摘 要：為了能使地鐵站內(nèi)乘客求助信息快速、可靠地傳輸，又方便系統(tǒng)的安裝與維護(hù)，采用了單片機(jī)控制無線傳輸模塊收發(fā)乘客求助信息的方案，并在無線收發(fā)模塊之間添加中繼器以增加傳輸?shù)木嚯x。進(jìn)行地鐵站內(nèi)環(huán)境對(duì)無線信號(hào)衰減程度的分析，并設(shè)計(jì)了地鐵站內(nèi)無線乘客求助信息系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以滿足地鐵站內(nèi)環(huán)境下乘客求助信息的無線傳輸。



關(guān)鍵詞：無線收發(fā)模塊; 單片機(jī); 中繼器； 傳輸距離

中圖分類號(hào)：

TN925-34

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-373X(2012)05

-0137

-04

Application of wireless rescue system in subway station



GAO Feng， NIU Guo-zhu

(Nanjing University of Science and Technology， Nanjing 210094， China)



Abstract：

In order to make the transmission of passengers′ rescue information fast and reliable， and convenient for installing and maintening the system， a MCU controlled wireless transmission module was used to send and receive rescue information， and repeaters were added between wireless transceiver modules to increase the transmission distance. The attenuation of wireless signal in the subway environment is analyzed and a kind of wireless passengers′ rescue system is designed. The system can meet the transmission of passengers′ rescue in the environment of subway station.



Keywords： wireless transceiver module; MCU; repeaters; transmission distance



收稿日期：2011-11-30

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)，地鐵車站都配置乘客求助服務(wù)系統(tǒng)。

有線乘客求助系統(tǒng)由于需要布線，施工復(fù)雜，不利于靈活設(shè)置。無線乘客求助系統(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)。本文基于無線收發(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)境的無線乘客求助系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)介紹

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

地鐵無線乘客求助系統(tǒng)主要由車站計(jì)算機(jī)、管理終端、中繼器、求助終端組成。車站計(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線信號(hào)。

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(tái)車站計(jì)算機(jī)、一臺(tái)管理終端和分布在車站各處的多臺(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(jì)算機(jī)并由車站計(jì)算機(jī)顯示發(fā)送求助信息的求助終端的編號(hào)。車站管理人員點(diǎn)擊車站計(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(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處理問題。

無線求助系統(tǒng)的工作原理如圖1所示。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

要滿足無線乘客求助系統(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，與車站計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信；無線收發(fā)模塊，與求助終端進(jìn)行通信；微控制器，控制串行接口與無線收發(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)；無線收發(fā)模塊，與管理終端進(jìn)行通信；微控制器，控制按鈕、指示燈及無線收發(fā)模塊的工作并存儲(chǔ)和傳輸相關(guān)信息。

地鐵無線乘客求助系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

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(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650 μs。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\\[1\\]。nRF905有4種工作模式，如表1所示。

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。

單片機(jī)的相應(yīng)引腳與無線收發(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線信息傳輸功能外，還要完成與計(jì)算機(jī)的有線信息傳輸。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\\]。

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，無線傳輸模塊發(fā)送的信號(hào)經(jīng)過衰減和干擾后很難可靠傳送，經(jīng)過試驗(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)可靠的無線數(shù)據(jù)通信，可采用以下兩種方案實(shí)現(xiàn):

方案一:通過增加無線發(fā)射的功率實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸。

方案二:通過增設(shè)無線中繼器拓展傳輸網(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延長(zhǎng)無線傳輸距離。

自由空間傳播時(shí)的無線通信距離的計(jì)算方法：天線周圍為無限大真空時(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+20lg d+20lg f

(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(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。

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

Los=110 dB

由式(1)計(jì)算可得，在自由空間傳播時(shí)的無線通信距離d=30 km。

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(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，從而大大降低了無線信號(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100 m。

在室內(nèi)無線通信時(shí)，電磁波會(huì)受到墻壁、門窗等阻擋物的衰減，在工程應(yīng)用中可按表2選取衰減值\\[3\\]。經(jīng)過在地鐵站內(nèi)的實(shí)際觀察，參考表2可得出地鐵站內(nèi)對(duì)無線信號(hào)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(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)地鐵無線乘客求助系統(tǒng)信息的準(zhǔn)確傳輸產(chǎn)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(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)，然后開始下一輪掃描。其工作流程如圖4所示。

