李保全,陳 明

(河北遠(yuǎn)東哈里斯通信有限公司,河北石家莊050200)

0 引言

現(xiàn)存的基于無線的地鐵車站廣播系統(tǒng)如調(diào)頻廣播系統(tǒng)、GSM手機(jī)廣播系統(tǒng)和專有頻段的手持機(jī)廣播系統(tǒng)都存在一定局限性,調(diào)頻廣播系統(tǒng)只能由廣播員在室內(nèi)固定廣播,不能對現(xiàn)場情況及時通報;GSM手機(jī)廣播系統(tǒng)投資較高,且依賴GSM網(wǎng)絡(luò);專有頻段的手持機(jī)廣播系統(tǒng)需要單獨(dú)設(shè)計無線信號覆蓋,限于成本和頻段使用限制,其信號覆蓋存在盲區(qū),影響車站廣播效果。隨著反恐防災(zāi)形勢的日益嚴(yán)峻,上述局限性亟待解決。因此,在無線數(shù)字集群系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用的地鐵領(lǐng)域,設(shè)計出成本低、廣播地點(diǎn)和范圍靈活、操作方便的基于數(shù)字集群的地鐵車站廣播系統(tǒng)意義重大,應(yīng)用前景廣闊。

1 系統(tǒng)功能

針對應(yīng)用需求,下面從系統(tǒng)主要功能和系統(tǒng)特點(diǎn)2個方面介紹基于數(shù)字集群的地鐵車站廣播系統(tǒng)的功能。

1.1 系統(tǒng)主要功能

車站廣播系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)無線手持臺通過車站廣播電臺終端進(jìn)行車站廣播。系統(tǒng)主要功能如下:

①接收無線手持臺的廣播信令和語音,自動轉(zhuǎn)發(fā)給有線車站廣播系統(tǒng)。車站廣播電臺終端能夠接收基站覆蓋范圍內(nèi)的無線手持臺的廣播請求,解析出廣播信令和廣播語音,并通過有線鏈路自動發(fā)送給與其在同一車站的有線車站廣播系統(tǒng),控制有線車站廣播系統(tǒng)完成語音廣播;

②自動實(shí)現(xiàn)車站分區(qū)域廣播。為了有效控制廣播范圍,地鐵車站一般將整個車站區(qū)劃分為多個廣播區(qū)域,并且需要對選定的廣播區(qū)域單獨(dú)進(jìn)行廣播,針對該需求,在無線手持臺上能夠方便的選擇不同的廣播區(qū)域通話組,并向車站廣播電臺終端發(fā)送廣播請求,車站廣播電臺終端能夠自動識別無線手持臺所使用的廣播區(qū)域通話組,并將該通話組映射為正確的廣播區(qū)域,進(jìn)而通過對應(yīng)的廣播信令控制有線車站廣播系統(tǒng)完成對指定區(qū)域的廣播;

③維護(hù)與有線車站廣播系統(tǒng)的通信鏈路。車站廣播電臺終端通過有線方式與有線車站廣播系統(tǒng)連接,并通過握手消息定時檢測雙方之間的通信鏈路。

1.2 系統(tǒng)特點(diǎn)

車站廣播系統(tǒng)具有如下特點(diǎn):

①投資較少,只需要定制開發(fā)車站廣播電臺終端設(shè)備,地鐵現(xiàn)有的無線手持臺可以直接作為廣播發(fā)起設(shè)備,地鐵現(xiàn)有的有線車站廣播系統(tǒng)可以直接作為廣播播放設(shè)備,由于最大限度地利用了地鐵現(xiàn)有設(shè)備,所以系統(tǒng)建設(shè)成本較低;

