0 引言
隨著中國(guó)城市的快速發(fā)展，地鐵在現(xiàn)代城市公交中起著日益重要的作用。地鐵站自動(dòng)/自助設(shè)備眾多，在為乘客提供服務(wù)的同時(shí)不可避免地也會(huì)出現(xiàn)各種故障。為了便于向乘客提供高效快速的服務(wù)，地鐵車(chē)站都配置乘客求助服務(wù)系統(tǒng)。
有線(xiàn)乘客求助系統(tǒng)由于需要布線(xiàn)，施工復(fù)雜，不利于靈活設(shè)置。無(wú)線(xiàn)乘客求助系統(tǒng)可靈活方便配置，施工簡(jiǎn)單，但存在通信距離不足，抗干擾能力弱的缺點(diǎn)。本文基于無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊、單片機(jī)和中繼器設(shè)計(jì)了適用于地鐵站內(nèi)環(huán)境的無(wú)線(xiàn)乘客求助系統(tǒng)。
1 系統(tǒng)介紹
1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
地鐵無(wú)線(xiàn)乘客求助系統(tǒng)主要由車(chē)站計(jì)算機(jī)、管理終端、中繼器、求助終端組成。車(chē)站計(jì)算機(jī)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(nèi)有可能需要乘客求助服務(wù)的設(shè)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(wú)線(xiàn)信號(hào)。
1.2 系統(tǒng)工作原理
地鐵無(wú)線(xiàn)乘客求助系統(tǒng)由安裝于車(chē)站控制室的一臺(tái)車(chē)站計(jì)算機(jī)、一臺(tái)管理終端和分布在車(chē)站各處的多臺(tái)求助終端構(gòu)成。當(dāng)乘客需要求助時(shí)按下一臺(tái)求助終端的求助按鈕，此時(shí)安裝于求助終端上的求助信號(hào)燈由暗變?yōu)槌Ａ帘硎厩笾盘?hào)已經(jīng)發(fā)出。求助信號(hào)以無(wú)線(xiàn)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(xiàn)方式傳送至車(chē)站計(jì)算機(jī)并由車(chē)站計(jì)算機(jī)顯示發(fā)送求助信息的求助終端的編號(hào)。車(chē)站管理人員點(diǎn)擊車(chē)站計(jì)算機(jī)上的求助響應(yīng)按鈕對(duì)求助信息進(jìn)行響應(yīng)，響應(yīng)信息以有線(xiàn)方式傳送至管理終端再通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式傳送至求助終端，此時(shí)求助終端上的求助信號(hào)燈由常亮變?yōu)殚W爍表示求助信號(hào)已被響應(yīng)，乘客只需等待工作人員前來(lái)處理問(wèn)題。
無(wú)線(xiàn)求助系統(tǒng)的工作原理如圖1所示。
圖1 無(wú)線(xiàn)乘客求助系統(tǒng)工作原理圖
2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
要滿(mǎn)足無(wú)線(xiàn)乘客求助系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)各部分需要具備以下功能：
車(chē)站計(jì)算機(jī)：系統(tǒng)監(jiān)控虛擬儀器，顯示各求助終端編號(hào)、分布及實(shí)時(shí)狀態(tài)；求助響應(yīng)按鈕和全體響應(yīng)按鈕，對(duì)相應(yīng)求助終端的求助信號(hào)或所有求助信號(hào)進(jìn)行響應(yīng)；求助清除按鈕和全體清除按鈕，對(duì)相應(yīng)求助終端的求助信號(hào)或所有求助信號(hào)進(jìn)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(chē)站計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信；無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊，與求助終端進(jìn)行通信；微控制器，控制串行接口與無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊的工作并傳輸和存儲(chǔ)相關(guān)信息。
求助終端：求助按鈕，供乘客求助時(shí)使用；求助指示燈，提示乘客求助是否被響應(yīng)；無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊，與管理終端進(jìn)行通信；微控制器，控制按鈕、指示燈及無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊的工作并存儲(chǔ)和傳輸相關(guān)信息。
地鐵無(wú)線(xiàn)乘客求助系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。
圖2 地鐵無(wú)線(xiàn)乘客求助系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖
2.1 求助終端設(shè)計(jì)
根據(jù)系統(tǒng)功能要求，求助終端選用無(wú)線(xiàn)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(gè)ISM（工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué)）頻道，頻道之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間小于650μs.nRF905由頻率合成器、接收解調(diào)器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器組成，不需外加聲表濾波器，ShockBurst工作模式，自動(dòng)處理字頭和CRC（循環(huán)冗余碼校驗(yàn)），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(shí)電流只有30 mA,工作于接收模式時(shí)的電流為12.5 mA.內(nèi)建空閑模式與關(guān)機(jī)模式，易于實(shí)現(xiàn)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(shí)鐘，SPI輸出。SPI輸入，SPI片選。
狀態(tài)輸出接口有提供載波檢測(cè)輸出的CD,地址匹配輸出的AM,數(shù)據(jù)就緒輸出的DR.
