吳強(qiáng)周楊荊振文

基于工控機(jī)的有軌電車售檢票閘機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吳強(qiáng)周楊荊振文

（中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司，210031，南京//第一作者，工程師）

現(xiàn)代有軌電車項(xiàng)目的閘機(jī)要求具有安全穩(wěn)定、實(shí)時(shí)性高、功能全面、性價(jià)比高等特點(diǎn)，基于單片機(jī)或ARM芯片開發(fā)的閘機(jī)無法滿足此要求，若采用地鐵閘機(jī)則缺乏價(jià)格優(yōu)勢(shì)。介紹了基于工控機(jī)開發(fā)設(shè)計(jì)的現(xiàn)代有軌電車售檢票閘機(jī)，包括系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)、程序架構(gòu)、模塊劃分和子系統(tǒng)設(shè)計(jì)等?；诠た貦C(jī)設(shè)計(jì)的現(xiàn)代有軌電車售檢票閘機(jī)系統(tǒng)安全穩(wěn)定、實(shí)時(shí)性高，讀卡器模塊與硬幣識(shí)別模塊的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了閘機(jī)售檢票一體化。

現(xiàn)代有軌電車；自動(dòng)售檢票；閘機(jī)；工控機(jī)

Author′s addressCRRC Nanjing Puzhen Co.，Ltd.，210031，Nanjing，China

現(xiàn)代有軌電車具有節(jié)能環(huán)保、安全高效、運(yùn)量大、低噪聲等優(yōu)勢(shì)［1］，能很好地適應(yīng)大中城市的新城區(qū)、開發(fā)區(qū)以及二級(jí)城市的骨干網(wǎng)絡(luò)交通。其斷面布置靈活,可較好地與城市道路交通體系銜接，具有良好的經(jīng)濟(jì)性和應(yīng)用前景［2］。但是，針對(duì)現(xiàn)代有軌電車項(xiàng)目卻沒有專用的閘機(jī)來滿足其自動(dòng)售檢票的要求。

本文描述了現(xiàn)代有軌電車自動(dòng)售檢票閘機(jī)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思路，包括系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)、程序架構(gòu)、模塊劃分和子系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

閘機(jī)有兩種控制模式：一種是讀卡器驗(yàn)證IC卡的有效性，若有效，工控機(jī)控制閘機(jī)動(dòng)作，反之報(bào)警顯示［3］；另一種是硬幣識(shí)別模塊識(shí)別投入的硬幣，硬幣金額滿足邏輯設(shè)定值，硬幣識(shí)別模塊給工控機(jī)發(fā)指令，工控機(jī)控制閘機(jī)動(dòng)作。工控機(jī)采用GPRS（通用分組無線業(yè)務(wù)）通信接口與中央計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。通信協(xié)議采用TCP/IP（傳輸控制協(xié)議/因特網(wǎng)互聯(lián)協(xié)議）?？刹捎脠?bào)文形式主動(dòng)或被動(dòng)上傳交易數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)、寄存器數(shù)據(jù)、票箱更換數(shù)據(jù)、參數(shù)版本等信息。

1.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

閘機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包含工控機(jī)、讀卡器模塊、閘機(jī)控制板、硬幣模塊、GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊等［4］。

工控機(jī)是閘機(jī)的核心設(shè)備。工控機(jī)通過與讀卡器模塊、閘機(jī)控制板、硬幣模塊等進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，將相應(yīng)的處理結(jié)果顯示給乘客，控制閘機(jī)硬件進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作。同時(shí)，閘機(jī)工控機(jī)通過GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊與中央計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，將交易數(shù)據(jù)、設(shè)備工作狀態(tài)、客流營(yíng)運(yùn)數(shù)據(jù)等發(fā)送給中心。

讀卡器模塊負(fù)責(zé)IC卡的讀寫工作，并將數(shù)據(jù)發(fā)給工控機(jī)。工控機(jī)發(fā)送控制命令給閘機(jī)控制板。閘機(jī)控制板負(fù)責(zé)閘機(jī)外圍各執(zhí)行模塊的控制及驅(qū)動(dòng)。硬幣模塊負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)識(shí)別乘客投入硬幣的真?zhèn)危糇R(shí)別為真，將硬幣放入錢袋并將該數(shù)據(jù)傳給工控機(jī)；反之，將硬幣退還給乘客。GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊負(fù)責(zé)閘機(jī)與中央計(jì)算機(jī)的交互。

1.2程序結(jié)構(gòu)及模塊劃分

系統(tǒng)軟件采用模塊化、自頂向下的設(shè)計(jì)思想，數(shù)據(jù)和處理分離，收與發(fā)分離，使得程序的實(shí)時(shí)性、兼容性、移植性得到保證。程序結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。程序總體結(jié)構(gòu)主要由硬幣支付子系統(tǒng)、讀卡器子系統(tǒng)、閘機(jī)控制子系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通信子系統(tǒng)等組成。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 程序結(jié)構(gòu)框圖

