基于数字集群的地铁车站广播系统设计

李保全,陈 明

(河北远东哈里斯通信有限公司,河北石家庄050200)

0 引言

现存的基于无线的地铁车站广播系统如调频广播系统、GSM手机广播系统和专有频段的手持机广播系统都存在一定局限性,调频广播系统只能由广播员在室内固定广播,不能对现场情况及时通报;GSM手机广播系统投资较高,且依赖GSM网络;专有频段的手持机广播系统需要单独设计无线信号覆盖,限于成本和频段使用限制,其信号覆盖存在盲区,影响车站广播效果。随着反恐防灾形势的日益严峻,上述局限性亟待解决。因此,在无线数字集群系统被广泛应用的地铁领域,设计出成本低、广播地点和范围灵活、操作方便的基于数字集群的地铁车站广播系统意义重大,应用前景广阔。

1 系统功能

针对应用需求,下面从系统主要功能和系统特点2个方面介绍基于数字集群的地铁车站广播系统的功能。

1.1 系统主要功能

车站广播系统能够实现无线手持台通过车站广播电台终端进行车站广播。系统主要功能如下:

①接收无线手持台的广播信令和语音,自动转发给有线车站广播系统。车站广播电台终端能够接收基站覆盖范围内的无线手持台的广播请求,解析出广播信令和广播语音,并通过有线链路自动发送给与其在同一车站的有线车站广播系统,控制有线车站广播系统完成语音广播;

②自动实现车站分区域广播。为了有效控制广播范围,地铁车站一般将整个车站区划分为多个广播区域,并且需要对选定的广播区域单独进行广播,针对该需求,在无线手持台上能够方便的选择不同的广播区域通话组,并向车站广播电台终端发送广播请求,车站广播电台终端能够自动识别无线手持台所使用的广播区域通话组,并将该通话组映射为正确的广播区域,进而通过对应的广播信令控制有线车站广播系统完成对指定区域的广播;

③维护与有线车站广播系统的通信链路。车站广播电台终端通过有线方式与有线车站广播系统连接,并通过握手消息定时检测双方之间的通信链路。

1.2 系统特点

车站广播系统具有如下特点:

①投资较少,只需要定制开发车站广播电台终端设备,地铁现有的无线手持台可以直接作为广播发起设备,地铁现有的有线车站广播系统可以直接作为广播播放设备,由于最大限度地利用了地铁现有设备,所以系统建设成本较低;

②广播地点不受限制,因为系统利用地铁现有的无线数字集群网络,该无线网络为地铁专用,在地铁建设初期进行了详细的覆盖规划和设计,其覆盖范围包括了所有站厅、站台和隧道等区域,所以无线信号覆盖盲区少,无线手持台可以在任意地点发起无线广播;

③广播范围灵活,无线手持台能够根据广播范围要求编入多个广播区域通话组,在手持台上选择不同的广播区域通话组即可对车站的不同区域进行广播;

④自动接续,广播用的无线手持台操作方便,由于整个广播过程的开始和结束控制对用户是透明的,全部由车站广播电台终端自动完成,无线手持台发起车站广播的操作与常用的手持台组呼操作相同,所以使用方便快捷,更能有效处理突发事件。

2 系统总体设计

基于数字集群的地铁车站广播系统将充分利用地铁现有的数字集群网络及其无线手持台设备、有线车站广播系统,设计和实现具有广播控制和接入功能的“车站广播电台”,并对现有的无线手持台和有线车站广播系统进行必要的配置,从而实现无线手持台随时随地的完成车站无线广播。

2.1 系统组成

地铁车站广播系统由无线手持台、数字集群基站、车站广播电台和有线车站广播系统等设备组成,系统结构如图1所示,其中车站广播电台是系统的核心设备,负责无线广播的接入和控制,也是系统的重点设计内容。

图1 系统结构示意图

根据图1的设计,无线手持台发起广播时,首先通过旋钮选择所需的广播区域通话组,按下PTT(Push To Talk)发起无线组呼,该组呼通过数字集群标准的空中接口发送给车站广播电台,车站广播电台提取通话组信息和通话话音,以预先定义的2线音频和RS422私有接口传达给有线车站广播系统,进而打开指定的车站区功放。

2.2 系统关键设计

为了最优地完成车站广播通信过程,系统进行了如下关键设计:

①将数字集群系统中最常用的组呼、扫描功能引入车站广播系统,直接利用数字集群的标准空中接口完成无线通信。组呼是一组用户进行一对多的通信,用户可以很简单的选择进入一个通话组,一旦选择通话组,移动台不需要任何动作,便可自动接收所有有关那个组的呼叫,要发起一个呼叫,用户仅需按下PTT,[1]车站广播电台通过组呼接收广播信息;扫描允许移动台除了在自己的通话组工作外,可以监听(扫描)所选其他通话组的通信[1],车站广播电台通过扫描实现分区域广播。该设计最大限度的简化了广播发起者的操作,并有效保证了广播的可靠性和成功率;

②最短化广播建立时间。车站广播电台采用先进的ARM9处理器以及嵌入式Linux操作系统,开发嵌入式的多线程应用程序,在Linux操作系统中,线程具有高效性和可操作性,可以在共享内存空间中并发执行,大大减少了上下文切换的开销。线程可分为用户级线程与核心级线程[2],系统主要设计用户级线程,包括专门的SB9600接口线程和车站广播系统接口线程。SB9600接口线程从集群标准电台的SB9600接口接收无线手持台的广播组呼信息,解析出广播开始、广播区域和广播结束等关键指令,车站广播系统接口线程将上述指令通过RS422物理接口发送给有线车站广播系统;车站广播电台与车站广播系统之间采用最优化的通信协议,所有指令长度均小于5字节,设计握手消息、广播开始/确认消息、广播结束/确认消息等。先进的软硬件设计和最优的通信协议可以最短化广播建立时间。

