TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol. 16, No. 1, Octobe r 201 5, pp. 52 ~ 5 7   DOI: 10.115 9 1 /telkomni ka. v 16i1.850 7        52     Re cei v ed  Jun e  2, 2015; Re vised July 2 5 , 2015; Accept ed Augu st 22 , 2015   Design of the Monitoring System for Subway Platform  Screen Doors Based on CAN Bus      Caiqi Hu    Dep a rtment of Mecha n ica l  an d Electrica l  En gin eeri ng, Qing dao Agr i cult ura l  Univers i t y , C h ina, 26 61 09       A b st r a ct  In this  paper, the  application laye r c o mmunic a tion protoc ol  of CA bus  and the  m o nitoring syste m   for subway  platform  scr een doors ar e pr opos ed. The system  framework is   built, har dwar e of  every  func tion  m o dule for  this  system is  selected,  and the  m o nitoring  plat form  of  epigynous mach ine is  des igned. On  the  basis of th e ab ove w o rk the c o mmunic a tio n  functio n  of  the  mo nitori ng syst em  is rea l i z e d and s pecific fl o w   chart is given. This system has be en tested at a subway li ne in Shanghai.  And the results prove that t h system is  in ful l  compli anc e w i th ind u stry stan dards  and c an  compl e tely  me et the ap plic ati on re quir e ment s.  The architectur e  plan of the system  is prac tic a lly pr oven to be valid and feasible.      Ke y w ords :  su bw ay platfor m  screen d oors, CAN bus, eq ui pments mon i to ring     Copy right  ©  2015 In stitu t e o f  Ad van ced  En g i n eerin g and  Scien ce. All  rig h t s reser ve d .       1. Introduc tion  Subway platf o rm scree n door i s  the e quipme n t that located at the su bway platform   edge,  and  se parate d  the  train o peration  area  fro m   the  station  pu bli c  a r e a  to  prot ect p a sse nge rs’   safety. The monitori ng sy stem of su bway platform  scre en do ors refers to that  according to  the  requi rem ents of security l e vels th e various ope ra tin g  information  of platform  scree n  d o o r s is  real -timely tra n smitted to the system mo nitoring  cente r  throu gh so me form of network bu s, a nd  the field e qui pments are  monitored a n d  co ntroll ed i n  re al time b y  the monito ri ng cente r . Th is is  one of the important me asure s  for a s suri ng the su bway runnin g  sa fely [1-3].    At prese n t the distrib u ted  control mod e  is mo stly ad opted to the architectu re o f  subway  scree n  d oors monito ring  system. With  the devel o p m ent of te ch nology a nd t he in crea sin g  of  appli c ation re quire ment s some disadva n tage s of  the distribute d  control  sy stem  (DCS ) eme r ge.  For exam ple ,  becau se  of no ope nne ss of  DCS   openi ng, so  DCS p r od uct s  of differen c e   manufa c turers a r e  not inte rch ang eabl e, and  not i n te rcon ne ction,  whi c h limit  users’  sele ction  of   the prod uct.  At the same  time the decentraliz ed control mo de  of DCS is n o t complete,  the   reliability d e g r ee  of  DCS  is not  high,  an d the   cost i s   expen sive. B e ca use of  the  above  p r obl e m s   DCS  can n o t well meet custome r s’ de mand s. Wi th  the develop ment of CAN (Co n trolle Area   Network)  bu s technol ogy , which ha s many adva n tage s, su ch  as m u lti-ma ster m ode, l ong   transmissio distan ce, fa st  tran smi ssio n  sp eed,  stro n g  anti-i n terfe r ence ability, l o co st, good   reliability, convenient  connection  and  so on, the design of t he monitori ng system  for subway  platform scre en doo rs  can  have more op tionsv [4-7].   