火車臥鋪車廂防過站提醒系統(tǒng)設(shè)計(jì)

秦靜 曾實(shí)現(xiàn) 王岳齊 韓子奇 孫理智 李春曉 韓子奇

摘要：為了更好地服務(wù)于大眾，針對于在火車、高鐵臥鋪上遇到的坐過站問題設(shè)計(jì)了一款基于STM32單片機(jī)的火車臥鋪車廂防過站提醒系統(tǒng)?；疖嚺P鋪車廂防過站提醒系統(tǒng)是融合了機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)、控制和人工智能等高新技術(shù)的產(chǎn)物，它以單片機(jī)作為主控制系統(tǒng)，由按鍵床鋪，IC讀卡器作為信息采集，由乘務(wù)員端作為顯示系統(tǒng)，由振動(dòng)電機(jī)作為提醒系統(tǒng)。其工作過程為，乘客上車，乘務(wù)員掃描身份證，讀卡器將乘客的乘車信息自動(dòng)導(dǎo)入乘務(wù)員的系統(tǒng)，當(dāng)乘客快到所到達(dá)的站點(diǎn)，按鍵床鋪通過采集到的信號(hào)，判斷乘客是否在臥鋪上，振動(dòng)電機(jī)開始對乘客進(jìn)行喚醒服務(wù)，如果乘客沒有醒，將及時(shí)提示乘務(wù)員端，這時(shí)乘務(wù)員便可以提醒乘客。由此該裝置既可以極大的減輕乘務(wù)員的負(fù)擔(dān)，也可以及時(shí)做到提醒乘客下車。

關(guān)鍵詞：STM32單片機(jī);信息采集;喚醒服務(wù)

引言

目前高鐵、火車、公交車等依然是人們的交通工具，無論是手機(jī)還是電腦，都是人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡囊徊糠?。由于我國人口眾多，因此鐵路客運(yùn)在國內(nèi)選擇出行的交通工具中處于不可替代的位置。臥鋪車廂也是中國長途客運(yùn)列車的重要組成部分，隨著國民生活水平的提高，選擇乘坐火車臥鋪的乘客越來越多。[1]用戶在乘坐各種交通工具，例如：公共汽車、地鐵等交通工具時(shí)，習(xí)慣于在車上，看視頻、看書、玩游戲、聊天、甚至是工作辦公等來度過車上的時(shí)間。但是，很多乘車顧客都會(huì)遇到一些尷尬的經(jīng)歷，在乘車過程中可能由于過分專注于手機(jī)上的內(nèi)容，或者在車上長時(shí)間辦公，而導(dǎo)致錯(cuò)過下車的站點(diǎn)。況且我國人口眾多，因此我國鐵路客運(yùn)運(yùn)輸在國內(nèi)交通運(yùn)輸中有著不可替代的作用，尤其是像火車臥鋪，人們睡在車上，如果沒有人提醒更容易因?yàn)樗e(cuò)過下車點(diǎn)，而且目前的臥鋪車廂普遍采用上車換卡的到站提醒方式這種傳統(tǒng)的方式人工成本極高，而且極為不便利，同時(shí)也造成了因乘務(wù)員事務(wù)繁忙，疲勞等因素而沒有及時(shí)換卡以及提醒等原因?qū)е碌恼`點(diǎn)、誤站等問題，錯(cuò)誤率極高，從而給乘客的出行帶來不便甚至是造成了一定的經(jīng)濟(jì)損失。為了解決這個(gè)問題，設(shè)計(jì)制作火車防過站提醒系統(tǒng)。

1硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

STM32是一款嵌入式單片機(jī)，一款微型控制器，性能比較高、耗能較低。在開發(fā)STM32F105和STM32F107系列設(shè)計(jì)之前，芯片的封裝引腳要保持排列的一致性，研發(fā)的新系列采用了三種不同的封裝，分別是LFBGA100、LQFP64和LQFP100這三種，基于STM32的開創(chuàng)初衷，開發(fā)人員通過選擇產(chǎn)品可重新設(shè)計(jì)其性能和功能，設(shè)計(jì)出不同的功能，用最小的變化來滿足不同客戶個(gè)性化需求。目前已經(jīng)開發(fā)的新系列是主要沿用之前增強(qiáng)系列的72MHz處來理頻率。所采用的STM32F103，其內(nèi)核是32位的CPU，它的工作頻率是72MHz。其中的閃存的包括64KB到256KB，而嵌入式的20KB到64KBSRAM。利用的算法是單周期乘法和硬件除法。整體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

1.1IC讀卡器

IC讀卡器，可以根據(jù)所監(jiān)測到的讀卡器讀出卡里所儲(chǔ)備的數(shù)據(jù)，通常IC卡讀卡器通過數(shù)據(jù)線連接到各種設(shè)備上，設(shè)備上會(huì)顯示相應(yīng)的數(shù)據(jù)和信息，其中數(shù)據(jù)線主要以USB接口為主。所用的產(chǎn)品型號(hào)主要是DAIC-YKT-ZX;讀寫卡的距離也從0到5厘米不等;供電電源主要以外接12V的電源;電源的輸入功率約為2W;波特率約為115200bps;格式一般從1位起始位，一般有8位數(shù)據(jù)位，1位停止位為主;根據(jù)讀卡類型的不同，IC卡讀寫器可以分為接觸式、非接觸式、雙界面讀卡器。IC讀卡器還可以做到無奇偶校驗(yàn)位。

1.2基本機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

一種臥鋪車廂乘車的輔助系統(tǒng)，包括基本的控制的通信模塊、提醒模塊、IC信息讀取裝置;通信模塊用于與服務(wù)器通信連接;所述提醒模塊用于根據(jù)所述控制器發(fā)出的控制信號(hào);根據(jù)提取的信息做出相應(yīng)的判斷以做出相應(yīng)的動(dòng)作;信息讀取裝置用于將讀取的信息發(fā)送至所述控制器;電機(jī)有和多種：伺服電機(jī)、普通電機(jī)、振動(dòng)電機(jī)等等，為了達(dá)到提醒的目的，選用振動(dòng)電機(jī)。通過STM32編程設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)微控制器與電腦的無線通信，監(jiān)控各個(gè)裝置的開關(guān)和傳感器的數(shù)據(jù)。[2]根據(jù)已知的信息，按時(shí)做出相應(yīng)的動(dòng)作。

1.3振動(dòng)電機(jī)

為了達(dá)到喚醒乘客的目的，但是又不影響乘客在臥鋪上休息的過程，我們選擇使用振動(dòng)電機(jī)。振動(dòng)電機(jī)主要有以下兩種運(yùn)行軌跡：一是復(fù)合振動(dòng)，其中振動(dòng)體的振動(dòng)是由兩組激振系統(tǒng)所產(chǎn)生的，它可以同時(shí)呈現(xiàn)出一個(gè)小頻率高頻率的振動(dòng)，篩分部分也夾雜著兩種不同的振動(dòng)，使篩分機(jī)械起到一個(gè)比較有效的篩分工作。振動(dòng)電機(jī)，包括驅(qū)動(dòng)組件，所述驅(qū)動(dòng)組件包括定子和相連接的轉(zhuǎn)子及轉(zhuǎn)軸。[3]旋振動(dòng)通常是由立式振動(dòng)電機(jī)產(chǎn)生的，旋振動(dòng)的振動(dòng)形式主要根據(jù)立式振動(dòng)電機(jī)激振塊兩端的夾角所決定。振動(dòng)電機(jī)的激振力能耗比較小、噪音低，有效的增加了客戶的使用感。同時(shí)其壽命長、利用率也較高，可以更好地符合我們設(shè)計(jì)的初衷和要求，達(dá)到既能喚醒乘客，而在乘坐過程中不影響休息。

2軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)部分主要有基于SolidWorks軟件三維模型的設(shè)計(jì)，基于Altium Designer軟件的電路設(shè)計(jì)，基于Keil軟件的程序設(shè)計(jì)，系統(tǒng)控制技術(shù)路線等。

2.1基于SolidWorks軟件三維模型的設(shè)計(jì)

為保證建模效果使用SolidWorks軟件，繪制各部件的零件圖。且基于調(diào)查和真實(shí)現(xiàn)場感受，通過有限元分析，基于實(shí)體分析，建立一個(gè)零件，繪制零件圖、草圖，進(jìn)行相應(yīng)特征處理，通過各種零件的繪制，將各部分零部件繪制完畢，并進(jìn)行裝配工作，裝配完畢，動(dòng)畫設(shè)計(jì)驗(yàn)證其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性，以保證實(shí)物組裝及運(yùn)行的可能性。一部分經(jīng)3D打印，和另一部分購買實(shí)體及零件相配置，配置得實(shí)體進(jìn)一步對其相關(guān)抗壓性、可實(shí)施性進(jìn)行試驗(yàn)。

2.2基于Altium Designer軟件的電路設(shè)計(jì)

Altium Designer 提供了一款可以根據(jù)自己需求設(shè)計(jì)電路板的軟件，其綜合所有電子產(chǎn)品及其一體化，開發(fā)所需的所有必須技術(shù)和功能。通過此軟件進(jìn)行原理圖設(shè)計(jì)，進(jìn)行了原理圖設(shè)計(jì)，對其進(jìn)行電路仿真，保證其準(zhǔn)確性，利用PCB進(jìn)行繪制編輯并布線。并集成了一個(gè)基于現(xiàn)代設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的管理功能，Altium Designer也是可以完成電子產(chǎn)品開發(fā)的良好軟件，一個(gè)可以滿足未來開發(fā)的設(shè)計(jì)開發(fā)軟件。本設(shè)計(jì)利用軟件繪制電路板，合理配置、繪畫，同時(shí)利用三維視角察看分析設(shè)計(jì)的合理性，再進(jìn)行實(shí)物樣機(jī)制作與電路板蝕刻，實(shí)物進(jìn)行檢驗(yàn)，以保證符合研究的一般方法與思路。

2.3基于Keil軟件的程序設(shè)計(jì)

火車臥鋪車廂防過站提醒系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)使用C語言編程對其進(jìn)行控制、編輯。C語言工作效率比匯編語言低，但是C語言的開發(fā)使用速度快，使用C語言更容易對其進(jìn)行開發(fā)容易，設(shè)計(jì)自由，指令較多，代碼設(shè)計(jì)方式多樣，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)豐富多樣，包括結(jié)構(gòu)化的操作代碼，代碼編寫自定義，代碼的移植率高等特點(diǎn)。并且匯編語言晦澀難懂，不易去理解，其他人難讀使用，所以使用率較低。所以使用C語言程序設(shè)計(jì)能夠有效的縮短開發(fā)周期。

Keil軟件通過一個(gè)集成的開發(fā)環(huán)境將C編譯器和鏈接器以及庫管理和一個(gè)功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器等這些部分組合在一起，組成一個(gè)完整的開發(fā)系統(tǒng)，它將所有功能良好的組合在一起，使得Keil軟件是一個(gè)較為良好的選擇。目前應(yīng)用的Keil軟件，主要為Keil4和Keil5，但是相比較Keil4，Keil5軟件更加適合多功能復(fù)雜的開發(fā)系統(tǒng)，因此選用Keil5軟件進(jìn)行編程，用Keil5新建一個(gè)基于ARM的工程并保存，對其以進(jìn)行程序的編寫與調(diào)試，進(jìn)行仿真、下載到芯片中，通過芯片對其整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制。

