基于微机控制的智能高铁座椅

孙久龙 袁文 项群

摘要：为了解决中国高铁飞速发展同时出现的乘客信息核对困难、霸座、乘客乘车过站等问题，基于微机控制和传动装置，提出了1种多技术融合的新型高铁座椅。文章所介绍的模型集成了数据库技术、传感器技术和微机控制技术，通过车票的识别和数据对比确定车票与座椅间的对应关系，并利用微机对机械装置的驱动实现物理提醒的功能，同时预留了各种可拓展模块，为未来高铁座椅的信息化拓展提供了基础。通过实验，验证了所提出的座椅模型在现有高铁应用和发展上的可行性和有效性。

关键词：智能高铁座椅;微机控制;传感器传动装置;数据库

中图分类号：U270.38+7;TP39

文献标识码：A

文章编号：1001-5922（2020）08-0183-05

Smart High-speed Rail Seat Based on Microcomputer Control

SUN Jiu-long，YUAN Wen，XIANg Qun，ZHOU Yan

（School of Electrical Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 61003l.China）

Abstract ： In order to solve the problems such as passenger information checking difficulty，seat-hogging and pas-sengers passing through the station while China ' s high-speed raiway is developing rapidly，a new high-speed rail-way seat with multi-technology integration is proposed based on microcomputer control and transmission device.The model introduced in this paper integrates the database.the application of sensors and microcomputers，uses theidentification and comparison of data to determine the conesponding relationship hetween tickets and seats，usesthe drive of microcomputers to mechanical devices to realize the function of physical reminding， and reserves vari-ous expandable modules，which provides the foundation for the informatization of high-speed raiway seats in the fu-ture.Through experiments.the feasibility and effectiveness of the proposed seat model in the application and devel-opment of the existing high-speed rail are verified.

Key words ： smart high iron seat;microcomputer controI;Sensor transmission;database;

隨着我国高速铁路的快速发展，高铁以安全可靠、高速、性价比高等特点已成为国民出行的首选之一。高铁产业的发展对我国经济发展及交通运输做出了巨大的贡献，但在运营中也出现了一些问题。近年来引发民众关注的“高铁霸座”事件，极大地降低了乘客出行的舒适体验。智能手机的普及有时也会导致乘客“低头玩手机坐过站”，打乱出行计划，造成不必要的经济损失，给铁路运输管理带来不便。如何更好地解决上述问题，为乘客提供更好的服务，具有一定的实用价值。本文提出基于微机控制和传动装置的新型智能高铁座椅以解决上述问题。若要解决霸座问题，实现座椅的信息化至关重要。利用数据库管理系统，将高铁每趟车次的乘客信息预先写入数据库中用以进行信息比对，从而实现通过乘客车票信息核对来控制座椅电磁锁的开闭，使得信息核对不正确的乘客无法使用高铁座椅，可有效防止霸座现象的发生[1]。

目前高铁上针对防过站这一问题普遍采用的仍然是广播提醒方式。然而，由于高铁列车同一车厢旅客目的地的差异较大，这一提醒方式并不具有针对性。且对于某些特定情况，如乘客沉迷于智能手机或正在睡眠时，广播提醒往往容易被忽略。鉴于此，可利用数据库中存储的列车站点信息，当乘客快到站时，辅以加速度传感器装置的检测信号，若有明显减速现象则由微机发出信号驱动电控抬升装置抬升座椅从而实现一定的落差，落差形成合适的震感，提醒乘客下车。

1座椅硬件结构设计

基于微机控制的新型智能高铁座椅结构设计如图1-图3所示，包括由椅背、设置在椅背两侧的第一座椅扶手与第二座椅扶手和与两个座椅扶手底部铰接的椅垫组成的礼堂椅主体，椅垫内靠近椅背的一端设置有配重块，礼堂椅主体采用重力回复机制，使椅垫4在使用后能够进行收和[6]。

