孫久龍 袁文 項群

摘要：為了解決中國高鐵飛速發(fā)展同時出現(xiàn)的乘客信息核對困難、霸座、乘客乘車過站等問題，基于微機(jī)控制和傳動裝置，提出了1種多技術(shù)融合的新型高鐵座椅。文章所介紹的模型集成了數(shù)據(jù)庫技術(shù)、傳感器技術(shù)和微機(jī)控制技術(shù)，通過車票的識別和數(shù)據(jù)對比確定車票與座椅間的對應(yīng)關(guān)系，并利用微機(jī)對機(jī)械裝置的驅(qū)動實現(xiàn)物理提醒的功能，同時預(yù)留了各種可拓展模塊，為未來高鐵座椅的信息化拓展提供了基礎(chǔ)。通過實驗，驗證了所提出的座椅模型在現(xiàn)有高鐵應(yīng)用和發(fā)展上的可行性和有效性。

關(guān)鍵詞：智能高鐵座椅;微機(jī)控制;傳感器傳動裝置;數(shù)據(jù)庫

中圖分類號：U270.38+7;TP39

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1001-5922（2020）08-0183-05

Smart High-speed Rail Seat Based on Microcomputer Control

SUN Jiu-long，YUAN Wen，XIANg Qun，ZHOU Yan

（School of Electrical Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 61003l.China）

Abstract ： In order to solve the problems such as passenger information checking difficulty，seat-hogging and pas-sengers passing through the station while China ' s high-speed raiway is developing rapidly，a new high-speed rail-way seat with multi-technology integration is proposed based on microcomputer control and transmission device.The model introduced in this paper integrates the database.the application of sensors and microcomputers，uses theidentification and comparison of data to determine the conesponding relationship hetween tickets and seats，usesthe drive of microcomputers to mechanical devices to realize the function of physical reminding， and reserves vari-ous expandable modules，which provides the foundation for the informatization of high-speed raiway seats in the fu-ture.Through experiments.the feasibility and effectiveness of the proposed seat model in the application and devel-opment of the existing high-speed rail are verified.

Key words ： smart high iron seat;microcomputer controI;Sensor transmission;database;

隨著我國高速鐵路的快速發(fā)展，高鐵以安全可靠、高速、性價比高等特點已成為國民出行的首選之一。高鐵產(chǎn)業(yè)的發(fā)展對我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展及交通運輸做出了巨大的貢獻(xiàn)，但在運營中也出現(xiàn)了一些問題。近年來引發(fā)民眾關(guān)注的“高鐵霸座”事件，極大地降低了乘客出行的舒適體驗。智能手機(jī)的普及有時也會導(dǎo)致乘客“低頭玩手機(jī)坐過站”，打亂出行計劃，造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失，給鐵路運輸管理帶來不便。如何更好地解決上述問題，為乘客提供更好的服務(wù)，具有一定的實用價值。本文提出基于微機(jī)控制和傳動裝置的新型智能高鐵座椅以解決上述問題。若要解決霸座問題，實現(xiàn)座椅的信息化至關(guān)重要。利用數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，將高鐵每趟車次的乘客信息預(yù)先寫入數(shù)據(jù)庫中用以進(jìn)行信息比對，從而實現(xiàn)通過乘客車票信息核對來控制座椅電磁鎖的開閉，使得信息核對不正確的乘客無法使用高鐵座椅，可有效防止霸座現(xiàn)象的發(fā)生[1]。

目前高鐵上針對防過站這一問題普遍采用的仍然是廣播提醒方式。然而，由于高鐵列車同一車廂旅客目的地的差異較大，這一提醒方式并不具有針對性。且對于某些特定情況，如乘客沉迷于智能手機(jī)或正在睡眠時，廣播提醒往往容易被忽略。鑒于此，可利用數(shù)據(jù)庫中存儲的列車站點信息，當(dāng)乘客快到站時，輔以加速度傳感器裝置的檢測信號，若有明顯減速現(xiàn)象則由微機(jī)發(fā)出信號驅(qū)動電控抬升裝置抬升座椅從而實現(xiàn)一定的落差，落差形成合適的震感，提醒乘客下車。

