地鐵站內無線乘客求助系統(tǒng)設計方案

0 引言

隨著中國城市的快速發(fā)展，地鐵在現代城市公交中起著日益重要的作用。地鐵站自動/自助設備眾多，在為乘客提供服務的同時不可避免地也會出現各種故障。為了便于向乘客提供高效快速的服務，地鐵車站都配置乘客求助服務系統(tǒng)。

有線乘客求助系統(tǒng)由于需要布線，施工復雜，不利于靈活設置。無線乘客求助系統(tǒng)可靈活方便配置，施工簡單，但存在通信距離不足，抗干擾能力弱的缺點。本文基于無線收發(fā)模塊、單片機和中繼器設計了適用于地鐵站內環(huán)境的無線乘客求助系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)介紹

1.1 系統(tǒng)結構

地鐵無線乘客求助系統(tǒng)主要由車站計算機、管理終端、中繼器、求助終端組成。車站計算機與管理終端安裝于地鐵站控制室，求助終端安裝于地鐵站內有可能需要乘客求助服務的設備或者建筑物上，中繼器則安裝于管理終端與求助終端間以放大并傳遞無線信號。

1.2 系統(tǒng)工作原理

地鐵無線乘客求助系統(tǒng)由安裝于車站控制室的一臺車站計算機、一臺管理終端和分布在車站各處的多臺求助終端構成。當乘客需要求助時按下一臺求助終端的求助按鈕，此時安裝于求助終端上的求助信號燈由暗變?yōu)槌Ａ帘硎厩笾盘栆呀洶l(fā)出。求助信號以無線方式傳送至管理終端，管理終端接收到求助信息后將其以有線方式傳送至車站計算機并由車站計算機顯示發(fā)送求助信息的求助終端的編號。車站管理人員點擊車站計算機上的求助響應按鈕對求助信息進行響應，響應信息以有線方式傳送至管理終端再通過無線方式傳送至求助終端，此時求助終端上的求助信號燈由常亮變?yōu)殚W爍表示求助信號已被響應，乘客只需等待工作人員前來處理問題。

無線求助系統(tǒng)的工作原理如圖1所示。

圖1　無線乘客求助系統(tǒng)工作原理圖

2 系統(tǒng)設計

要滿足無線乘客求助系統(tǒng)的設計要求，系統(tǒng)各部分需要具備以下功能：

車站計算機：系統(tǒng)監(jiān)控虛擬儀器，顯示各求助終端編號、分布及實時狀態(tài)；求助響應按鈕和全體響應按鈕，對相應求助終端的求助信號或所有求助信號進行響應；求助清除按鈕和全體清除按鈕，對相應求助終端的求助信號或所有求助信號進行清除；系統(tǒng)狀態(tài)檢查按鈕，檢查所有求助終端是否處于正常工作狀態(tài)。

管理終端：接口模塊，與車站計算機進行通信；無線收發(fā)模塊，與求助終端進行通信；微控制器，控制串行接口與無線收發(fā)模塊的工作并傳輸和存儲相關信息。

求助終端：求助按鈕，供乘客求助時使用；求助指示燈，提示乘客求助是否被響應；無線收發(fā)模塊，與管理終端進行通信；微控制器，控制按鈕、指示燈及無線收發(fā)模塊的工作并存儲和傳輸相關信息。

地鐵無線乘客求助系統(tǒng)的硬件設計框圖如圖2所示。

圖2　地鐵無線乘客求助系統(tǒng)硬件設計框圖

2.1 求助終端設計

根據系統(tǒng)功能要求，求助終端選用無線收發(fā)模塊nRF905.nRF905是挪威Nordic VLSI公司推出的單片射頻收發(fā)器，工作電壓為1.9~3.6 V,32引腳QFN封裝（5 mm×5 mm），工作于433/868/915 MHz三個ISM（工業(yè)、科學和醫(yī)學）頻道，頻道之間的轉換時間小于650μs.nRF905由頻率合成器、接收解調器、功率放大器、晶體振蕩器和調制器組成，不需外加聲表濾波器，ShockBurst工作模式，自動處理字頭和CRC（循環(huán)冗余碼校驗），使用SPI接口與微控制器通信，配置非常方便。此外，其功耗非常低，以10 dBm的輸出功率發(fā)射時電流只有30 mA,工作于接收模式時的電流為12.5 mA.內建空閑模式與關機模式，易于實現節(jié)能。nRF905有4種工作模式，如表1所示。

表1 nRF905工作模式

SPI接口由SCK.MISO,MOSI以及CSN組成。功能分別為SPI時鐘，SPI輸出。SPI輸入，SPI片選。

狀態(tài)輸出接口有提供載波檢測輸出的CD,地址匹配輸出的AM,數據就緒輸出的DR.

nRF905外接電路簡單，不需添加過多外接器件，其外接原理圖如圖3所示。

圖3 nRF905外接原理圖

單片機的相應引腳與無線收發(fā)模塊nRF905、求助按鈕、求助信號燈相連接并控制其工作，組成求助終端。

2.2 管理終端設計

由于管理終端除了要完成求助終端一樣的無線信息傳輸功能外，還要完成與計算機的有線信息傳輸。所以管理終端在求助終端的基礎上又增加了一片單片機與接口模塊。本文采用標準RS 232C接口模塊，采用MAXIM公司生產的MAX232A芯片將微單片機的TTL電平與計算機串口標準RS 232C電平進行相互轉換。