上面所述第一座椅扶手沿顶部表面嵌入二维码扫码装置，该二维码扫码装置的信号输出端与第一座椅扶手内微机控制器的第一信号输入端相连接，用于识别车票信息[2]。微机控制器采用型号为树莓派3b+，其通过无线通信功能与数据库管理终端进行连接，数据库管理终端有权更改座位、到站等信息，将对应车次的信息利用网络技术发送至对应车次的微机控制器内置数据库中。第一座椅扶手沿与第二座椅扶手相对的壁面上设置有电磁锁，电磁锁的标准电压为12V，其电源通过变压器连接至高铁电源端，该电磁锁靠近椅背一侧设置。微机控制器的标准电压为5v，其电源通过降压器接至电磁锁的电源端，其第一信号输出端与电磁锁的信号输入端相连接，椅垫朝向第一座椅扶手的侧壁上设置有与电磁锁相配合的锁扣，通过乘客车票信息核对来控制座椅电磁锁的开闭，使得信息核对不正确的乘客无法使用高铁座椅，可有效防止霸座现象的发生。所述二维码扫码装置由光源、透镜、扫描模组、AD转换电路组成。利用光电元件将光信号转换成为电信号，再将电信号通过AD转换电路转换为数字信号传送到微机中集中处理，最终得到车票二维码中包含的内置信息。具体如图4所示。

如图1所示，椅垫4底部设置有加速度传感器402，加速度传感器402是一种能够测量加速度的传感器，用于检测当前列车行驶过程中的加速度，通常由质量块、阻尼器、弹性元件、敏感元件和适调电路等部分组成。[10]传感器在加速过程中，通过对质量块所受惯性力的测量，利用牛顿第二定律获得加速度值，加速度传感器402的信号输出端与微机控制器203的第二信号输入端相连接，椅垫4顶部设置有震动坐垫403，震动坐垫403的信号输入端与微机控制器203的第二信号输出端相连接。

椅垫顶部设置有震动坐垫，该震动坐垫的信号输入端与微机控制器的第二信号输出端相连接，由微机发出信号驱动震动坐垫进行震动形成合适的震感，提醒乘客下车。

此外，如图2所示，第二座椅扶手顶部还设置有提醒灯7，提醒灯7的信号输入端与微机控制器203的第三信号输出端相连接，通过醒目的提醒灯能够有效提醒旅客已到达目的地，保证其不会错过站。

为保证座椅的安全性和稳定性，第一座椅扶手和第二座椅扶手底部均设置有基座，能够与高铁车厢进行固定。

为提供更好的舒适性，椅背贴合人体背部的侧壁上还设置有按摩球层，防止长时间依靠产生血液不流通的情况发生[4]。

附图标记说明：

2系统软件设计

2.1功能模块设计

结合座椅的硬件，将该系统功能设计为以下4部分：①防霸座识别。利用C++语言连接数据库进行数据读写设置CPIO口的高低电平，将扫码得到的数据段按需截取，与数据库中的乘客信息进行匹配，成功则使IO口打开，实现开锁功能;反之，IO口保持关闭，开锁失败;②到站提醒功能，则首先通过加速度传感器中的敏感元件将测点的加速度信号转换为相应的电信号，进入前置放大电路，改善信号的信噪比后，再进行AD转换，最终送入微机中[3];③站点移动。利用条件结构实现对站点的移动，再与数据库中的原始信息进行匹配，成功则使IO口打开，执行提醒功能。反之，IO口保持关闭，保持原来的状态。站点表按照高铁的实际运行线路存放在数据库中，数据库可以通过联网远程修改;④电磁锁开关流程。电磁锁驱动器与普通的交流220V电源相连接，利用其NC口驅动电磁锁。其中的PUSH口与微型计算机的GPIO口中的一个相连接，起到控制锁开闭的作用。利用微机的USB接口作为扫码装置的供电口，并用来与扫码设备通讯，接收扫码设备获取的二维码信息。最后利用驱动器的常12V直流口通过降压器后对微机供电。利用微机的另一组GPIO口通过三极管后来实现对12V直流震动坐垫运行/停止的控制。

2.2防霸座业务流程

系统防霸座业务流程如图6所示。数据库管理终端有权更改座位、到站等信息，将对应车次的信息利用网络技术发送至对应车次的微机内置数据库中。[5]座椅初始为折叠状态，坐垫两侧的电磁锁202电源通过变压器连接至高铁电源端，微机控制器203的电源通过降压器接至电磁锁202的电源端，旅客上车后，应将车票二维码置于扫码装置上扫描，此时扫码装置接收到主机发送的扫描命令开始读码并将读取的信息传送至中央控制模块，与数据库中预存的座位、旅客信息进行比对。若车票二维码对应的旅客座号信息与车次信息均与数据库中存储的信息一致，[9]则微机控制器203输出信号至电磁锁202的电源使其断电;电磁锁202为常开开关，初始状态下，座椅处于折叠状态，座椅靠背和坐垫自动贴合在一起，电磁锁202伸出的锁舌与坐垫边缘的凹孔卡和，旅客在不破坏座椅结构的情况下无法手动将坐垫拉至底部。通电后电磁锁202的锁舌收回，电磁锁202失去卡和功能，旅客可以将坐垫拉直底部位置就坐。若车票二维码对应的旅客身份信息或车次信息与数据库中存储的信息不一致，则电磁锁202继续打开。