1座椅硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于微機(jī)控制的新型智能高鐵座椅結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1-圖3所示，包括由椅背、設(shè)置在椅背兩側(cè)的第一座椅扶手與第二座椅扶手和與兩個座椅扶手底部鉸接的椅墊組成的禮堂椅主體，椅墊內(nèi)靠近椅背的一端設(shè)置有配重塊，禮堂椅主體采用重力回復(fù)機(jī)制，使椅墊4在使用后能夠進(jìn)行收和[6]。

上面所述第一座椅扶手沿頂部表面嵌入二維碼掃碼裝置，該二維碼掃碼裝置的信號輸出端與第一座椅扶手內(nèi)微機(jī)控制器的第一信號輸入端相連接，用于識別車票信息[2]。微機(jī)控制器采用型號為樹莓派3b+，其通過無線通信功能與數(shù)據(jù)庫管理終端進(jìn)行連接，數(shù)據(jù)庫管理終端有權(quán)更改座位、到站等信息，將對應(yīng)車次的信息利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)送至對應(yīng)車次的微機(jī)控制器內(nèi)置數(shù)據(jù)庫中。第一座椅扶手沿與第二座椅扶手相對的壁面上設(shè)置有電磁鎖，電磁鎖的標(biāo)準(zhǔn)電壓為12V，其電源通過變壓器連接至高鐵電源端，該電磁鎖靠近椅背一側(cè)設(shè)置。微機(jī)控制器的標(biāo)準(zhǔn)電壓為5v，其電源通過降壓器接至電磁鎖的電源端，其第一信號輸出端與電磁鎖的信號輸入端相連接，椅墊朝向第一座椅扶手的側(cè)壁上設(shè)置有與電磁鎖相配合的鎖扣，通過乘客車票信息核對來控制座椅電磁鎖的開閉，使得信息核對不正確的乘客無法使用高鐵座椅，可有效防止霸座現(xiàn)象的發(fā)生。所述二維碼掃碼裝置由光源、透鏡、掃描模組、AD轉(zhuǎn)換電路組成。利用光電元件將光信號轉(zhuǎn)換成為電信號，再將電信號通過AD轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號傳送到微機(jī)中集中處理，最終得到車票二維碼中包含的內(nèi)置信息。具體如圖4所示。

如圖1所示，椅墊4底部設(shè)置有加速度傳感器402，加速度傳感器402是一種能夠測量加速度的傳感器，用于檢測當(dāng)前列車行駛過程中的加速度，通常由質(zhì)量塊、阻尼器、彈性元件、敏感元件和適調(diào)電路等部分組成。[10]傳感器在加速過程中，通過對質(zhì)量塊所受慣性力的測量，利用牛頓第二定律獲得加速度值，加速度傳感器402的信號輸出端與微機(jī)控制器203的第二信號輸入端相連接，椅墊4頂部設(shè)置有震動坐墊403，震動坐墊403的信號輸入端與微機(jī)控制器203的第二信號輸出端相連接。

椅墊頂部設(shè)置有震動坐墊，該震動坐墊的信號輸入端與微機(jī)控制器的第二信號輸出端相連接，由微機(jī)發(fā)出信號驅(qū)動震動坐墊進(jìn)行震動形成合適的震感，提醒乘客下車。

此外，如圖2所示，第二座椅扶手頂部還設(shè)置有提醒燈7，提醒燈7的信號輸入端與微機(jī)控制器203的第三信號輸出端相連接，通過醒目的提醒燈能夠有效提醒旅客已到達(dá)目的地，保證其不會錯過站。