2.3 中繼器的使用分析

地鐵站是一個環(huán)境復雜的公共場所，其中建筑物多，各種射頻設備干擾復雜，無線傳輸模塊發(fā)送的信號經過衰減和干擾后很難可靠傳送，經過試驗，10 dBm的發(fā)射功率其可靠通信距離只有30~40 m左右，而地鐵站長達數百米。要實現可靠的無線數據通信，可采用以下兩種方案實現：

方案一：通過增加無線發(fā)射的功率實現數據的遠距離傳輸。

方案二：通過增設無線中繼器拓展傳輸網絡，實現遠距離傳輸。

方案二相比于方案一有功耗低，對人體健康影響小，對地鐵站內其他設備干擾小的優(yōu)點。所以本文選擇中繼器用來延長無線傳輸距離。

自由空間傳播時的無線通信距離的計算方法：天線周圍為無限大真空時的電波傳播，它是理想條件。電波在自由空間傳播時，其能量既不會被障礙物所吸收，也不會產生反射或散射。通信距離與發(fā)射功率、發(fā)射頻率和接收靈敏度的關系式：

Los=32.44+20lg d+20lgf （1）

式中：Los表示傳輸損耗，單位：dB;d為傳輸距離，單位：km;f為載波頻率，單位：MHz.

由式（1）可見，自由空間中電波傳播損耗（亦稱衰減）只與工作頻率f和傳播距離d有關，當傳輸損耗一定時，載波頻率越低，傳輸距離越遠，所以本文選擇nRF905工作頻率為433 MHz.

本文中無線收發(fā)模塊nRF905的工作頻率為433.92 MHz,發(fā)射功率為+10 d13m（10 mW），接收靈敏度為-100dBm.由此可得：

Los=110 dB

由式（1）計算可得，在自由空間傳播時的無線通信距離d=30km.

這是在室外無任何障礙物和干擾源的情況下的理想傳輸距離，而在地鐵站中中，無線信號強度在遇到傳播途徑中的大氣、建筑物等影響因素時都會衰減，從而大大降低了無線信號的傳輸距離。當衰減大于25 dB時，nRF905的有效傳輸距離將小于100m.

在室內無線通信時，電磁波會受到墻壁、門窗等阻擋物的衰減，在工程應用中可按表2選取衰減值。

表2 433MHz和868MHz頻段室內衰減表

經過在地鐵站內的實際觀察，參考表2可得出地鐵站內對無線信號的衰減將在25 dB左右甚至超過25 dB,所以管理終端和求助終端之間至少需要使用一臺中繼器。

3 軟件設計

3.1 軟件抗干擾設計

地鐵站內環(huán)境復雜，干擾源眾多，會對地鐵無線乘客求助系統(tǒng)信息的準確傳輸產生影響。通過軟件控制系統(tǒng)的工作流程，可以有效減弱系統(tǒng)所受到的干擾。

地鐵無線求助系統(tǒng)的工作流程如下：

（1）管理終端通過無線收發(fā)模塊向第一臺求助終端發(fā)送上傳乘客求助信號的命令。

（2）如果第一臺求助終端有乘客求助申請，則求助終端向管理終端發(fā)出求助申請信號。如果第一臺求助終端沒有乘客求助申請，則返回第一步向第二臺求助終端發(fā)送上傳乘客求助信號的命令。

（3）管理終端接到第一臺求助終端發(fā)送的乘客求助申請信號后，發(fā)出批準信號。

（4）第一臺求助終端接收到批準信號后，將存儲在其寄存器中的乘客求助信息發(fā)送至管理終端。

（5）管理終端接收到第一臺求助終端的乘客求助信息后將其存儲至寄存器，并返回第一步向第二臺求助終端發(fā)出上傳乘客求助命令信號。

（6）管理終端完成一次對所有求助終端的掃描，再將其寄存器中的乘客求助信息通過串行接口傳送至計算機。

（7）求助終端則利用掃描間隙接收乘客求助按鈕發(fā)出的乘客求助信息并將其存至求助終端寄存器。

3.2 管理終端軟件設計

管理終端開機便進行初始化，然后進入掃描求助終端狀態(tài)。當接收到乘客求助請求信號后，便發(fā)出批準信號，收到乘客求助信息后便將乘客求助信息存入寄存器，并繼續(xù)掃描下一臺求助終端，直至一輪掃描完成后，將乘客求助信息傳送至計算機，然后開始下一輪掃描。其工作流程如圖4所示。

圖4　管理終端工作流程圖

3.3 求助終端軟件設計

求助終端開機后處于射頻接收模式，系統(tǒng)查詢掃描乘客求助按鈕，如果沒有按下則繼續(xù)等待。如果掃描到乘客求助按鈕被按下，則將乘客求助信息存入寄存器等待發(fā)送。當接收到管理終端發(fā)送來的命令信號，則發(fā)出乘客求助信息申請信號并等待批準信號，接到管理終端的批準信號后發(fā)送乘客求助信息，隨后繼續(xù)掃描乘客求助按鈕。其工作流程如圖5所示。

圖5　求助終端工作流程圖

4 結語

本設計在原有無線通信系統(tǒng)上針對無線收發(fā)模塊進行了無線信號在地鐵站環(huán)境中的衰減分析，先從理論上證明了無線收發(fā)模塊在地鐵站內的有效傳輸距離會大大減小甚至不足百米。通過在空曠環(huán)境和地鐵站內對本系統(tǒng)的測試，驗證了理論分析的可行性，站內環(huán)境對系統(tǒng)的衰減嚴重。本設計討論了解決方案并最終選擇使用中繼器延長無線收發(fā)模塊的傳輸距離。該無線乘客求助系統(tǒng)在其他復雜環(huán)境公共場所同樣適用。