地鐵閘機(jī)扇門控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

王春行

（廣州新科佳都科技有限公司，廣東 廣州 510653）

1 地鐵閘機(jī)的組成結(jié)構(gòu)

1.1 地鐵閘機(jī)簡(jiǎn)介

閘機(jī)是一種通道阻擋裝置（通道管理設(shè)備），其設(shè)立在地鐵車站的入口處，用于管理人流并規(guī)范行人出入，主要應(yīng)用于地鐵閘機(jī)系統(tǒng)、收費(fèi)檢票閘機(jī)系統(tǒng)，是每個(gè)地鐵必備的設(shè)備之一。但由于人工操作容易失誤且緩慢，所以自動(dòng)檢票閘機(jī)受到軌道交通的青睞。其核心作用是自動(dòng)檢驗(yàn)乘客的車票是否有效，分為進(jìn)站閘機(jī)和出站閘機(jī)，由電子識(shí)別系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別車票中的相關(guān)信息是否與當(dāng)前乘車的信息相符，且一次只能通過一人，當(dāng)票面被損壞或車票過期，與當(dāng)前乘車使用的相關(guān)信息不符時(shí)，閘機(jī)會(huì)自動(dòng)將乘客攔截在外，無法進(jìn)站或出站，當(dāng)電子識(shí)別系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)其票面信息不符時(shí)，會(huì)立即自動(dòng)落下閘板，作用及目的就是為了有效防止乘客逃票乘車。

1.2 地鐵閘機(jī)的組成結(jié)構(gòu)

地鐵閘機(jī)主要是由扇門控制系統(tǒng)模塊、讀寫模塊、回收模塊、狀態(tài)顯示模塊、乘客信息模塊、電源模塊、加熱模塊、電路模塊以及維護(hù)模塊所組成，具體構(gòu)成框架如圖1。

圖1 地鐵閘機(jī)組成結(jié)構(gòu)圖

1.3 地鐵閘機(jī)扇門控制系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

地鐵閘機(jī)扇門控制系統(tǒng)主要是對(duì)乘客進(jìn)出次序、方向、人數(shù)等狀態(tài)進(jìn)行控制，它能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)乘客在通道中的行走情況，并保障持有效車票的乘客安全、順利通過閘機(jī)。若有些乘客的行為出現(xiàn)異常時(shí)（如：成人乘客之間通行沒有保持三十厘米距離，或是有乘客想非法尾隨通行），扇門控制系統(tǒng)便會(huì)將非法通過的乘客攔住。而扇門控制系統(tǒng)主要由電源、接口、左、右扇門控制板、信號(hào)采集板以及工控機(jī)所組成，左、右扇門控制版主要是控制扇門的開關(guān)。

信號(hào)采集版主要是通過傳感器采集乘客經(jīng)過閘機(jī)通道的行為，然后上傳所采集到的數(shù)據(jù)信息；工控機(jī)根據(jù)所采集到的乘客行為信息數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，并根據(jù)乘客的行為發(fā)送指令給左、右扇門控制板，使左、右扇門能按照指令同時(shí)開或關(guān)。具體組成結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

2 地鐵閘機(jī)扇門控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 傳感器位置的布置

為了保障乘客順利通行，及時(shí)檢測(cè)乘客在通道中的行為、位置及方向，還需要在閘機(jī)外殼上按照傳感器。但由于人體比例結(jié)構(gòu)有所差異，為此在布置傳感器位置時(shí)，必須要圍繞人體結(jié)構(gòu)之間的關(guān)鍵點(diǎn)（如：人體的踝關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)等位置）進(jìn)行布置，從閘機(jī)入口處到扇門處1000mm 左右的區(qū)域內(nèi)布置傳感器（見圖3），該區(qū)域內(nèi)設(shè)置有判別區(qū)、檢測(cè)區(qū)，安全區(qū)等，為此可在通道最前端，也就是人體膝蓋的位置處按照兩個(gè)傳感器，用于識(shí)別乘客的行走方向；其次，在檢測(cè)區(qū)的上端也就是人體肘關(guān)節(jié)的位置布置3 個(gè)傳感器，用于檢測(cè)通道中乘客人數(shù)，布置時(shí)3 個(gè)傳感器之間的距離稍微大一些，以避免因乘客行走時(shí)擺動(dòng)手臂而給傳感器帶來干擾；而在安全區(qū)通道兩邊可布置4 個(gè)傳感器，當(dāng)傳感器檢測(cè)到乘客已經(jīng)行至安全區(qū)域時(shí)，扇門不會(huì)關(guān)閉，以免夾傷乘客[1]。

