王春行

（廣州新科佳都科技有限公司，廣東 廣州 510653）

1 地鐵閘機的組成結構

1.1 地鐵閘機簡介

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

1.2 地鐵閘機的組成結構

地鐵閘機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、電路模塊以及維護模塊所組成，具體構成框架如圖1。

圖1 地鐵閘機組成結構圖

1.3 地鐵閘機扇門控制系統(tǒng)組成結構

地鐵閘機扇門控制系統(tǒng)主要是對乘客進出次序、方向、人數(shù)等狀態(tài)進行控制，它能夠實時監(jiān)測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。若有些乘客的行為出現(xiàn)異常時（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、信號采集板以及工控機所組成，左、右扇門控制版主要是控制扇門的開關。

信號采集版主要是通過傳感器采集乘客經(jīng)過閘機通道的行為，然后上傳所采集到的數(shù)據(jù)信息；工控機根據(jù)所采集到的乘客行為信息數(shù)據(jù)進行分析和處理，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開或關。具體組成結構如圖2 所示。

2 地鐵閘機扇門控制系統(tǒng)設計

2.1 傳感器位置的布置

為了保障乘客順利通行，及時檢測乘客在通道中的行為、位置及方向，還需要在閘機外殼上按照傳感器。但由于人體比例結構有所差異，為此在布置傳感器位置時，必須要圍繞人體結構之間的關鍵點（如：人體的踝關節(jié)、膝關節(jié)、腕關節(jié)、肘關節(jié)等位置）進行布置，從閘機入口處到扇門處1000mm 左右的區(qū)域內(nèi)布置傳感器（見圖3），該區(qū)域內(nèi)設置有判別區(qū)、檢測區(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傳感器，用于識別乘客的行走方向；其次，在檢測區(qū)的上端也就是人體肘關節(jié)的位置布置3 個傳感器，用于檢測通道中乘客人數(shù)，布置時3 個傳感器之間的距離稍微大一些，以避免因乘客行走時擺動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 個傳感器，當傳感器檢測到乘客已經(jīng)行至安全區(qū)域時，扇門不會關閉，以免夾傷乘客[1]。

圖3 閘機一側傳感器位置布置圖

2.2 乘客識別系統(tǒng)設計

乘客識別系統(tǒng)主要是檢測識別乘客正常通行，防止有的乘客為了逃票而出現(xiàn)多人通過的行為。但在日常檢測中，由于乘客穿著服裝等問題，導致識別系統(tǒng)不能準確檢測到乘客的走動情況時有發(fā)生。為此，在乘客識別系統(tǒng)設計中，可進行區(qū)域分類設計，如：邊界區(qū)設置傳感器。在檢測區(qū)的邊界區(qū)域內(nèi)設置上下檢測點，當乘客沒有刷卡便踏入邊界區(qū)時，任意一個檢測點便會識別出而會發(fā)出警報，以防止乘客進入；在對進出檢測區(qū)設計時，可根據(jù)人體身軀厚度的特點在進口檢測區(qū)域和出口檢測區(qū)域分別設計三個檢測點，主要是為了防止識別不到而出現(xiàn)漏檢情況的發(fā)生；安全檢測區(qū)，則需要根據(jù)人體身高的特點設置檢測點，這樣是為了系統(tǒng)能夠識別到幼童，而避免出現(xiàn)檢測不到的情況發(fā)生（圖2）。

圖2 閘機扇門控制系統(tǒng)結構框架圖

2.3 傳感器狀態(tài)讀寫

圖4 乘客識別流程圖

為了能實時采集到各個傳感器的狀態(tài)信息，還需要進行讀采集系統(tǒng)模塊和讀寫模塊程序的設計，因為系統(tǒng)在運轉過程中，上位機一直處于待命狀態(tài)，而下位機也只能是采集傳感器的狀態(tài)，但并不進行儲存，只有上位機發(fā)送讀命令時，下位機才會將所收集到的狀態(tài)信息上傳。為此，在設計系統(tǒng)程序時，可以設定主程序和串口接收中斷程序。主程序主要用于采集各個傳感器實時狀態(tài)，并進行儲存；串口接收中斷程序主要是在接收到上位機的讀傳感器狀態(tài)命令時（見表1），對數(shù)據(jù)進行檢驗后通過串口將數(shù)據(jù)進行上傳。而讀寫程序主要是將扇門運作中的一些重要數(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)斷電或下位機中斷工作，系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)也不會丟失。

表1 上位機讀傳感器狀態(tài)數(shù)據(jù)圖

2.4 扇門控制電路設計

2.4.1 控制電機的電路

無刷直流電機作為控制扇門啟動、關閉的電機，也是扇門控制效果好壞的關鍵。為此，在設計無刷直流電機控制系統(tǒng)時，可結合其工作原理（見圖5）加入數(shù)模混合的控制系統(tǒng)和數(shù)字化系統(tǒng)。因為無刷直流電機性能要求比較高，數(shù)?？刂破餍酒?、數(shù)字電路以及DSP 的運算速讀比較快，準確度比較高，能夠完成復雜的算法。而無刷直流電機啟動快的特性，能夠使扇門保持最佳的運作狀態(tài)，從而達到扇門快速啟動的要求。此外，無刷直流電機優(yōu)異的調速特性，能夠使電源電壓在負載時改變轉速，使電源電壓實現(xiàn)平滑調速，將其應用到扇門控制系統(tǒng)中，扇門能在電機的帶動下完成啟動、關閉動作，尤其是扇門在關閉過程中，如果有乘客刷卡，控制電路的電機會立馬制動扇門迅速停止并迅速打開。可見，控制無刷直流電機的電路能使扇門啟動、關閉速度更加穩(wěn)定可靠[2]。

圖5 無刷直流電機工作原理圖

2.4.2 驅動電路

在扇門控制系統(tǒng)中，由于使用的電機屬于貨源緊缺型，成本價格比較高，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動電路。這種驅動電路上側是集電極開輸出，能夠驅動P 溝道MOSFET 管，其開關速讀比較快，導通和關閉時間一般在39ns；下側是推挽輸出，具有100mA 電流驅動能力，能夠驅動N 溝道MOSFET 管?？梢姡潋寗与娏鬏^小，過載能力比較強，開關頻率比較高，耐壓性能比較好，將其應用到扇門控制系統(tǒng)中完全可以推動無刷直流電機的驅動功能。

2.4.3 電磁鐵控制電路

由于扇門的啟動與關閉動作是需要機械連桿牽引，為此，在設計電磁鐵控制電路時，可以選擇吸盤式的電磁鐵。該種電磁鐵在通電后會產(chǎn)生極大的電磁吸力，能夠有效控制扇門的往前、往后或停止動作，且動作靈活敏捷，比較穩(wěn)定可靠，在設計時可根據(jù)電磁吸力與電壓的要求選擇相對應的電磁吸盤（見圖6）。

圖6 電磁鐵控制電路圖

3 總結

綜上所述，地鐵閘機扇門控制系統(tǒng)的設計是集多個學科為一體的系統(tǒng)工作，只有充分了解系統(tǒng)中各個程序、部件的工作原理與流程，才能設計出符合實際地鐵閘機扇門，在不斷的實踐與研究中不斷改進與提高地鐵閘機扇門系統(tǒng)技術，以實現(xiàn)安全、可靠的全自動化控制系統(tǒng)，為人們今后的出行提供便利。