1.3子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.3.1 硬幣支付子系統(tǒng)

工控機(jī)通過RS 232接口給硬幣模塊發(fā)送指令，這些指令包括初始化、開啟或者關(guān)閉硬幣識(shí)別、清空硬幣等。硬幣處理模塊的控制電路板帶有CPU（中央處理器），其根據(jù)工控機(jī)的指令控制硬幣識(shí)別裝置，并監(jiān)視它們的狀態(tài)，通過動(dòng)作組合實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能。

1.3.2 讀卡器子系統(tǒng)

讀卡器采用工作于13.65 MHz的非接觸式通信高集成度讀寫卡芯片MFRC 522和高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用芯片STM 32自主研發(fā)設(shè)計(jì)。MFRC 522與STM 32之間通過SP I（串行外設(shè)接口）方式進(jìn)行通信。讀卡器控制板實(shí)物照片見圖3。

圖3 讀卡器控制板

乘客進(jìn)站刷卡，當(dāng)IC卡在讀卡器范圍內(nèi)時(shí)，讀卡器自動(dòng)讀取IC卡上的有關(guān)信息，對(duì)IC卡的有效性進(jìn)行檢查，滿足要求則按照相關(guān)費(fèi)用要求完成扣費(fèi)，同時(shí)讀卡器通知工控機(jī)，工控機(jī)將該信息在乘客顯示屏上顯示（如當(dāng)前余額、乘車扣費(fèi)金額等），釋放閘鎖讓乘客通行，保存該次進(jìn)站交易記錄，并實(shí)時(shí)上傳給中央計(jì)算機(jī)。當(dāng)檢驗(yàn)IC卡無效時(shí)，不在IC卡寫入信息，三桿機(jī)構(gòu)保持在鎖閉狀態(tài)。

1.3.3 閘機(jī)控制子系統(tǒng)

當(dāng)檢驗(yàn)到IC卡有效時(shí)，工控機(jī)發(fā)出閘機(jī)開啟指令，閘機(jī)控制子系統(tǒng)根據(jù)指令使三桿相應(yīng)轉(zhuǎn)過120°，綠色警示燈亮，蜂鳴器響一聲，只允許一人通過，同時(shí)閘機(jī)控制單元發(fā)送通過一人進(jìn)站信息給工控機(jī)，工控機(jī)保存該記錄并實(shí)時(shí)上傳給中央計(jì)算機(jī)。

當(dāng)檢驗(yàn)到IC卡無效時(shí)，工控機(jī)發(fā)出指令，閘機(jī)控制子系統(tǒng)根據(jù)指令使三桿機(jī)構(gòu)閘鎖保持在鎖閉狀態(tài)，紅色警示燈亮，蜂鳴器響一聲，乘客顯示屏上顯示“請(qǐng)去售票處查詢”信息。

1.3.4 網(wǎng)絡(luò)通信子系統(tǒng)

工控機(jī)將閘機(jī)的營(yíng)運(yùn)信息傳到監(jiān)控中心，同時(shí)將IC卡的交易明細(xì)、進(jìn)出站客流信息上傳。上傳有實(shí)時(shí)和定時(shí)兩種方式。

檢測(cè)到故障排除（如關(guān)閉維修門）后，設(shè)備立即將故障排除的狀態(tài)信息送到中央計(jì)算機(jī)［5］。遇到緊急情況（如火災(zāi)、地震等），按下中央計(jì)算機(jī)上的緊急按鈕，計(jì)算機(jī)發(fā)出緊急命令給工控機(jī)，閘機(jī)自動(dòng)完成緊急模式切換。設(shè)備的工作模式、通信狀態(tài)和設(shè)備內(nèi)各模塊的狀態(tài)（車票讀寫模塊狀態(tài)、閘門狀態(tài)、各類電子模塊狀態(tài)等）上傳中央計(jì)算機(jī)，作為監(jiān)控依據(jù)。

若工控機(jī)和中心監(jiān)控的通信中斷，在通信恢復(fù)時(shí)，工控機(jī)能自動(dòng)上傳營(yíng)運(yùn)數(shù)據(jù)和監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。必要時(shí)，可通過外接的維護(hù)終端，人工上傳營(yíng)運(yùn)數(shù)據(jù)和監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，以及下載系統(tǒng)參數(shù)。

2 系統(tǒng)功能測(cè)試

閘機(jī)正常通電220 V，24 V、12 V、3.3 V電源燈亮，付費(fèi)方向顯示通行綠色“■”指示燈，非付費(fèi)方向顯示禁止通行紅色“×”指示燈，工控機(jī)正常啟動(dòng)，乘客顯示屏點(diǎn)亮，閘機(jī)上桿鎖定。測(cè)試用閘機(jī)，以及刷卡、投幣測(cè)試過程如圖4～6所示。

