火车卧铺车厢防过站提醒系统设计

秦静 曾实现 王岳齐 韩子奇 孙理智 李春晓 韩子奇

摘要：为了更好地服务于大众，针对于在火车、高铁卧铺上遇到的坐过站问题设计了一款基于STM32单片机的火车卧铺车厢防过站提醒系统。火车卧铺车厢防过站提醒系统是融合了机械、电子、计算机、控制和人工智能等高新技术的产物，它以单片机作为主控制系统，由按键床铺，IC读卡器作为信息采集，由乘务员端作为显示系统，由振动電机作为提醒系统。其工作过程为，乘客上车，乘务员扫描身份证，读卡器将乘客的乘车信息自动导入乘务员的系统，当乘客快到所到达的站点，按键床铺通过采集到的信号，判断乘客是否在卧铺上，振动电机开始对乘客进行唤醒服务，如果乘客没有醒，将及时提示乘务员端，这时乘务员便可以提醒乘客。由此该装置既可以极大的减轻乘务员的负担，也可以及时做到提醒乘客下车。

关键词：STM32单片机;信息采集;唤醒服务

引言

目前高铁、火车、公交车等依然是人们的交通工具，无论是手机还是电脑，都是人们日常生活中不可或缺的一部分。由于我国人口众多，因此铁路客运在国内选择出行的交通工具中处于不可替代的位置。卧铺车厢也是中国长途客运列车的重要组成部分，随着国民生活水平的提高，选择乘坐火车卧铺的乘客越来越多。[1]用户在乘坐各种交通工具，例如：公共汽车、地铁等交通工具时，习惯于在车上，看视频、看书、玩游戏、聊天、甚至是工作办公等来度过车上的时间。但是，很多乘车顾客都会遇到一些尴尬的经历，在乘车过程中可能由于过分专注于手机上的内容，或者在车上长时间办公，而导致错过下车的站点。况且我国人口众多，因此我国铁路客运运输在国内交通运输中有着不可替代的作用，尤其是像火车卧铺，人们睡在车上，如果没有人提醒更容易因为睡着而错过下车点，而且目前的卧铺车厢普遍采用上车换卡的到站提醒方式这种传统的方式人工成本极高，而且极为不便利，同时也造成了因乘务员事务繁忙，疲劳等因素而没有及时换卡以及提醒等原因导致的误点、误站等问题，错误率极高，从而给乘客的出行带来不便甚至是造成了一定的经济损失。为了解决这个问题，设计制作火车防过站提醒系统。

1硬件系统设计

STM32是一款嵌入式单片机，一款微型控制器，性能比较高、耗能较低。在开发STM32F105和STM32F107系列设计之前，芯片的封装引脚要保持排列的一致性，研发的新系列采用了三种不同的封装，分别是LFBGA100、LQFP64和LQFP100这三种，基于STM32的开创初衷，开发人员通过选择产品可重新设计其性能和功能，设计出不同的功能，用最小的变化来满足不同客户个性化需求。目前已经开发的新系列是主要沿用之前增强系列的72MHz处来理频率。所采用的STM32F103，其内核是32位的CPU，它的工作频率是72MHz。其中的闪存的包括64KB到256KB，而嵌入式的20KB到64KBSRAM。利用的算法是单周期乘法和硬件除法。整体设计框图如图1所示。

1.1IC读卡器

IC读卡器，可以根据所监测到的读卡器读出卡里所储备的数据，通常IC卡读卡器通过数据线连接到各种设备上，设备上会显示相应的数据和信息，其中数据线主要以USB接口为主。所用的产品型号主要是DAIC-YKT-ZX;读写卡的距离也从0到5厘米不等;供电电源主要以外接12V的电源;电源的输入功率约为2W;波特率约为115200bps;格式一般从1位起始位，一般有8位数据位，1位停止位为主;根据读卡类型的不同，IC卡读写器可以分为接触式、非接触式、双界面读卡器。IC读卡器还可以做到无奇偶校验位。

1.2基本机构的设计

一种卧铺车厢乘车的辅助系统，包括基本的控制的通信模块、提醒模块、IC信息读取装置;通信模块用于与服务器通信连接;所述提醒模块用于根据所述控制器发出的控制信号;根据提取的信息做出相应的判断以做出相应的动作;信息读取装置用于将读取的信息发送至所述控制器;电机有和多种：伺服电机、普通电机、振动电机等等，为了达到提醒的目的，选用振动电机。通过STM32编程设计实现微控制器与电脑的无线通信，监控各个装置的开关和传感器的数据。[2]根据已知的信息，按时做出相应的动作。

1.3振动电机

为了达到唤醒乘客的目的，但是又不影响乘客在卧铺上休息的过程，我们选择使用振动电机。振动电机主要有以下两种运行轨迹：一是复合振动，其中振动体的振动是由两组激振系统所产生的，它可以同时呈现出一个小频率高频率的振动，筛分部分也夹杂着两种不同的振动，使筛分机械起到一个比较有效的筛分工作。振动电机，包括驱动组件，所述驱动组件包括定子和相连接的转子及转轴。[3]旋振动通常是由立式振动电机产生的，旋振动的振动形式主要根据立式振动电机激振块两端的夹角所决定。振动电机的激振力能耗比较小、噪音低，有效的增加了客户的使用感。同时其寿命长、利用率也较高，可以更好地符合我们设计的初衷和要求，达到既能唤醒乘客，而在乘坐过程中不影响休息。

