快速公交與站臺門之間無線聯(lián)動系統(tǒng)設(shè)計

摘要：快速公交BRT車輛在進站停車和發(fā)車時需要與設(shè)置在站臺上的站臺門進行同步的開關(guān)門動作，為此設(shè)計了一套基于RFID無線射頻識別技術(shù)的聯(lián)動系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由RFID單元、PLC控制器單元、DCU門控單元、PSA上位監(jiān)控單元等組成。經(jīng)過現(xiàn)場測試，該系統(tǒng)設(shè)計能夠準確地實現(xiàn)車輛門與站臺門的無線聯(lián)動，并能實時監(jiān)控和記錄各個在線設(shè)備的狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：快速公交BRT；站臺門；RFID無線射頻識別技術(shù)；RFID單元；PLC控制器單元 文獻標識碼：A

中圖分類號：U270 文章編號：1009-2374（2017）10-0018-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.10.009

目前快速公交BRT車輛與站臺門之間的無線聯(lián)動設(shè)計大多采用紅外、ZigBee、攝像等技術(shù)?？紤]到現(xiàn)場開放式全天候運營工況環(huán)境，以上技術(shù)固有的缺陷無法滿足準確聯(lián)動，比如紅外技術(shù)受限于發(fā)射器與接收器之間的紅外感應(yīng)角度較小且不能有障礙物遮擋；ZigBee無線技術(shù)在短距離定位上，精度和重復(fù)度無法保證；攝像技術(shù)通過捕捉視頻采樣照片識別公交車輛，易受現(xiàn)場實際環(huán)境制約，造成誤判等。本文設(shè)計了一套基于RFID無線射頻識別技術(shù)的聯(lián)動系統(tǒng)方案，包括硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩大部分，為BRT與站臺門之間實現(xiàn)高效而安全的運營創(chuàng)造條件。

1 系統(tǒng)設(shè)計

該系統(tǒng)主要由RFID單元、PLC控制器單元、DCU門控單元、PSA上位監(jiān)控單元組成。系統(tǒng)拓撲圖如圖1所示：

1.1 RFID單元設(shè)計

RFID單元硬件主要由TAG車載標簽、Reader閱讀器、天線等組成。標簽采用全向天線，安放在車輛儀表盤內(nèi)預(yù)留位置處并設(shè)置輸入點（開門信號、關(guān)門信號、故障反饋等）和輸出點（開到位、關(guān)到位、故障報警等），標簽通過輸入點采集司機按鈕操作信號，通過輸出點指示站臺門動作狀態(tài)及報警。閱讀器安裝在站臺門固定側(cè)盒內(nèi)，設(shè)置控制和通訊端口且與PLC控制器進行連接，完成無線收發(fā)數(shù)據(jù)向PLC有線信號的轉(zhuǎn)換。其中供電部分由就地電源模塊提供，即標簽由車載電源供電，閱讀器由站臺門電源供電。

RFID單元硬件除由以上組成外，另外跟隨BRT車輛為司機配備了一個無線遙控器，內(nèi)置鋰電池、TAG標簽及I/O口，作為司機緊急備用操作時使用。

RFID單元軟件通過PC機串口與閱讀器連接，使用自定義協(xié)議對閱讀器及標簽相關(guān)參數(shù)進行讀寫。主要參數(shù)包括設(shè)置閱讀器及標簽唯一ID號（用于識別閱讀器和標簽的物理屬性）、設(shè)置RF衰減值（通過對射頻高頻信號2.4GHz的修改達到控制閱讀器與標簽磁場感應(yīng)距離目的）、設(shè)置RSSI門限（通過對射頻低頻信號125kHz的修改達到控制標簽是否被激活的目的）。