2.4系統(tǒng)控制技術(shù)路線

（1）智能化技術(shù)

智能化系統(tǒng)在于它所采取的有關(guān)信息處理、信息的傳輸、等高技術(shù)的系統(tǒng)應(yīng)用與設(shè)計(jì)，多功能應(yīng)用運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)服務(wù)、信息和系統(tǒng)資源的高度共享。智能化系統(tǒng)圖如圖2

（2）乘客信息系統(tǒng)

乘客信息系統(tǒng)在于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為核心，通過采集的方式，將乘客的終點(diǎn)站信息儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)庫中，方便統(tǒng)一調(diào)出提醒。

按鍵床鋪實(shí)現(xiàn)整體上下移動(dòng)：

該床鋪分為三層結(jié)構(gòu)組成，上層床鋪下面由8個(gè)十字的槽，中間由能活動(dòng)的插銷以方便連接，另一邊連接固定在底端的平衡桿，底部則由支撐上層床鋪的支架和接收按壓信號(hào)的開關(guān)。

IC讀卡機(jī)實(shí)現(xiàn)信息采集：

通過IC讀卡器，將乘客的身份證（用IC卡模擬）靠近讀卡器，讀取乘客的信息，上傳到終端。

振動(dòng)電機(jī)進(jìn)行喚醒：

采用小型的振動(dòng)電機(jī)，安裝在床鋪旁邊，設(shè)計(jì)好配套的硬件電路，通過電機(jī)的振動(dòng)將乘客進(jìn)行喚醒。

3結(jié)論

主要研究內(nèi)容：本設(shè)計(jì)用于火車臥鋪車廂防過站提醒系統(tǒng)。該系統(tǒng)以單片機(jī)作為主控制系統(tǒng)，由按鍵床鋪?zhàn)鳛槌丝蜖顟B(tài)采集，IC讀卡器作為信息采集，由乘務(wù)員端作為顯示系統(tǒng)，由振動(dòng)電機(jī)作為提醒系統(tǒng)。乘客上車，由乘務(wù)員掃描身份證，讀卡器將乘客的乘車信息自動(dòng)導(dǎo)入乘務(wù)員的系統(tǒng)，當(dāng)列車即將達(dá)到乘客的終點(diǎn)站，按鍵床鋪通過采集到的乘客狀態(tài)信號(hào)，判斷乘客是否在床上，如果乘客在床上休息，振動(dòng)電機(jī)開始對乘客進(jìn)行喚醒，如果乘客沒有醒，將提示乘務(wù)員端，由乘務(wù)員提醒乘客。該裝置極大的減輕了乘務(wù)員的負(fù)擔(dān)。

主要實(shí)現(xiàn)以下功能：

（1）準(zhǔn)確獲取乘客的信息;

（2）按鍵床鋪可以準(zhǔn)確的獲取乘客狀態(tài);

（3）能夠?qū)⒊丝瓦M(jìn)行喚醒。

創(chuàng)新性：

1.使用下沉式床鋪，可以實(shí)現(xiàn)乘客狀態(tài)的判斷;

2.使用IC讀卡器進(jìn)行讀取乘客行程信息，可以更快的建立數(shù)據(jù)庫，加快傳輸速度;

3.使用振動(dòng)電機(jī)喚醒的方式，可以在喚醒需要下車乘客的同時(shí)，減少對其他乘客的影響。

參考文獻(xiàn)

[1]明洋，劉楚輝，宋月，謝文婧，郝海兵，任新強(qiáng).火車臥鋪車廂內(nèi)部空間的設(shè)計(jì)與改善[J].科技視界，2017（06）：55-56.

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作者簡介

秦靜（2002-），女，山東省日照市人，學(xué)士，研究方向：控制工程。

該項(xiàng)目由省級(jí)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目《火車臥鋪車廂防過站提醒系統(tǒng)》（S20 2113320091）支持。