基于STM32的地铁屏蔽门状态监控与报警系统设计*

王加宾， 梁鉴如， 戴翌清， 施 聪， 陆鑫源, 陈 强

(1.上海工程技术大学 电子电气工程学院，上海 201600；2.上海地铁维护保障有限公司通号分公司， 上海 201600)

0 引 言

随着城市轨道交通的快速发展，地铁运行的里程和线路也在迅速增加，轨道交通的人身安全问题也得到了人们的高度重视。上海地铁2号线作为市区轨道交通的骨干线路之一，由于信号与屏蔽门联动功能的使用，屏蔽门的故障次数也在不断增加。如列车车门和屏蔽门开关不联动、屏蔽门非预期开关、交错开门等故障现象，造成多次轻微伤人事故。作为保障乘客安全和地铁系统正常运行的重要安全设施—地铁站台屏蔽门系统面临很大的挑战。为了减少因屏蔽门的故障造成的事故，提高地铁运营效率和安全性，帮助运维人员快速找到故障点，本文对控制屏蔽门工作的继电器的运行状态监控进行设计。

1 系统总体设计方案

地铁屏蔽门状态远程监控与报警系统整体框架如图1所示。系统整体由3部分组成：数据采集模块、单片机(micro controller unit,MCU)控制系统、个人电脑(personal computer,PC)端。电压传感器和电流传感器用于检测继电器线圈电压和电流；摄像头1用于监测继电器接点信号，判断继电器处于吸起还是闭合状态；摄像头2用于车地通信(train-to-wayside communication，TWC)系统信号的检测，判断列车是否到站。本文选用STM32F103作为主控制芯片，通过测量屏蔽门与信号系统的电气接口,继电器的通断时的电气参数变化，判别屏蔽门系统的运行状况(欠压、不工作等)，根据连锁信号系统和屏蔽门的关联关系，分析屏蔽门工作状态是否正常，并将数据传送到远程服务器端，服务器根据屏蔽门故障检测判据给出相应的处理建议[1]。

图1 总体设计方案框图

2 系统硬件设计

2.1 漏电流传感器模块

上海申通地铁2号线使用了美国的PN—150B继电器和国产JWXC—1700继电器联合进行屏蔽门的控制。为了不影响地铁屏蔽门的正常运转，本文采用信瑞达公司提供的F系列交流漏电流传感器，安装在继电器的线圈外，用于检测继电器的电流，其测量原理如图2所示。该漏电流传感器依据互感器电磁阻离、磁调制工作原理将被测交流微电流、直流微电流转换为直流电流、直流电压并隔离输出标准模拟信号或数字信号[2]。

图2 漏电器传感器的工作原理

为检测该系列漏电流传感器的性能，对该电流传感器进行了模拟性试验，试验均在常温下进行。该模拟试验的检测对象是国产JWXC—1700继电器，在电压0～5 V范围内，对继电器的电流及漏电流传感器检测到的漏电流进行了测试，其测试数据如表1所示。对试验所得测试数据进行拟合化处理，可得该试验所得拟合直线斜率为0.25,因此漏电流传感器的输出电压与输入电流具有良好的线性关系，且最小输入电流时，输出电压也满足设计需求，因此该型号的漏电流传感器符合本设计的实际要求。

表1 模拟试验数据

2.2 电压采集传感器模块

本文采用卡斯柯信号有限公司生产的PBMCJ—1型屏蔽门电压采集模块，可以对屏蔽门供电电压状态以及屏蔽门控制继电器工作状态进行监测。设计上采用电磁隔离原理，即电压输入、电流输入及输出三方隔离，隔离电压达2 kV，同时使用专业的MCU控制器，可以同时测量4路屏蔽门状态的供电电压。该模块具有高精度、高隔离、低功耗、低漂移、抗干扰能力强的特点，可以满足本文设计的需求。