3 系统功能实现

车站广播系统的核心设备是车站广播电台,系统功能实现侧重该设备的软硬件实现。车站广播电台采用2U机架式安装结构,使用过程中无需人员值守。车站广播电台实物如图2所示。

图2 车站广播电台实物

3.1 硬件实现

车站广播电台硬件主要包括电源模块、数字集群标准电台、主控板和接口板,硬件组成如图3所示。

图3 车站广播电台硬件组成

其中电源模块直接采用成熟的标准模块;数字集群标准电台为数字集群系统的无线电台终端,开放SB9600和PEI接口供二次开发;接口板是定制开发的,提供车站广播电台所需的各种外部接口;主控板是车站广播电台的核心电路板,完全定制开发,主要实现如下功能:

①核心控制。由专门开发的ARM集成电路板实现,板上搭载 ARM9处理器、Flash、SDRAM 和Clock等芯片;

②音频处理。由音频放大电路和音频控制电路实现;

③串口扩展。通过串口扩展芯片提供多个串口,用于SB9600接口和车站广播系统接口等接口的通信;

④固件升级。通过以太网接口实现;

⑤二次电源转换。将电源模块输出的+12 V转换为主控板所需的+5 V、+3.3V。

3.2 软件实现

车站广播电台软件采用多线程技术和模块化设计,每个模块由一个线程来实现,主要的模块包括主线程模块、SB9600接收线程模块、SB9600发送线程模块、广播消息接收线程模块、广播消息发送线程模块和固件升级线程模块等,详细模块划分及模块之间的关系如图4所示。

图4 软件模块关系

针对每个线程,软件均实现了一个线程函数,主要的线程函数如下:

//广播消息发送处理

static void*broadcast_send entry( void*r);

//广播消息接收处理

static void*broadcast_rcv_entry( void*r);

//SB9600接口发送处理

static void*sb9600_send_ntry(void*r);

//SB9600接口接收处理

static void*sb9600_rcv_entry(void*r);

//主线程处理,程序入口

int MiniGUIMain(int argc,const char*argv[]);

广播消息接收线程模块、广播消息发送线程模块是实现系统功能的主要模块,主要设计实现了如下的处理函数:

//根据无线手持台的广播信令生成要发送给车站广播系统的消息,包括:开始消息(含广播分区信息)、结束消息

static void do _minigui _msg (unsigned char GuangboData);

//创建要发送给车站广播系统的消息队列,包括链路维护消息

static int create_broadcast_send_queue( void);

//处理车站广播系统对开始消息的应答消息

static void do_broadcast_begin_msg(unsigned int GuangboData);

//处理车站广播系统对结束消息的应答消息

static void do_broadcast_end_msg(unsigned char GuangboData);

4 实验结果分析

根据图1系统结构示意图,采用实际设备搭建测试实验环境,重点验证系统功能的可用性和成功率。主要进行了如下测试:

①无线手持台对同一车站区域的广播测试。在无线手持台上选择同一广播区域通话组并按下PTT发起车站广播,只要从有线车站广播系统对应广播区域的扬声器听到无线手持台的广播语音即可判定本次广播成功,并记录从无线手持台按下PTT至听到广播语音所用的时间,即广播建立时间,上述测试连续进行100次,成功率为100%,每次广播建立时间＜1 s;

②无线手持台对不同车站区域的广播测试。在无线手持台上选择不同的广播区域通话组并按下PTT发起车站广播,只要从有线车站广播系统对应广播区域的扬声器听到无线手持台的广播语音即可判定本次广播成功,并记录广播建立时间,上述测试连续进行100次,成功率为100%,每次广播建立时间＜1 s;

③车站广播电台与有线车站广播系统之间的通信链路维护测试。将车站广播电台与有线车站广播系统通过线缆连接,当双方设备均进入正常工作状态后,使用监控软件连续24小时监测双方设备之间的通信链路,没有出现通信中断。

通过上述3项测试,验证了系统功能的可用性和成功率。

5 结束语

针对地铁领域现存的基于无线的车站广播系统的局限性,介绍了基于数字集群的地铁车站广播系统的主要功能,并针对这些功能从系统组成和关键设计2个方面介绍了系统总体设计,然后通过重点讨论系统核心设备车站广播电台的软硬件实现说明了系统的功能实现,最后使用实际的测试实验环境对系统进行了测试,通过实验结果分析,验证了系统功能的可用性和成功率。

工程实践证明,基于数字集群的地铁车站广播系统投资少,广播地点、广播范围灵活,操作简便快捷,可广泛应用于地铁正常运营以及突发事件的处理;经过少量修改该系统也可应用到铁路、机场、油田和公安等领域,应用前景广阔。

[1]郑祖辉,陆锦华,丁 锐,等.数字集群移动通信系统[M].北京:电子工业出版社,2008:375-382.

[2]孙 琼.嵌入式Linux应用程序开发详解[M].北京:人民邮电出版社,2006:279-303.

[3]刘 凯.AR M嵌入式应用技术基础[M].北京:清华大学出版社,2009.

[4]乔 炜.800 MHz数字集群在城市轨道交通上运用的理论分析[J].无线电工程,2003,33(9):53-55.