系統(tǒng)功能測(cè)試主要分硬幣測(cè)試、刷卡測(cè)試、通行測(cè)試三個(gè)方面。

圖4 試驗(yàn)閘機(jī)

圖5 刷卡過程

圖6 投幣過程

（1）硬幣識(shí)別測(cè)試。硬幣識(shí)別測(cè)試采用152枚1元真幣與327枚游戲幣，分3天共6次進(jìn)行連續(xù)測(cè)試。測(cè)試結(jié)果見表1。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，真幣接受率為100%，游戲幣平均拒收率為99.85%，滿足設(shè)計(jì)要求。

（2）通行測(cè)試。通行測(cè)試分為刷卡通行與投幣通行兩種。刷卡通行時(shí)，測(cè)試卡片為M IFARE卡，卡內(nèi)預(yù)充金額，程序設(shè)定扣費(fèi)金額2元，單次刷卡成功后，聲光提示并解除三桿鎖定，乘客可正常通行；多次刷卡成功后，系統(tǒng)記錄刷卡次數(shù)，聲光提示并解除三桿鎖定，直到通行人數(shù)等于刷卡次數(shù)，三桿鎖定。投幣通行時(shí)，投入硬幣1枚，顯示屏顯示“已支付1元”，投入第2枚后，顯示“投幣結(jié)束，請(qǐng)通行”。

以上測(cè)試時(shí)，系統(tǒng)均表現(xiàn)正常，未發(fā)現(xiàn)異常現(xiàn)象。

表1 硬幣識(shí)別測(cè)試數(shù)據(jù)表

3 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)以上設(shè)計(jì)與后期的軟件優(yōu)化，綜合刷卡與硬幣識(shí)別兩種售票方式，閘機(jī)的通行效率保持在25人/min。為了更好地適應(yīng)現(xiàn)代有軌電車大客流通行的要求，在刷卡模式中增加了累計(jì)刷卡通行模式，一次累計(jì)刷N次卡通行N個(gè)人，從而極大地增加了刷卡的自由性。采用累計(jì)刷卡通行模式，理論上通行效率可達(dá)到60人/m in，在通行效率提高的同時(shí)，再次驗(yàn)證了閘機(jī)基于工控機(jī)設(shè)計(jì)的安全穩(wěn)定性。

現(xiàn)代有軌電車的售檢票閘機(jī)基于工控機(jī)設(shè)計(jì)的多線程多進(jìn)程管理滿足了軌道交通安全穩(wěn)定、實(shí)時(shí)性高等特點(diǎn)，讀卡器模塊與硬幣識(shí)別模塊的應(yīng)用滿足了售檢票一體化的要求，GPRS模塊能將數(shù)據(jù)直接發(fā)送給中央服務(wù)器。該設(shè)計(jì)方案能減少前期的投入成本，適合現(xiàn)代有軌電車項(xiàng)目自動(dòng)售檢票的發(fā)展要求。

［1］苗彩霞.現(xiàn)代有軌電車系統(tǒng)特點(diǎn)及應(yīng)用前景［J］.都市快軌交通，2013，26（3）：9-12.

［2］徐正和.現(xiàn)代有軌電車的崛起與探索［J］.現(xiàn)代城市軌道交通，2005（2）：12-19.

［3］羅煌.地鐵閘機(jī)通行邏輯控制的設(shè)計(jì)［J］.城市軌道交通研究，2014，17（11）：70-74.

［4］賀子鋼，包建東.基于DSP的閘機(jī)控制技術(shù)［J］.機(jī)械制造與自動(dòng)化，2014（4）：164-166.

［5］鄒彬，何青.關(guān)于AFC系統(tǒng)閘機(jī)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的研究與分析［J］.科技風(fēng)，2013（16）：54.

［6］吳娟，徐鐘全，毛建.南京地鐵AFC系統(tǒng)的軟件過程管理探討［J］.城市軌道交通，2013，10（1）：73-76.

Design of Tram Fare Gate System Based on Industrial PC

WU Qiang，ZHOU Yang，JING Zhenwen

Modern tram fare gate system requires safety and stability，real-time performance，full functions and higher price performance ratio.Current gate machine based on single chip m icrocomputer or ARM chips are unable to meet the requirements，whilemetro gate in general lacks price advantage.A tram fare gate based on the design of industrial PC is introduced，in cluding the overall design，programming architecture,module partition and subsystem design.This fare gate system features characteristics of safety and stability，real-time performance w ith card readermodule and coin recognition module，and integrates the fare gatemachine functions.

modern tram；automatic fare collection；fare gate；industrial PC

U293.22

10.16037/j.1007-869x.2017.07.016

2015-07-31）