為保證座椅的安全性和穩(wěn)定性，第一座椅扶手和第二座椅扶手底部均設(shè)置有基座，能夠與高鐵車廂進(jìn)行固定。

為提供更好的舒適性，椅背貼合人體背部的側(cè)壁上還設(shè)置有按摩球?qū)?，防止長時間依靠產(chǎn)生血液不流通的情況發(fā)生[4]。

附圖標(biāo)記說明：

2系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1功能模塊設(shè)計

結(jié)合座椅的硬件，將該系統(tǒng)功能設(shè)計為以下4部分：①防霸座識別。利用C++語言連接數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫設(shè)置CPIO口的高低電平，將掃碼得到的數(shù)據(jù)段按需截取，與數(shù)據(jù)庫中的乘客信息進(jìn)行匹配，成功則使IO口打開，實現(xiàn)開鎖功能;反之，IO口保持關(guān)閉，開鎖失敗;②到站提醒功能，則首先通過加速度傳感器中的敏感元件將測點的加速度信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號，進(jìn)入前置放大電路，改善信號的信噪比后，再進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，最終送入微機(jī)中[3];③站點移動。利用條件結(jié)構(gòu)實現(xiàn)對站點的移動，再與數(shù)據(jù)庫中的原始信息進(jìn)行匹配，成功則使IO口打開，執(zhí)行提醒功能。反之，IO口保持關(guān)閉，保持原來的狀態(tài)。站點表按照高鐵的實際運行線路存放在數(shù)據(jù)庫中，數(shù)據(jù)庫可以通過聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程修改;④電磁鎖開關(guān)流程。電磁鎖驅(qū)動器與普通的交流220V電源相連接，利用其NC口驅(qū)動電磁鎖。其中的PUSH口與微型計算機(jī)的GPIO口中的一個相連接，起到控制鎖開閉的作用。利用微機(jī)的USB接口作為掃碼裝置的供電口，并用來與掃碼設(shè)備通訊，接收掃碼設(shè)備獲取的二維碼信息。最后利用驅(qū)動器的常12V直流口通過降壓器后對微機(jī)供電。利用微機(jī)的另一組GPIO口通過三極管后來實現(xiàn)對12V直流震動坐墊運行/停止的控制。

2.2防霸座業(yè)務(wù)流程

系統(tǒng)防霸座業(yè)務(wù)流程如圖6所示。數(shù)據(jù)庫管理終端有權(quán)更改座位、到站等信息，將對應(yīng)車次的信息利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)送至對應(yīng)車次的微機(jī)內(nèi)置數(shù)據(jù)庫中。[5]座椅初始為折疊狀態(tài)，坐墊兩側(cè)的電磁鎖202電源通過變壓器連接至高鐵電源端，微機(jī)控制器203的電源通過降壓器接至電磁鎖202的電源端，旅客上車后，應(yīng)將車票二維碼置于掃碼裝置上掃描，此時掃碼裝置接收到主機(jī)發(fā)送的掃描命令開始讀碼并將讀取的信息傳送至中央控制模塊，與數(shù)據(jù)庫中預(yù)存的座位、旅客信息進(jìn)行比對。若車票二維碼對應(yīng)的旅客座號信息與車次信息均與數(shù)據(jù)庫中存儲的信息一致，[9]則微機(jī)控制器203輸出信號至電磁鎖202的電源使其斷電;電磁鎖202為常開開關(guān)，初始狀態(tài)下，座椅處于折疊狀態(tài)，座椅靠背和坐墊自動貼合在一起，電磁鎖202伸出的鎖舌與坐墊邊緣的凹孔卡和，旅客在不破壞座椅結(jié)構(gòu)的情況下無法手動將坐墊拉至底部。通電后電磁鎖202的鎖舌收回，電磁鎖202失去卡和功能，旅客可以將坐墊拉直底部位置就坐。若車票二維碼對應(yīng)的旅客身份信息或車次信息與數(shù)據(jù)庫中存儲的信息不一致，則電磁鎖202繼續(xù)打開。