RFID單元工作機制如下：（1）閱讀器及標簽供電；（2）閱讀器開始以特定頻率發(fā)射低頻觸發(fā)信號，同時開始掃描區(qū)域內(nèi)標簽信號；（3）當車載標簽進入閱讀器觸發(fā)信號范圍，接收到觸發(fā)信號后，標簽以高頻向閱讀器發(fā)送數(shù)據(jù)；（4）數(shù)據(jù)內(nèi)容包括標簽ID、觸發(fā)器ID、標簽以及閱讀器被觸發(fā)時的I/O狀態(tài)和場強值；（5）閱讀器穩(wěn)定收到標簽數(shù)據(jù)一段時間（該時間段可調(diào)）后，通過I/O端口采集站臺門狀態(tài)并發(fā)送開關(guān)門命令，通過無線磁場耦合傳輸給標簽；（6）區(qū)域內(nèi)標簽被低頻信號激活一段時間（該時間段可調(diào)）后，通過I/O端口發(fā)送司機開關(guān)門命令并采集站臺門狀態(tài)，通過無線磁場耦合傳輸給閱讀器；（7）閱讀器通過串口與PLC控制器連接，進行數(shù)據(jù)全雙工讀寫。

1.2 PLC控制器單元設(shè)計

PLC控制器單元主要由CPU中央處理器、I/O模塊、通訊模塊等組成。CPU負責軟件算法及邏輯編程，I/O模塊負責外部輸入信號采集及數(shù)字邏輯信號的輸出，通訊模塊負責與RFID閱讀器、DCU門控器、PSA上位監(jiān)控單元之間進行數(shù)據(jù)交換。

PLC軟件編程主要由以下功能模塊組成：（1）DCU門控器I/O邏輯處理功能塊，用于開關(guān)門命令及狀態(tài)的互鎖邏輯處理；（2）RFID單元I/O邏輯處理功能塊，用于開關(guān)門命令及反饋狀態(tài)的采集和數(shù)字濾波處理；（3）RFID單元參數(shù)自適應(yīng)調(diào)整功能塊，根據(jù)標簽與閱讀器之間磁場強度值動態(tài)調(diào)整RF及RSSI門限，吸納環(huán)境因素帶來的定位距離漂移誤差，確保標簽與閱讀器之間建立起有效的磁場通道；（4）PSA監(jiān)控單元數(shù)據(jù)采集功能塊，PLC通過串口與PSA連接，通訊協(xié)議采用標準的MODBUS-RTU，按照03（讀寫）、04（只讀）功能碼傳輸相關(guān)變量；（5）故障診斷功能塊，用于分析在線設(shè)備包括RFID單元、DCU單元、PLC單元、PSA單元等各種故障報警及原因追述。

1.3 DCU門控器單元設(shè)計

DCU是站臺滑動門電機的監(jiān)控裝置，每道滑動門單元配置一套DCU門控單元，控制兩扇滑動門動作。門控單元主要由控制驅(qū)動器、開關(guān)電源、接口單元及驅(qū)動與控制軟件等組成。驅(qū)動器負責電機電流、速度、位置曲線的檢測和計算，完成站臺門門體動作的加減速曲線。

（1）控制器負責I/O信號采集和輸出（開關(guān)門命令、站臺門運動狀態(tài)反饋、位置反饋、各種故障狀態(tài)等），并完成1#DCU與N#DCU之間CAN通訊以及與PLC控制器之間的RS485通訊；（2）驅(qū)動器負責電機電流、速度、位置曲線的檢測和計算，完成站臺門門體動作的加減速曲線；（3）開關(guān)電源負責將站臺供電，諸如AC220V或DC110V等轉(zhuǎn)換成DCU控制驅(qū)動器所需要的工作電源；（4）接口單元主要包括硬件I/O接口和通訊接口。其中I/O接口由單門操作盒LCB、整側(cè)站臺門操作箱PSL、就地狀態(tài)門頭燈DOI等組成，通訊接口由DCU之間的CAN通訊和DCU與PLC之間的RS485通訊組成；（5）驅(qū)動控制軟件包括I/O邏輯控制和電機三環(huán)控制。負責站臺滑動門按照設(shè)定的速度曲線實現(xiàn)對電機的實時控制，能夠根據(jù)門體在安裝后滑動門體推拉阻力的偏差，自動修正速度曲線，使滑動門到達規(guī)定的開關(guān)門時間。