3 系统软件设计

3.1 硬件控制系统的主要软件设计

地铁屏蔽门的开关主要由门使能继电器、开门继电器和门锁闭继电器控制，通过检测这些继电器的电压和电流等状态信息来组成屏蔽门执行侧的监控，为快速找到地铁屏蔽门故障点提供技术支撑。负责采集数据的屏蔽门电压采集传感器、漏电流传感器和薄型摄像头模块均通过RS—485接口与主控制芯片STM32F103通信。RJ45远程通信模块支持TCP/IP协议，通过该模块可以与远程服务器建立连接，保证采集数据回传的可靠性和实时性。屏蔽门监测终端主程序流程如图3所示。硬件系统进行各模块初始化工作后，RJ45模块通过TCP/IP协议连接互联网，与远程地铁监管中心建立网络连接通道[3]。硬件系统与远程监控中心建立连接后，会每隔3 s主动向监控中心以字符串的形式发送采集到的门使能继电器、开门继电器和门锁闭继电器的电压、电流等数据信息，同时监控中心也可以将控制指令通过RJ45模块回传给硬件控制单元，形成数据传输回路。

图3 屏蔽门监测终端主程序流程

3.2 远程监控中心软件设计

远程监控中心基于MyEclipse平台运用Java语言进行开发的软件系统，服务器选用Apache tomcat 7.0,使用MySQL关系型数据库。系统采用SSH(Spring，Struts2，Hibernate)的企业级整合框架进行开发。整个系统主要由9个核心模块组成，系统功能模块如图4所示。

图4 远程监控系统功能模块

实时显示模块，用于实时显示地铁站台信息，如站台上是否有车。如果页面中屏蔽门为绿色代表列车进站屏蔽门处于开启状态；灰色代表此时站台上无列车，屏蔽门处于关闭状态；红色代表屏蔽门处于故障状态,白色部分表示玻璃幕墙；状态量显示模块和模拟量时序图模块，用于分别显示地铁站台的门使能继电器、 开门继电器和门锁闭继电器的状态信息和电压电流值，并通过时序图和折线图的形式展示；预警模块，用于地铁站台屏蔽门故障状态的实时报警，通过该部分的功能可以使维修人员快速找到故障点；历史报警模块和回放模块为用户提供近3年的历史记录，用户可以通过选择起始时间、截止时间或者线路等选项进行多条件动态查询过去某一个时间段的报警信息；设置模块用于设置继电器电压、电流的阈值；系统自检模块用于查看整个系统的运行状态，及时查找到整个系统的故障点。

3.3 ECharts API 接口及加载

使用ECharts[6,7]时只需要在script标签中正常引用即可，在绘图前需要为ECharts设置一个拥有高度和宽度的DOM容器，然后通过.init()方法初始化ECharts实例，可以根据实际的项目需求设置同一个DOM容器中设置多个grid组件，由.setoption()生成一个多grid的动态折线图[8]。

4 系统测试

在搭建好的硬件平台和软件平台上进行测试，在PC端通过浏览器打开远程监控中心系统，启动服务器，保持网络的畅通。屏蔽门运行状态检测平台每隔3 s将采集到的数据传送到服务器端，服务器端一方面将数据保存到MySQL数据库，另一方面及时将数据传送给浏览器端的远程监控中心，远程监控中心根据屏蔽门故障判断依据来处理获取的数据，及时对屏蔽门运行状态做出预警或报警处理，并给出提示信息。

屏蔽门的运行状态分为3种：故障、异常、正常。故障状态需要进行报警处理，异常需给出预警提示。在实验室中模拟屏蔽门出现这3种状态，共采集了16组测试数据，如表2所示，S代表是否有车，R1～R3分别为门使能继电器状态，开门继电器状态，门锁闭继电器状态。经过测试设计的数据采集模块可以实时采集到屏蔽门的运行状态数据，并通过TCP/IP将数据发送到远程监控中心。屏蔽门运行状态出现故障或异常时，远程监控中心能够及时进行报警或预警处理，并给出情况说明。

表2 实验室采集屏蔽门状态

5 结束语

基于STM32的地铁屏蔽门状态远程监控与报警系统的检测平台通过采用模块化设计，有效降低了检测平台功耗，减小检测平台的体积。远程监控中心采用企业级的SSH框架，使得监控中心软件系统具有高内聚、低耦合的优点，方便系统的维护和迭代。同时整个系统开放了数据检测采集和传输接口，可以在其他地铁线路较广范围的使用。本文设计的地铁屏蔽门远程监控与报警系统对于进一步降低上海地铁2号线屏蔽门故障率，并在保障乘客人身安全等方面具有重要意义。