2.3系統(tǒng)到站提醒流程

系統(tǒng)到站提醒業(yè)務(wù)流程如圖7所示。當(dāng)列車滿足即將?？康乃俣葪l件時，微機(jī)控制器203檢測前方到站信息，與該座椅對應(yīng)乘客的目的地進(jìn)行比對，如果不匹配，提醒燈7和震動坐墊403將不會收到任何信號，系統(tǒng)維持原狀態(tài)不變，等待下一車站時再進(jìn)行等待識別;如果匹配，微機(jī)向提示燈輸出電信號，提示燈顏色變成紅色，提醒旅客前方為目的地，同時提醒燈7一側(cè)設(shè)置有開關(guān)，如果旅客意識清醒，則可以按下左側(cè)座椅扶手上的開關(guān)，從而阻斷啟動提醒裝置的電信號，提醒系統(tǒng)不工作。

如果乘客并未按下此開關(guān)，則等待加速度傳感器402檢測到列車持續(xù)減速至速度為一定負(fù)值時（擬為：-3km/h），微機(jī)控制器203向震動坐墊403發(fā)送信號，震動坐墊403進(jìn)行震動，從而使旅客產(chǎn)生震感，提醒旅客下車，同時震動坐墊403一側(cè)設(shè)置有開關(guān)，當(dāng)旅客被提醒后可通過開關(guān)進(jìn)行震動坐墊403的關(guān)閉;站點表按照高鐵的實際運行線路存放在數(shù)據(jù)庫中，數(shù)據(jù)庫可以通過聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程修改。

旅客下車后，將控制電磁鎖的IO口置低，電磁鎖保持通電狀態(tài)，座椅坐墊自動彈回至與座椅靠背貼合，電磁鎖閉合，成功再次鎖上座椅。即可迎接下一乘客。

3結(jié)論

本座椅具有以下功能和特點。

1）將每趟車次的乘客信息預(yù)先寫入微機(jī)控制器的數(shù)據(jù)庫中用以進(jìn)行信息比對，從而實現(xiàn)通過乘客車票信息核對來控制座椅電磁鎖的開閉，使得信息核對不正確的乘客無法使用高鐵座椅，可有效防止霸座現(xiàn)象的發(fā)生。

2）利用數(shù)據(jù)庫中存儲的列車站點信息，結(jié)合通過掃碼識別獲得該座椅對應(yīng)乘客的乘車信息，當(dāng)乘客快到站時，輔以加速度傳感器裝置的檢測信號，若有明顯減速現(xiàn)象則由微機(jī)發(fā)出信號驅(qū)動震動坐墊進(jìn)行震動形成合適的震感，提醒乘客下車。

3）基座能夠與高鐵車廂進(jìn)行固定，保證其安全性和穩(wěn)定性。

4）按摩球?qū)幽軌蚴褂脩艨恐迷诎茨η驅(qū)由线M(jìn)行按摩，防止長時間依靠產(chǎn)生血液不流通的情況發(fā)生。

5）通過醒目的提醒燈能夠有效提醒旅客已到達(dá)目的地，保證其不會錯過站。

本新型高鐵座椅不僅具備上述功能，還為高鐵座椅的進(jìn)一步信息化預(yù)留了空間。通過微機(jī)上的可拓展模塊，可以引入更多的功能，例如高鐵的溫度控制、按摩娛樂、保護(hù)人身安全等功能，未來這些寶貴經(jīng)驗也可以應(yīng)用到其它領(lǐng)域。

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收稿日期：2020-01-21

作者簡介：孫久龍（2000-），男，本科在讀，電氣工程及其自動化專業(yè)。E-mail： 1042236895@qq.com

通訊作者：周艷（1974-），女，講師，研究方向：信息技術(shù)。E-mail： vzhou@swjtu.edu.cn

基金項目：2019年國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃（201910613026）