3.3 求助終端軟件設(shè)計(jì)

求助終端開機(jī)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(dāng)接收到管理終端發(fā)送來的命令信號(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。

4 結(jié) 語

本設(shè)計(jì)在原有無線通信系統(tǒng)上針對(duì)無線收發(fā)模塊進(jìn)行了無線信號(hào)在地鐵站環(huán)境中的衰減分析，先從理論上證明了無線收發(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(fù)雜環(huán)境公共場(chǎng)所同樣適用。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］呂躍剛，高晟輔，范俊峰，等.基于nRF905無線數(shù)傳模塊的設(shè)計(jì)及其實(shí)現(xiàn)［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2006，22(11-2):274-276.



［2］張銘，劉銀，峰黃河.基于nRF401的PC機(jī)無線收發(fā)模塊的設(shè)計(jì)［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2002(4):76-78.



［3］楊進(jìn)寶.無線醫(yī)療系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［D］.長(zhǎng)沙：湖南師范大學(xué)，2009.



［4］劉任平，程濤，謝鐵軍，等.餐廳無線呼叫服務(wù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2001(6):18-19.



［5］李朝清.PC機(jī)及單片機(jī)數(shù)據(jù)通信［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006.



［6］張瑜，郝文輝.微波技術(shù)及應(yīng)用［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2006.



［7］曹志剛，錢亞生.現(xiàn)代通信原理［M］.北京：清華大學(xué)出版社，1998.



［8］PARKET A D. IEEE802. 15. 4 standard for low-rate wireless personal areal network(LR-WPAN) \\[J\\]. IEEE Communications Magazine， 2004(5): 172-180.



［9］GUTING R H. An introduction to spatial database system \\[J\\]. The International Journal on Very Large Data Base，1994(3): 357-399.



［10］劉洋帆，張鵬.nRF905無線通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.工程控制技術(shù)，2011(4):85-90.



［11］薛白，李春亮，鄭長(zhǎng)征.基于射頻技術(shù)的無線網(wǎng)絡(luò)中繼器的設(shè)計(jì)［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2010，26(4):117-119.

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作者簡(jiǎn)介：

高 峰 男，1987年出生，陜西人，碩士。主要研究方向?yàn)闇y(cè)試計(jì)量技術(shù)及儀器。

牛國(guó)柱 男，1969年出生，江蘇人，碩士，副教授。主要研究方向?yàn)闇y(cè)試計(jì)量技術(shù)及儀器。



(上接第136頁)

［4］張國(guó)煊，張翔.如何用JESS開發(fā)專家系統(tǒng)［J］.計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化，2003(1):29-31.



［5］丁鼎，張帆，趙斌，等.基于JESS的智能診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化，2009(12)：188-191.



［6］陸耀華.使用JESS開發(fā)基于Web的專家系統(tǒng)研究［D］.上海：同濟(jì)大學(xué)，2007.



［7］于會(huì)，李偉華，陳棟.專家系統(tǒng)中的知識(shí)表示及其實(shí)時(shí)處理方法研究［J］.微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)，2005，22(5):20-22.



［8］GRZEGORZ J N， Ligenza. A visual edition tool for design and verification of knowledge in rule-based systems \\[J\\]. Systems Science， 2005， 31(3): 103-109.



［9］VONG C M， LEUNG T P， WONG P K. Case-based reasoning and adaptation in hydraulic production machine design \\[J\\]. Engineering Applications of Artificial Intelligence， 2002，15(1): 567-585.



［10］魏志強(qiáng).普適計(jì)算隱私保護(hù)策略研究［J］.計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào)，2010，33(1)：128-138.

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作者簡(jiǎn)介：

鞏元鵬 男，1986年出生，山東新泰人，碩士研究生。主要研究方向?yàn)榍度胧椒较蚝蛿?shù)字家庭關(guān)鍵技術(shù)研究。

丁香乾 男，1962年出生，山東榮成人，教授，博士生導(dǎo)師。主要研究方向?yàn)橹悄苡?jì)算、軟件工程與信息系統(tǒng)。

王曉東 男，1982年出生，山東臨朐人，博士，講師。主要研究方向軟件工程與信息系統(tǒng)與數(shù)字家庭關(guān)鍵技術(shù)。