道科学研究院集团有限公司 电子计算技术研究所，北京 100081；2.北京经纬信息技术有限公司，北京 100081；3.铁科院（北京）工程咨询有限公司，北京 100081)

站台安全门是城市轨道交通中重要的安全防护设备，使轨道区与站台候车区相对独立，保障乘客候车安全，降低了地铁列车给站台带来的噪声污染，为乘客提供了舒适的候车环境[1]。目前，国内外的站台安全门监控系统都是仅安装于设备房内[2]，需要有值班人员职守，时刻对控制设备、门体、信号系统等的状态进行监控，保障列车门与站台安全门的正常联动动作和站台安全门门体的正常工作。

关于站台安全门监控系统的研究已经取得了一些成果，文献[3]研究了站台安全门监控系统仿真平台搭建的可行性，广州地铁公司在广州一号线地铁站台安全门加装工程中研究了无线扩频技术在车地无线通信中的使用[4]，但是关于无线通信传输技术如何在站台安全门监控系统的使用上相关研究较少。由于站台安全门系统故障的突发性和随机性，现行的条件下，工作人员无法现场快速查看设备关键部件参数和系统重要数据，导致故障排除效率较低，对地铁运营带来了一定影响。此外，工作人员对滑动门调试时，只能通过门控单元（DCU）上按键进行，有时限于DCU安装位置，现场施工条件等原因，操作十分不便捷。同时，由于人体过于靠近滑动门，在调试过程中门体的突然运动也会给工作人员带来安全风险。为实现站台安全门设备的智能监控与维保，本文对基于无线通信的站台安全门智能监控系统展开研究。

1 系统设计

1.1 系统总体架构

基于无线通信的站台安全门智能监控系统主要由前端传感器采集模块、DCU、工控机和无线传输模块、手持移动控制终端5部分组成。其总体架构，如图1所示。

图1 站台安全门智能监控系统总体架构

1.2 系统功能

站台安全门控制系统由以下几个部分组成，分别拥有着不同的控制权限和控制功能：（1）中央控制盘（PSC），是控制系统最核心的设备；(2)紧急控制盘（PEC），是在发生火灾等特殊情况下的操作设备；（3）就地控制盒(LCB)，是门单元发生网络通信故障，电源故障等情况下，均可通过LCB使此门单元隔离；（4）DCU，控制单个滑动门动作；（5）就地控制盘（PSL），可以控制整侧站台安全门动作。PSC还连接不同专业设备的接口、门体单元、信号系统指令传输的通信总线，完成上下侧站台安全门的控制、状态监视和故障报警功能[5]。

站台安全门系统各部分的运行状态都集中在站台安全门监控系统中，通过该系统，运营人员只能在设备室中掌握当前车站站台安全门系统的实时状态与故障信息。基于无线通信的站台安全门智能监控系统需要将上位机中的数据进行采集、整理、分析、诊断，提供站台安全门设备部件健康状态和故障定位，方便维护人员准确快速排除故障。系统在功能设计上将监控状态数据分为系统级数据管理模块、站台级数据管理模块、单门级数据管理模块3个部分。系统级数据包括信号系统数据和电源系统数据，主要监视信号系统开关门指令、站台安全门系统全闭锁状态、电源输出电压波动情况等重要信息。站台级数据主要包括PSL数据和PEC数据，主要显示PSL和PEC的操作状态和互锁信息。还有单门级数据，包括单门故障、单门报警、手动解锁等数据，主要反映电磁锁工作状态、电机速度曲线、开关门遇阻等单门的状态信息，同时,工作人员可通过智能监控终端对门体发出控制命令，系统功能架构，如图2所示。

图2 站台安全门智能监控系统功能架构

2 系统关键技术实现

2.1 数据采集模块设计

为满足站台安全门的部件监测参数需求，系统使用了电压传感器、温湿度传感器、霍尔传感器、限位传感器等，传感器模块通过多路选择器和 A/D 转换，将采集到的各类数据实时发送给主控制器单元，数据采集系统结构，如图3所示。

2.2 门控单元设计

DCU是站台安全门的门控单元控制器，采用模块化设计的思想对其结构进行设计，门机驱动器（JWPD）和门机控制器（JWPC）是其核心组成部分，通过数据输入输出接口与外界设备如指示灯、蜂鸣器、电磁锁、微动开关等联通。JWPC和JWPD的核心处理单元是STM 32芯片，该芯片功能强大、功耗低，具有快速的数据处理能力，同时，DCU使用UCOS嵌入式操作系统，实时性强，可多任务操作。DCU通过硬线连接以及M odbus总线与PSC连接，接收开关门命令的控制和对门体数据采集后的上传。DCU通过CAN总线对门机驱动器控制，采用SVPWM控制算法计算出调整电机电压的PWM信号组[6]，由该信号控制功率器件的开关，从而控制电机的电压输入，达到调速的目的[7]，DCU的电气原理，如图4所示。