2.3系统到站提醒流程

系统到站提醒业务流程如图7所示。当列车满足即将停靠的速度条件时，微机控制器203检测前方到站信息，与该座椅对应乘客的目的地进行比对，如果不匹配，提醒灯7和震动坐垫403将不会收到任何信号，系统维持原状态不变，等待下一车站时再进行等待识别;如果匹配，微机向提示灯输出电信号，提示灯颜色变成红色，提醒旅客前方为目的地，同时提醒灯7一侧设置有开关，如果旅客意识清醒，则可以按下左侧座椅扶手上的开关，从而阻断启动提醒装置的电信号，提醒系统不工作。

如果乘客并未按下此开关，则等待加速度传感器402检测到列车持续减速至速度为一定负值时（拟为：-3km/h），微机控制器203向震动坐垫403发送信号，震动坐垫403进行震动，从而使旅客产生震感，提醒旅客下车，同时震动坐垫403一侧设置有开关，当旅客被提醒后可通过开关进行震动坐垫403的关闭;站点表按照高铁的实际运行线路存放在数据库中，数据库可以通过联网远程修改。

旅客下车后，将控制电磁锁的IO口置低，电磁锁保持通电状态，座椅坐垫自动弹回至与座椅靠背贴合，电磁锁闭合，成功再次锁上座椅。即可迎接下一乘客。

3结论

本座椅具有以下功能和特点。

1）将每趟车次的乘客信息预先写入微机控制器的数据库中用以进行信息比对，从而实现通过乘客车票信息核对来控制座椅电磁锁的开闭，使得信息核对不正确的乘客无法使用高铁座椅，可有效防止霸座现象的发生。

2）利用数据库中存储的列车站点信息，结合通过扫码识别获得该座椅对应乘客的乘车信息，当乘客快到站时，辅以加速度传感器装置的检测信号，若有明显减速现象则由微机发出信号驱动震动坐垫进行震动形成合适的震感，提醒乘客下车。

3）基座能够与高铁车厢进行固定，保证其安全性和稳定性。

4）按摩球层能够使用户靠置在按摩球层上进行按摩，防止长时间依靠产生血液不流通的情况发生。

5）通过醒目的提醒灯能够有效提醒旅客已到达目的地，保证其不会错过站。

本新型高铁座椅不仅具备上述功能，还为高铁座椅的进一步信息化预留了空间。通过微机上的可拓展模块，可以引入更多的功能，例如高铁的温度控制、按摩娱乐、保护人身安全等功能，未来这些宝贵经验也可以应用到其它领域。

参考文献

[1]安徽理工大学.一种新型高铁座椅：中国，CN109733430[P].2019.03.25

[2]宋京.一种高铁多功能旋转座椅设计[J].汽车实用技术，2019，03：149-150

[3]南京理工大学.一种基于智能座椅的高铁检票系统及检票方法：CN110276842[P].2019.09.24

[4]汪丽娜.基于SPD的高铁椅面舒适度研究[D].上海：东华大学，2017.

[5]谢莲香.铁路用地管理应用系统建设方案构想[J].管理观察，2017，10：27-30

[6]刘春萌，董娟，薛冰洋，等.基于TRIZ理论优化卡车座椅高调锁止装置[J].汽车实用技术，2018，23：185-189

[7]吴洪建，詹林，董文，等.火车票二维码针对乘客的多元化应用[J].科技视界，2014，11： 22-22

[8]杨政军.二维码电子车票在自动售检票系统中的应用[J].管理观察，2016，4：78-82

[9]黄江平，吴昊，等.基于Android的火车票实名检票系统设计[J].电子技术应用，2012，9：21-27

[10]周达天.基于多传感器信息融合的列车定位方法研究[D].北京：北京交通大学，2007.

收稿日期：2020-01-21

作者简介：孙久龙（2000-），男，本科在读，电气工程及其自动化专业。E-mail： 1042236895@qq.com

通讯作者：周艳（1974-），女，讲师，研究方向：信息技术。E-mail： vzhou@swjtu.edu.cn

基金项目：2019年国家级大学生创新创业训练计划（201910613026）