圖3 閘機(jī)一側(cè)傳感器位置布置圖

2.2 乘客識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)

乘客識(shí)別系統(tǒng)主要是檢測(cè)識(shí)別乘客正常通行，防止有的乘客為了逃票而出現(xiàn)多人通過的行為。但在日常檢測(cè)中，由于乘客穿著服裝等問題，導(dǎo)致識(shí)別系統(tǒng)不能準(zhǔn)確檢測(cè)到乘客的走動(dòng)情況時(shí)有發(fā)生。為此，在乘客識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，可進(jìn)行區(qū)域分類設(shè)計(jì)，如：邊界區(qū)設(shè)置傳感器。在檢測(cè)區(qū)的邊界區(qū)域內(nèi)設(shè)置上下檢測(cè)點(diǎn)，當(dāng)乘客沒有刷卡便踏入邊界區(qū)時(shí)，任意一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)便會(huì)識(shí)別出而會(huì)發(fā)出警報(bào)，以防止乘客進(jìn)入；在對(duì)進(jìn)出檢測(cè)區(qū)設(shè)計(jì)時(shí)，可根據(jù)人體身軀厚度的特點(diǎn)在進(jìn)口檢測(cè)區(qū)域和出口檢測(cè)區(qū)域分別設(shè)計(jì)三個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，主要是為了防止識(shí)別不到而出現(xiàn)漏檢情況的發(fā)生；安全檢測(cè)區(qū)，則需要根據(jù)人體身高的特點(diǎn)設(shè)置檢測(cè)點(diǎn)，這樣是為了系統(tǒng)能夠識(shí)別到幼童，而避免出現(xiàn)檢測(cè)不到的情況發(fā)生（圖2）。

圖2 閘機(jī)扇門控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架圖

2.3 傳感器狀態(tài)讀寫

圖4 乘客識(shí)別流程圖

為了能實(shí)時(shí)采集到各個(gè)傳感器的狀態(tài)信息，還需要進(jìn)行讀采集系統(tǒng)模塊和讀寫模塊程序的設(shè)計(jì)，因?yàn)橄到y(tǒng)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，上位機(jī)一直處于待命狀態(tài)，而下位機(jī)也只能是采集傳感器的狀態(tài)，但并不進(jìn)行儲(chǔ)存，只有上位機(jī)發(fā)送讀命令時(shí)，下位機(jī)才會(huì)將所收集到的狀態(tài)信息上傳。為此，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)程序時(shí)，可以設(shè)定主程序和串口接收中斷程序。主程序主要用于采集各個(gè)傳感器實(shí)時(shí)狀態(tài)，并進(jìn)行儲(chǔ)存；串口接收中斷程序主要是在接收到上位機(jī)的讀傳感器狀態(tài)命令時(shí)（見表1），對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)后通過串口將數(shù)據(jù)進(jìn)行上傳。而讀寫程序主要是將扇門運(yùn)作中的一些重要數(shù)據(jù)寫入E2PROM 數(shù)據(jù)寄存器之中，這樣能有效保存這些重要數(shù)據(jù)，即使系統(tǒng)斷電或下位機(jī)中斷工作，系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)也不會(huì)丟失。

表1 上位機(jī)讀傳感器狀態(tài)數(shù)據(jù)圖

2.4 扇門控制電路設(shè)計(jì)