1.4 PSA上位監(jiān)控單元設(shè)計

PSA上位監(jiān)控單元主要由通訊驅(qū)動模塊、數(shù)據(jù)監(jiān)控模塊、數(shù)據(jù)庫模塊、故障報警模塊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模塊組成。通訊驅(qū)動模塊負責解析PLC控制器設(shè)備層數(shù)據(jù)通訊協(xié)議及點表內(nèi)容，數(shù)據(jù)監(jiān)控模塊負責在線設(shè)備所有數(shù)據(jù)實時采集并進行相關(guān)參數(shù)設(shè)置，數(shù)據(jù)庫模塊完成歷史數(shù)據(jù)存儲、歸檔、查詢，故障報警模塊負責數(shù)據(jù)變量的實時及邏輯報警。

（1）通訊驅(qū)動模塊主要負責下位設(shè)備層數(shù)據(jù)與上位監(jiān)控PSA之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換與內(nèi)容傳輸，包括串口自定義協(xié)議、標準MODBUS-RTU、MODBUS-TCP等；（2）數(shù)據(jù)監(jiān)控模塊包括用戶管理、監(jiān)視畫面編輯與發(fā)布、變量篩選及存儲、工藝流程VBS腳本開發(fā)等；（3）數(shù)據(jù)庫模塊主要用于變量及報警記錄的歸檔和查詢，包括實時運行數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫；（4）故障報警模塊負責對在線設(shè)備，諸如RFID、DCU、PLC等單元進行實時故障診斷，對故障按級別進行分類顯示和處理。同時加入自學習算法，對故障部位、部件及次數(shù)等變量參數(shù)進行函數(shù)統(tǒng)計和計算，自動估算易損件類型和預(yù)更換時間等；（5）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模塊主要負責與二級計算機管理系統(tǒng)，諸如綜合監(jiān)控ISCS進行數(shù)據(jù)通訊，即將站臺級的數(shù)據(jù)按照規(guī)約篩選后匯總到數(shù)據(jù)集控中心，便于集控中心對所有BRT站點的數(shù)據(jù)進行監(jiān)控。

2 結(jié)語

當快速公交BRT越來越多地服務(wù)于各大城市時，它的快捷性、安全性、高效性受到了嚴格的考驗。站臺門作為公交車與乘客之間的安全屏障，如何實現(xiàn)在全天候工況下與BRT車輛精準而穩(wěn)定的聯(lián)動，讓司機進站及出站時可以實時掌握站臺門狀態(tài)并提前做出預(yù)案，讓乘客可以安全上下車，節(jié)約車輛駐車等待時間等要求，需要通過成熟、可靠、安全的系統(tǒng)設(shè)計來保證。系統(tǒng)中采用RFID無線射頻識別技術(shù)實現(xiàn)了BRT車輛與站臺門之間的無線對話，并通過系統(tǒng)中核心門控DCU單元以及PSA上位監(jiān)控單元，使就地車輛司機、乘客和遠程數(shù)據(jù)集控中心可以實時動態(tài)全過程掌控車輛及站臺門狀態(tài)，最終讓司機操作簡單，乘客上下車快捷，讓作為后臺的數(shù)據(jù)集控中心做出高效的行車安排和調(diào)度。

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作者簡介：趙忠（1981-），男，上海人，上海嘉成軌道交通安全保障系統(tǒng)股份公司工程師，研究方向：軌道交通站臺門電氣自動化系統(tǒng)設(shè)計及研發(fā)、上位機SCADA監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計。

（責任編輯：黃銀芳）