②廣播地點(diǎn)不受限制,因?yàn)橄到y(tǒng)利用地鐵現(xiàn)有的無線數(shù)字集群網(wǎng)絡(luò),該無線網(wǎng)絡(luò)為地鐵專用,在地鐵建設(shè)初期進(jìn)行了詳細(xì)的覆蓋規(guī)劃和設(shè)計,其覆蓋范圍包括了所有站廳、站臺和隧道等區(qū)域,所以無線信號覆蓋盲區(qū)少,無線手持臺可以在任意地點(diǎn)發(fā)起無線廣播;

③廣播范圍靈活,無線手持臺能夠根據(jù)廣播范圍要求編入多個廣播區(qū)域通話組,在手持臺上選擇不同的廣播區(qū)域通話組即可對車站的不同區(qū)域進(jìn)行廣播;

④自動接續(xù),廣播用的無線手持臺操作方便,由于整個廣播過程的開始和結(jié)束控制對用戶是透明的,全部由車站廣播電臺終端自動完成,無線手持臺發(fā)起車站廣播的操作與常用的手持臺組呼操作相同,所以使用方便快捷,更能有效處理突發(fā)事件。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

基于數(shù)字集群的地鐵車站廣播系統(tǒng)將充分利用地鐵現(xiàn)有的數(shù)字集群網(wǎng)絡(luò)及其無線手持臺設(shè)備、有線車站廣播系統(tǒng),設(shè)計和實(shí)現(xiàn)具有廣播控制和接入功能的“車站廣播電臺”,并對現(xiàn)有的無線手持臺和有線車站廣播系統(tǒng)進(jìn)行必要的配置,從而實(shí)現(xiàn)無線手持臺隨時隨地的完成車站無線廣播。

2.1 系統(tǒng)組成

地鐵車站廣播系統(tǒng)由無線手持臺、數(shù)字集群基站、車站廣播電臺和有線車站廣播系統(tǒng)等設(shè)備組成,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,其中車站廣播電臺是系統(tǒng)的核心設(shè)備,負(fù)責(zé)無線廣播的接入和控制,也是系統(tǒng)的重點(diǎn)設(shè)計內(nèi)容。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)圖1的設(shè)計,無線手持臺發(fā)起廣播時,首先通過旋鈕選擇所需的廣播區(qū)域通話組,按下PTT(Push To Talk)發(fā)起無線組呼,該組呼通過數(shù)字集群標(biāo)準(zhǔn)的空中接口發(fā)送給車站廣播電臺,車站廣播電臺提取通話組信息和通話話音,以預(yù)先定義的2線音頻和RS422私有接口傳達(dá)給有線車站廣播系統(tǒng),進(jìn)而打開指定的車站區(qū)功放。

2.2 系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)計

為了最優(yōu)地完成車站廣播通信過程,系統(tǒng)進(jìn)行了如下關(guān)鍵設(shè)計:

①將數(shù)字集群系統(tǒng)中最常用的組呼、掃描功能引入車站廣播系統(tǒng),直接利用數(shù)字集群的標(biāo)準(zhǔn)空中接口完成無線通信。組呼是一組用戶進(jìn)行一對多的通信,用戶可以很簡單的選擇進(jìn)入一個通話組,一旦選擇通話組,移動臺不需要任何動作,便可自動接收所有有關(guān)那個組的呼叫,要發(fā)起一個呼叫,用戶僅需按下PTT,[1]車站廣播電臺通過組呼接收廣播信息;掃描允許移動臺除了在自己的通話組工作外,可以監(jiān)聽(掃描)所選其他通話組的通信[1],車站廣播電臺通過掃描實(shí)現(xiàn)分區(qū)域廣播。該設(shè)計最大限度的簡化了廣播發(fā)起者的操作,并有效保證了廣播的可靠性和成功率;