2.4.1 控制電機(jī)的電路

無刷直流電機(jī)作為控制扇門啟動(dòng)、關(guān)閉的電機(jī)，也是扇門控制效果好壞的關(guān)鍵。為此，在設(shè)計(jì)無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)時(shí)，可結(jié)合其工作原理（見圖5）加入數(shù)?；旌系目刂葡到y(tǒng)和數(shù)字化系統(tǒng)。因?yàn)闊o刷直流電機(jī)性能要求比較高，數(shù)?？刂破餍酒?、數(shù)字電路以及DSP 的運(yùn)算速讀比較快，準(zhǔn)確度比較高，能夠完成復(fù)雜的算法。而無刷直流電機(jī)啟動(dòng)快的特性，能夠使扇門保持最佳的運(yùn)作狀態(tài)，從而達(dá)到扇門快速啟動(dòng)的要求。此外，無刷直流電機(jī)優(yōu)異的調(diào)速特性，能夠使電源電壓在負(fù)載時(shí)改變轉(zhuǎn)速，使電源電壓實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速，將其應(yīng)用到扇門控制系統(tǒng)中，扇門能在電機(jī)的帶動(dòng)下完成啟動(dòng)、關(guān)閉動(dòng)作，尤其是扇門在關(guān)閉過程中，如果有乘客刷卡，控制電路的電機(jī)會(huì)立馬制動(dòng)扇門迅速停止并迅速打開?？梢姡刂茻o刷直流電機(jī)的電路能使扇門啟動(dòng)、關(guān)閉速度更加穩(wěn)定可靠[2]。

圖5 無刷直流電機(jī)工作原理圖

2.4.2 驅(qū)動(dòng)電路

在扇門控制系統(tǒng)中，由于使用的電機(jī)屬于貨源緊缺型，成本價(jià)格比較高，為了避免后期出現(xiàn)斷貨現(xiàn)象，為此，需選擇分立元件組成的驅(qū)動(dòng)電路。這種驅(qū)動(dòng)電路上側(cè)是集電極開輸出，能夠驅(qū)動(dòng)P 溝道MOSFET 管，其開關(guān)速讀比較快，導(dǎo)通和關(guān)閉時(shí)間一般在39ns；下側(cè)是推挽輸出，具有100mA 電流驅(qū)動(dòng)能力，能夠驅(qū)動(dòng)N 溝道MOSFET 管?？梢姡潋?qū)動(dòng)電流較小，過載能力比較強(qiáng)，開關(guān)頻率比較高，耐壓性能比較好，將其應(yīng)用到扇門控制系統(tǒng)中完全可以推動(dòng)無刷直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)功能。

2.4.3 電磁鐵控制電路

由于扇門的啟動(dòng)與關(guān)閉動(dòng)作是需要機(jī)械連桿牽引，為此，在設(shè)計(jì)電磁鐵控制電路時(shí)，可以選擇吸盤式的電磁鐵。該種電磁鐵在通電后會(huì)產(chǎn)生極大的電磁吸力，能夠有效控制扇門的往前、往后或停止動(dòng)作，且動(dòng)作靈活敏捷，比較穩(wěn)定可靠，在設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)電磁吸力與電壓的要求選擇相對(duì)應(yīng)的電磁吸盤（見圖6）。

圖6 電磁鐵控制電路圖

3 總結(jié)

綜上所述，地鐵閘機(jī)扇門控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是集多個(gè)學(xué)科為一體的系統(tǒng)工作，只有充分了解系統(tǒng)中各個(gè)程序、部件的工作原理與流程，才能設(shè)計(jì)出符合實(shí)際地鐵閘機(jī)扇門，在不斷的實(shí)踐與研究中不斷改進(jìn)與提高地鐵閘機(jī)扇門系統(tǒng)技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)安全、可靠的全自動(dòng)化控制系統(tǒng)，為人們今后的出行提供便利。