nRF905外接電路簡(jiǎn)單，不需添加過(guò)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(jī)的相應(yīng)引腳與無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊nRF905、求助按鈕、求助信號(hào)燈相連接并控制其工作，組成求助終端。
2.2 管理終端設(shè)計(jì)
由于管理終端除了要完成求助終端一樣的無(wú)線(xiàn)信息傳輸功能外，還要完成與計(jì)算機(jī)的有線(xiàn)信息傳輸。所以管理終端在求助終端的基礎(chǔ)上又增加了一片單片機(jī)與接口模塊。本文采用標(biāo)準(zhǔn)RS 232C接口模塊，采用MAXIM公司生產(chǎn)的MAX232A芯片將微單片機(jī)的TTL電平與計(jì)算機(jī)串口標(biāo)準(zhǔn)RS 232C電平進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換。
2.3 中繼器的使用分析
地鐵站是一個(gè)環(huán)境復(fù)雜的公共場(chǎng)所，其中建筑物多，各種射頻設(shè)備干擾復(fù)雜，無(wú)線(xiàn)傳輸模塊發(fā)送的信號(hào)經(jīng)過(guò)衰減和干擾后很難可靠傳送，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，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(zhǎng)達(dá)數(shù)百米。要實(shí)現(xiàn)可靠的無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)通信，可采用以下兩種方案實(shí)現(xiàn)：
方案一：通過(guò)增加無(wú)線(xiàn)發(fā)射的功率實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸。
方案二：通過(guò)增設(shè)無(wú)線(xiàn)中繼器拓展傳輸網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸。
方案二相比于方案一有功耗低，對(duì)人體健康影響小，對(duì)地鐵站內(nèi)其他設(shè)備干擾小的優(yōu)點(diǎn)。所以本文選擇中繼器用來(lái)延長(zhǎng)無(wú)線(xiàn)傳輸距離。
自由空間傳播時(shí)的無(wú)線(xiàn)通信距離的計(jì)算方法：天線(xiàn)周?chē)鸀闊o(wú)限大真空時(shí)的電波傳播，它是理想條件。電波在自由空間傳播時(shí)，其能量既不會(huì)被障礙物所吸收，也不會(huì)產(chǎn)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(guān)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(jiàn)，自由空間中電波傳播損耗（亦稱(chēng)衰減）只與工作頻率f和傳播距離d有關(guān)，當(dāng)傳輸損耗一定時(shí)，載波頻率越低，傳輸距離越遠(yuǎn)，所以本文選擇nRF905工作頻率為433 MHz.
本文中無(wú)線(xiàn)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(jì)算可得，在自由空間傳播時(shí)的無(wú)線(xiàn)通信距離d=30km.
這是在室外無(wú)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(wú)線(xiàn)信號(hào)強(qiáng)度在遇到傳播途徑中的大氣、建筑物等影響因素時(shí)都會(huì)衰減，從而大大降低了無(wú)線(xiàn)信號(hào)的傳輸距離。當(dāng)衰減大于25 dB時(shí)，nRF905的有效傳輸距離將小于100m.