②最短化廣播建立時間。車站廣播電臺采用先進(jìn)的ARM9處理器以及嵌入式Linux操作系統(tǒng),開發(fā)嵌入式的多線程應(yīng)用程序,在Linux操作系統(tǒng)中,線程具有高效性和可操作性,可以在共享內(nèi)存空間中并發(fā)執(zhí)行,大大減少了上下文切換的開銷。線程可分為用戶級線程與核心級線程[2],系統(tǒng)主要設(shè)計用戶級線程,包括專門的SB9600接口線程和車站廣播系統(tǒng)接口線程。SB9600接口線程從集群標(biāo)準(zhǔn)電臺的SB9600接口接收無線手持臺的廣播組呼信息,解析出廣播開始、廣播區(qū)域和廣播結(jié)束等關(guān)鍵指令,車站廣播系統(tǒng)接口線程將上述指令通過RS422物理接口發(fā)送給有線車站廣播系統(tǒng);車站廣播電臺與車站廣播系統(tǒng)之間采用最優(yōu)化的通信協(xié)議,所有指令長度均小于5字節(jié),設(shè)計握手消息、廣播開始/確認(rèn)消息、廣播結(jié)束/確認(rèn)消息等。先進(jìn)的軟硬件設(shè)計和最優(yōu)的通信協(xié)議可以最短化廣播建立時間。

3 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

車站廣播系統(tǒng)的核心設(shè)備是車站廣播電臺,系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)側(cè)重該設(shè)備的軟硬件實(shí)現(xiàn)。車站廣播電臺采用2U機(jī)架式安裝結(jié)構(gòu),使用過程中無需人員值守。車站廣播電臺實(shí)物如圖2所示。

圖2 車站廣播電臺實(shí)物

3.1 硬件實(shí)現(xiàn)

車站廣播電臺硬件主要包括電源模塊、數(shù)字集群標(biāo)準(zhǔn)電臺、主控板和接口板,硬件組成如圖3所示。

圖3 車站廣播電臺硬件組成

其中電源模塊直接采用成熟的標(biāo)準(zhǔn)模塊;數(shù)字集群標(biāo)準(zhǔn)電臺為數(shù)字集群系統(tǒng)的無線電臺終端,開放SB9600和PEI接口供二次開發(fā);接口板是定制開發(fā)的,提供車站廣播電臺所需的各種外部接口;主控板是車站廣播電臺的核心電路板,完全定制開發(fā),主要實(shí)現(xiàn)如下功能:

①核心控制。由專門開發(fā)的ARM集成電路板實(shí)現(xiàn),板上搭載 ARM9處理器、Flash、SDRAM 和Clock等芯片;

②音頻處理。由音頻放大電路和音頻控制電路實(shí)現(xiàn);

③串口擴(kuò)展。通過串口擴(kuò)展芯片提供多個串口,用于SB9600接口和車站廣播系統(tǒng)接口等接口的通信;

④固件升級。通過以太網(wǎng)接口實(shí)現(xiàn);

⑤二次電源轉(zhuǎn)換。將電源模塊輸出的+12 V轉(zhuǎn)換為主控板所需的+5 V、+3.3V。

3.2 軟件實(shí)現(xiàn)

車站廣播電臺軟件采用多線程技術(shù)和模塊化設(shè)計,每個模塊由一個線程來實(shí)現(xiàn),主要的模塊包括主線程模塊、SB9600接收線程模塊、SB9600發(fā)送線程模塊、廣播消息接收線程模塊、廣播消息發(fā)送線程模塊和固件升級線程模塊等,詳細(xì)模塊劃分及模塊之間的關(guān)系如圖4所示。

圖4 軟件模塊關(guān)系

針對每個線程,軟件均實(shí)現(xiàn)了一個線程函數(shù),主要的線程函數(shù)如下:

//廣播消息發(fā)送處理

static void*broadcast_send entry( void*r);

//廣播消息接收處理

static void*broadcast_rcv_entry( void*r);

//SB9600接口發(fā)送處理

static void*sb9600_send_ntry(void*r);

//SB9600接口接收處理

static void*sb9600_rcv_entry(void*r);

//主線程處理,程序入口

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

廣播消息接收線程模塊、廣播消息發(fā)送線程模塊是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的主要模塊,主要設(shè)計實(shí)現(xiàn)了如下的處理函數(shù):