In this  pap er ba sed  on  CAN bu s te ch nology  th e m onitorin g   syst em is de sig n ed a nd  develop ed. A d vanced te ch nologi es in m u lti fields  in cl uding  controll ing, commu ni cation,  netwo rk  and  circuit de sign  are  ado p t ed in this  mo nitoring  syste m . So the system not only  has  monito rin g alarmi ng, co ntrolling,  co mmuni cation  and oth e function s, bu t also maxi mally meets the  requi rem ents of high q u a lity, high pre c isi on a nd h i gh reli ability. Mean while  the monito rin g   system i s  de signed  with go od scala b ility and excellent  cost -effectiv e.       2. Architectu r e Desig n  of  the Monitori ng Sy stem f o r Platform  Screen Door s   2.1. Design  of Sy stem Hard w a r e    The mo nitori ng sy stem o f  field equip m ents u s u a ll y con s ist s  of  three p a rt s: remote  monitori ng a nd man agin g  platform  of epigynou s ma chin e, intelligent  node m odul e of  hypogyno us  machi ne, a n d  ha rd ware  equipm ent s and comm un ication proto c ol  fo net work   comm uni cati on between e p igynou s ma chin e and hy pogyno us ma chin e.  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     De sign of the  Monitorin g  System  for Su bwa y  Platform  Screen Do ors Ba se d on … (Cai qi Hu 53 In this sy ste m  epigyno us  machi n e s  a r e  mainly  co mp ose d  of ind u stry control co mputers,  whi c h have  strong anti - int e rferen ce abi lity, and c an store i n forma t ion safely a nd relia bly. The  mode  of PCI  bu s a nd  CAN commu ni cation  card  i s  a pplie d in  the commu ni cation  bet we en   epigyno us m a chi n e s  and  CAN bu s. Be cau s e the di stance s  from t he platform  scre en do ors to   the cont rol ro om are m o re  than 500 ~1 0 00m, and e a c h si ngle  sid e  station ge n e rally ha s do zen s   of scree n  do ors, the  qua ntity of communica tion d a ta between  the scre en d oors an d co ntrol   comp uters i s  very large.  ZLG d ual P C I-5121  CA card  with hig h -spee d du al  port m e mo ry is   use d   in  the system.  This CAN ca rd ca impr ove th e data th rou ghput rate, a nd provide u s ers  with libra ry function s, which  can  co nvenient ly control an d o perate the  card, and b r i n g   conve n ien c for the de sign  of software a nd pro g ram in epigyno us  machi ne.   The de sig n  o f  controlli ng  hypogyno us  mach i ne in cl ude s the  con nectio n  bet ween  CAN  control chip   a nd  the   mi cro p ro ce ssor  of MCU  o r   the  con n e c tion b e twee n CAN control chip   a nd  PC. The typ i cal intelli gen t node  stru cture i s  "MCU&CA N  cont rolle r&CA driver". In t he  con n e c tion b e twee n CA control chip a nd PC the r e i s  ge nerally a  photoel ectri c   isolatio n ci rcu i t.  And PHILIPS P8XC59 1 is  use d  in the  CAN co ntroll er,  whi c h i s  a mi cro p rocesso r   MCU  with  CA N   controlle r. PHILIPS PCA82 C 25 0 i s  u s e d  in the  CA driver,  whi c h   can  meet  the  re quirement  of  long di stan ce  and l o sp e ed data  tran smissi on  (t he l onge st di stan ce i s  1 0 km,  and the  lo we st  spe ed is 5 k b p s). Th e syst em stru ctu r diagram is  sh own in Fig u re  1.          Figure 1. The  monitorin g  system stru ctu r e diag ram of  sub w ay platform screen d oors      2.2. Design  of Sy stem Architec tur e   Acco rdi ng to  the differen c e of the  system  fun c tio n  modul es, the monito rin g  system   mainly con s ists of pl atform  screen  doo rs  cont ro lling   comp uter (P SC)  and  si gn al sy stem  (SIG),  equipm ent m onitorin g  a n d  co ntrollin system, autom atic fire  ala r m syste m  (F AS) and  interface  units of com m unication cl ock, and platf o rm en d so cket control b o x (PSL), panel  system of alarm   (PSA),  panel  of emergency cont rol (PEC),  door cont rolling  unit s  (DCU) and the sound and l i ght  alarm  device s  at th e top  of doo rs, l o cal cont rol  bo x and  so  on.  In this  pap e r  the  epigyn o u machi ne  refe rs to  platform scre en  do ors controlli n g  co mpute r   (PSC), a nd t he hypo gyno us  machi n e s  a r e  doo co ntrol  units (DCU). The  sy stem  con n e c tion i s  mainly  ba se d on  CA bu con n e c tion a nd hard line conne ction.   