在室內(nèi)無(wú)線(xiàn)通信時(shí)，電磁波會(huì)受到墻壁、門(mén)窗等阻擋物的衰減，在工程應(yīng)用中可按表2選取衰減值。
表2 433MHz和868MHz頻段室內(nèi)衰減表
經(jīng)過(guò)在地鐵站內(nèi)的實(shí)際觀察，參考表2可得出地鐵站內(nèi)對(duì)無(wú)線(xiàn)信號(hào)的衰減將在25 dB左右甚至超過(guò)25 dB,所以管理終端和求助終端之間至少需要使用一臺(tái)中繼器。
3 軟件設(shè)計(jì)
3.1 軟件抗干擾設(shè)計(jì)
地鐵站內(nèi)環(huán)境復(fù)雜，干擾源眾多，會(huì)對(duì)地鐵無(wú)線(xiàn)乘客求助系統(tǒng)信息的準(zhǔn)確傳輸產(chǎn)生影響。通過(guò)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(wú)線(xiàn)求助系統(tǒng)的工作流程如下：
（1）管理終端通過(guò)無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊向第一臺(tái)求助終端發(fā)送上傳乘客求助信號(hào)的命令。
（2）如果第一臺(tái)求助終端有乘客求助申請(qǐng)，則求助終端向管理終端發(fā)出求助申請(qǐng)信號(hào)。如果第一臺(tái)求助終端沒(méi)有乘客求助申請(qǐng)，則返回第一步向第二臺(tái)求助終端發(fā)送上傳乘客求助信號(hào)的命令。
（3）管理終端接到第一臺(tái)求助終端發(fā)送的乘客求助申請(qǐng)信號(hào)后，發(fā)出批準(zhǔn)信號(hào)。
（4）第一臺(tái)求助終端接收到批準(zhǔn)信號(hào)后，將存儲(chǔ)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(tái)求助終端的乘客求助信息后將其存儲(chǔ)至寄存器，并返回第一步向第二臺(tái)求助終端發(fā)出上傳乘客求助命令信號(hào)。
（6）管理終端完成一次對(duì)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(guò)串行接口傳送至計(jì)算機(jī)。
（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(shè)計(jì)
管理終端開(kāi)機(jī)便進(jìn)行初始化，然后進(jìn)入掃描求助終端狀態(tài)。當(dāng)接收到乘客求助請(qǐng)求信號(hào)后，便發(fā)出批準(zhǔn)信號(hào)，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(tái)求助終端，直至一輪掃描完成后，將乘客求助信息傳送至計(jì)算機(jī)，然后開(kāi)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(shè)計(jì)
求助終端開(kāi)機(jī)后處于射頻接收模式，系統(tǒng)查詢(xún)掃描乘客求助按鈕，如果沒(méi)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(dāng)接收到管理終端發(fā)送來(lái)的命令信號(hào)，則發(fā)出乘客求助信息申請(qǐng)信號(hào)并等待批準(zhǔn)信號(hào)，接到管理終端的批準(zhǔn)信號(hào)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(jié)語(yǔ)
本設(shè)計(jì)在原有無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)上針對(duì)無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊進(jìn)行了無(wú)線(xiàn)信號(hào)在地鐵站環(huán)境中的衰減分析，先從理論上證明了無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊在地鐵站內(nèi)的有效傳輸距離會(huì)大大減小甚至不足百米。通過(guò)在空曠環(huán)境和地鐵站內(nèi)對(duì)本系統(tǒng)的測(cè)試，驗(yàn)證了理論分析的可行性，站內(nèi)環(huán)境對(duì)系統(tǒng)的衰減嚴(yán)重。本設(shè)計(jì)討論了解決方案并最終選擇使用中繼器延長(zhǎng)無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊的傳輸距離。該無(wú)線(xiàn)乘客求助系統(tǒng)在其他復(fù)雜環(huán)境公共場(chǎng)所同樣適用。