//根據(jù)無線手持臺的廣播信令生成要發(fā)送給車站廣播系統(tǒng)的消息,包括:開始消息(含廣播分區(qū)信息)、結(jié)束消息

static void do _minigui _msg (unsigned char GuangboData);

//創(chuàng)建要發(fā)送給車站廣播系統(tǒng)的消息隊列,包括鏈路維護(hù)消息

static int create_broadcast_send_queue( void);

//處理車站廣播系統(tǒng)對開始消息的應(yīng)答消息

static void do_broadcast_begin_msg(unsigned int GuangboData);

//處理車站廣播系統(tǒng)對結(jié)束消息的應(yīng)答消息

static void do_broadcast_end_msg(unsigned char GuangboData);

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖,采用實(shí)際設(shè)備搭建測試實(shí)驗(yàn)環(huán)境,重點(diǎn)驗(yàn)證系統(tǒng)功能的可用性和成功率。主要進(jìn)行了如下測試:

①無線手持臺對同一車站區(qū)域的廣播測試。在無線手持臺上選擇同一廣播區(qū)域通話組并按下PTT發(fā)起車站廣播,只要從有線車站廣播系統(tǒng)對應(yīng)廣播區(qū)域的揚(yáng)聲器聽到無線手持臺的廣播語音即可判定本次廣播成功,并記錄從無線手持臺按下PTT至聽到廣播語音所用的時間,即廣播建立時間,上述測試連續(xù)進(jìn)行100次,成功率為100%,每次廣播建立時間＜1 s;

②無線手持臺對不同車站區(qū)域的廣播測試。在無線手持臺上選擇不同的廣播區(qū)域通話組并按下PTT發(fā)起車站廣播,只要從有線車站廣播系統(tǒng)對應(yīng)廣播區(qū)域的揚(yáng)聲器聽到無線手持臺的廣播語音即可判定本次廣播成功,并記錄廣播建立時間,上述測試連續(xù)進(jìn)行100次,成功率為100%,每次廣播建立時間＜1 s;

③車站廣播電臺與有線車站廣播系統(tǒng)之間的通信鏈路維護(hù)測試。將車站廣播電臺與有線車站廣播系統(tǒng)通過線纜連接,當(dāng)雙方設(shè)備均進(jìn)入正常工作狀態(tài)后,使用監(jiān)控軟件連續(xù)24小時監(jiān)測雙方設(shè)備之間的通信鏈路,沒有出現(xiàn)通信中斷。

通過上述3項(xiàng)測試,驗(yàn)證了系統(tǒng)功能的可用性和成功率。

5 結(jié)束語

針對地鐵領(lǐng)域現(xiàn)存的基于無線的車站廣播系統(tǒng)的局限性,介紹了基于數(shù)字集群的地鐵車站廣播系統(tǒng)的主要功能,并針對這些功能從系統(tǒng)組成和關(guān)鍵設(shè)計2個方面介紹了系統(tǒng)總體設(shè)計,然后通過重點(diǎn)討論系統(tǒng)核心設(shè)備車站廣播電臺的軟硬件實(shí)現(xiàn)說明了系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn),最后使用實(shí)際的測試實(shí)驗(yàn)環(huán)境對系統(tǒng)進(jìn)行了測試,通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析,驗(yàn)證了系統(tǒng)功能的可用性和成功率。

工程實(shí)踐證明,基于數(shù)字集群的地鐵車站廣播系統(tǒng)投資少,廣播地點(diǎn)、廣播范圍靈活,操作簡便快捷,可廣泛應(yīng)用于地鐵正常運(yùn)營以及突發(fā)事件的處理;經(jīng)過少量修改該系統(tǒng)也可應(yīng)用到鐵路、機(jī)場、油田和公安等領(lǐng)域,應(yīng)用前景廣闊。

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