图3 数据采集系统结构图

图4 DCU电气原理图

2.3 无线传输模块设计

本文选用GSM模块 M26作为无线通信中转模块。工控机接收Modbus传输的数据后，通过与M26的通信，可编程实现在串口端与网络端之间提供高速双向透明数据传输通道，方便用户设备实现无线远距离的数据传输[8]。

M26模块具有丰富的接口，比如：开关机接口，串口，音频接口，PCM接口，SIM接口，ADC接口，射频接口，蓝牙接口。其通用无线分组业务（GPRS）数据特性完全满足系统的设计需要，GPRS上下行最大传输速度为85.6 kbps，编码格式是CS-1，CS-2，CS-3和CS-4，支持通常用于PPP连接的密码验证协议（PAP），询问握手认证协议（CHAP），内嵌协议包括：TCP，UDP，FTP，PPP，HTTP，NTP，MMS，SM TP，PING等，还支持非结构化补充数据业务[9]。M26模块基本原理图，如图5所示。

图5 M26模块基本原理图

无线传输功能的实现原理如下：（1）每个门控单元的数据通过M odbus总线汇总到工控机；（2）站台安全门系统数据通过USART传输到M26模块，M26模块将数据通过GPRS传输到Web服务器；（3）W eb服务器与手持设备通过In ternet进行连接和通信数据接收；（4）实现在手持设备端读取信号系统、电源系统、单个门体状态监控数据，也可通过手持设备发送控制命令对门体进行控制，如门体开关门指令、自学习指令等。

在本文中，AT 指令是应用在手持移动设备和与服务器之间用于连接与通信的指令， AT 指令即A ttention。 AT指令的命令行开头必须是“AT”或“at”，结尾是，它的格式是“<回车><换行><响应内容><回车><换行>”。

发送数据到M26：

MCU：AT+QISEND=8 （8：要发送给M26的字节数）

M26：> （或者）ERROR

MCU：20181234

（发送的数据内容）

M26：SEND OK （或者）SEND FAIL n

M26: +QIRDI: 0,1,0 （数据到达通知）

从M26中读数据：

MCU: AT+QIRD=0,1,0,4 （4：要求读取4个 byte）

M26: +Q IRD: 120.24.76.130:6800,TCP,4 2018 OK （2018：所读数据）

MCU: AT+QIRD=0,1,0,4 （4：要求读取4个 byte）

M26: +QIRD: 120.24.76.130:6800,TCP,4 1234 OK （1234：被读取数据）

MCU: AT+QIRD=0,1,0,4 （4：读取4个byte）

M26: OK （没有相关数据被读出）

3 系统试验

站台安全门智能监控系统界面，如图6所示，该界面将各个车站设备的状态分块显示，并根据列车的编组信息动态配置界面中滑动门的编组情况，显示了电源状态、IBP状态、PSL状态、PSC状态等重要的系统级和站台级数据信息。

图6 站台安全门智能监控系统界面

监控系统无线终端DCU监控界面如图7所示，可显示DCU的工作参数、门体报警状态、故障状态、工作状态等重要单门级数据信息。

无论是与监控主机还是门控单元进行连接，都可查看参数管理界面。在与监控主机连接时，可对整个站台的门控单元进行远程控制和参数下载操作；在与门控单元进行连接时，可对该DCU进行操作。界面如图8所示，选中DCU编号可读取和下载该DCU的参数，每次只准对一个DCU进行操作。在远程控制栏中，可选择需要控制的多个DCU编号，远程控制的指令包括：远程开门、远程关门和远程自学习。

图7 站台安全门智能监控系统DCU监控界面

图8 站台安全门智能监控系统单门控制界面

4 结束语

站台安全门智能监控系统主要由前端传感器采集模块、DCU、工控机和无线传输模块、手持移动控制终端5部分组成，提出使用GSM模块M26通过AT编程实现串口端和网络端的数据转换、传输，比传统无线传输实现方法更加简单、安全、可靠。通过试验室中对该系统的试验测试表明，该系统可解决目前站台安全门运营过程数据监控不及时、智能化程度低、工作人员维保效率差等问题，同时，系统具有较强的实时性、可靠性和安全性，并一定程度上降低了站台安全门维护成本。