2软件系统设计

该系统程序设计部分主要有基于SolidWorks软件三维模型的设计，基于Altium Designer软件的电路设计，基于Keil软件的程序设计，系统控制技术路线等。

2.1基于SolidWorks软件三维模型的设计

为保证建模效果使用SolidWorks软件，绘制各部件的零件图。且基于调查和真实现场感受，通过有限元分析，基于实体分析，建立一个零件，绘制零件图、草图，进行相应特征处理，通过各种零件的绘制，将各部分零部件绘制完毕，并进行装配工作，装配完毕，动画设计验证其结构设计的可行性，以保证实物组装及运行的可能性。一部分经3D打印，和另一部分购买实体及零件相配置，配置得实体进一步对其相关抗压性、可实施性进行试验。

2.2基于Altium Designer软件的电路设计

Altium Designer 提供了一款可以根据自己需求设计电路板的软件，其综合所有电子产品及其一体化，开发所需的所有必须技术和功能。通过此软件进行原理图设计，进行了原理图设计，对其进行电路仿真，保证其准确性，利用PCB进行绘制编辑并布线。并集成了一个基于现代设计数据的管理功能，Altium Designer也是可以完成电子产品开发的良好软件，一个可以满足未来开发的设计开发软件。本设计利用软件绘制电路板，合理配置、绘画，同时利用三维视角察看分析设计的合理性，再进行实物样机制作与电路板蚀刻，实物进行检验，以保证符合研究的一般方法与思路。

2.3基于Keil软件的程序设计

火车卧铺车厢防过站提醒系统的程序设计使用C语言编程对其进行控制、编辑。C语言工作效率比汇编语言低，但是C语言的开发使用速度快，使用C语言更容易对其进行开发容易，设计自由，指令较多，代码设计方式多样，数据结构丰富多样，包括结构化的操作代码，代码编写自定义，代码的移植率高等特点。并且汇编语言晦涩难懂，不易去理解，其他人难读使用，所以使用率较低。所以使用C语言程序设计能够有效的缩短开发周期。

Keil软件通过一个集成的开发环境将C编译器和链接器以及库管理和一个功能强大的仿真调试器等这些部分组合在一起，组成一个完整的开发系统，它将所有功能良好的组合在一起，使得Keil软件是一个较为良好的选择。目前应用的Keil软件，主要为Keil4和Keil5，但是相比较Keil4，Keil5软件更加适合多功能复杂的开发系统，因此选用Keil5软件进行编程，用Keil5新建一个基于ARM的工程并保存，对其以进行程序的编写与调试，进行仿真、下载到芯片中，通过芯片对其整个系统进行控制。

2.4系统控制技术路线

（1）智能化技术

智能化系统在于它所采取的有关信息处理、信息的传输、等高技术的系统应用与设计，多功能应用运用，实现服务、信息和系统资源的高度共享。智能化系统图如图2

（2）乘客信息系统

乘客信息系统在于计算机系统为核心，通过采集的方式，将乘客的终点站信息储存在数据库中，方便统一调出提醒。

按键床铺实现整体上下移动：

该床铺分为三层结构组成，上层床铺下面由8个十字的槽，中间由能活动的插销以方便连接，另一边连接固定在底端的平衡杆，底部则由支撑上层床铺的支架和接收按压信号的开关。

IC读卡机实现信息采集：

通过IC读卡器，将乘客的身份证（用IC卡模拟）靠近读卡器，读取乘客的信息，上传到终端。

振动电机进行唤醒：

采用小型的振动电机，安装在床铺旁边，设计好配套的硬件电路，通过电机的振动将乘客进行唤醒。

3结论

主要研究内容：本设计用于火车卧铺车厢防过站提醒系统。该系统以单片机作为主控制系统，由按键床铺作为乘客状态采集，IC读卡器作为信息采集，由乘务员端作为显示系统，由振动电机作为提醒系统。乘客上车，由乘务员扫描身份证，读卡器将乘客的乘车信息自动导入乘务员的系统，当列车即将达到乘客的终点站，按键床铺通过采集到的乘客状态信号，判断乘客是否在床上，如果乘客在床上休息，振动电机开始对乘客进行唤醒，如果乘客没有醒，将提示乘务员端，由乘务员提醒乘客。该装置极大的减轻了乘务员的负担。

主要实现以下功能：

（1）准确获取乘客的信息;

（2）按键床铺可以准确的获取乘客状态;

（3）能够将乘客进行唤醒。

创新性：

1.使用下沉式床铺，可以实现乘客状态的判断;

2.使用IC读卡器进行读取乘客行程信息，可以更快的建立数据库，加快传输速度;

3.使用振动电机唤醒的方式，可以在唤醒需要下车乘客的同时，减少对其他乘客的影响。

参考文献

[1]明洋，刘楚辉，宋月，谢文婧，郝海兵，任新强.火车卧铺车厢内部空间的设计与改善[J].科技视界，2017（06）：55-56.

[2]聂茹.基于STM32的智能婴儿摇篮系统设计与实现[J].信息技术，2021 （09）：84-88.

[3]陳志东，陈建群.振动电机及电动牙刷[P].广东省：CN112448556A，2021-03-05.

作者简介

秦静（2002-），女，山东省日照市人，学士，研究方向：控制工程。

该项目由省级创新创业训练项目《火车卧铺车厢防过站提醒系统》（S20 2113320091）支持。