The epigyn o u s  machine s  send comman d s or d a ta, which a r e tran sferre d to the netwo rk  throug h the  CAN  comm u n icatio n card,  and  set pa rameters a nd  monitor  DCU, and re al-tim ely  obtain  and  p r ocess the  d a ta colle cted  from  DCU.  The  hypogyn ous ma chi n e s  di scrimi nat e   themselve s  i dentity numb e rs  acco rdin g  to the ID  in the co mman d s  or d a ta se n t  to the network,  and receive the co mman d s  or d a ta co rresp ondi ng to  it. The node s se ndin g  dat a or comma n d s   become bu host statio n. Whe n  multipl e  DCUs at  the same time  sen d  com m a nds o r  data to th e   host compute r , CAN net wo rk u s e s  arbitration ba sed o n  comp etition ,  and only pe rmits the no d e   with the  high est p r iority frame turn into  the  bu s h o st  station. So  decentrali ze d  monitori ng  a nd  centralized  manag eme n t are inte grat ed into di stri buted mo nito ring a nd  con t rol syste m . The  overall a r chitecture diag ra m of t he system is shown in Figure 2.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 16, No. 1, Octobe r 2015 :  52 – 5 7   54   Figure 2. The  overall archit ec ture diag ra m of the system      3. Design of  CAN Bu s Co mmunicatio n Protocol    3.1. CAN Bu s Communic a tion Proto c ol  So far CAN b u s is the only field bus which has  inte rnat ional stan da rds, and it is a kind of  seri al com m u n icatio n e twork  that ca n sup port   di stri buted  co ntrol  and  r eal-tim e control. Th desi gn of CA N network o n ly use s  thre e layers  stru cture m odel  whi c h confo r med to the o pen  system inte rconne ction mo del (0SI), the  3 layers  are respe c tively physi cal layer, data link layer  and a ppli c ati on laye r. T he workin way of  CA N net wo rk is multi m a sters  mode.  The  transmissio medium  of CAN bu s is t w i s ted p a ir   cabl e, and the fa stest  comm u n icatio n spee d is  up to 1MB/s, the long est dire ct transmi ssi on distan ce  is 10km.  the most  impo rtant  cha r a c teri stics of CAN pro t ocol  is repla c ing the tra d i t ional add re ss co ding with  commu nication  data blo c k co ding. Acco rdi ng to the mo de of co mmu nicatio n  data  block  codi ng,  different no d e can  sim u ltan eou sly re ceiv e the  sam e   data, an d thi s  featu r e i s   very useful i n  the di stri bu ted   control  syste m . The  nod e s  info rmatio on  CAN  bu s i s  divid ed i n to  different  pri o rities,  whi c can   meet the different real -time req u ire m en ts. So  for CAN bu s the  data tran smi ssi on di stan ce is  long, a nd th comm uni cati on  spe ed i s  f a st, an d e a ch  frame  inform ation i s   che cked by  CRC a n d   other me asures of erro r test. Com pared with  oth e r commu nication bu se s the  CAN bu s h a s   some  adv a n t age su ch a s  simpl e   st ru ct ure,   st abl e  p e rform a n c e,  stron g  a n ti-int erferen c abil i ty,  good exp a n s i b ility and ope nne ss, an d lo w co st etc.      3.2. Design  of Communi cation Pro t o c ol for the  Application L a y e   There a r e  4  kinds of frame  format  in  CA p r oto c ol  co mmuni cation:  data  fram e, remote  frame, e r ror f r ame  an d ov erloa d  frame.  Among  t hem  the tra n smission  of d a ta frame a nd  rem o te  frame m u st  b e  und er the  contro of the  CPU, a nd th e  tran smi ssio n  of erro r fra m e and  ove r lo a d   frame carrie s out  automati c ally  whe n   errors or ov erlo a d s o c cur.  Wh en a u s e r  wa nt to establi s h a   pra c tical  CA N bu s comm unication net work, he m u st dra w  u p  the spe c ific a pplication lay e proto c ol. Be cause in  CA N proto c ol  the  assig n ment   of inform atio n ide n tifiers i s  n o t spe c ified,  use r ca n u s e different m e thod s a c cording to differe nt appli c ation .  It is importa nt to assign  CAN  identifiers in  a comm uni ca tion system b a se d on  CA N network. In this system  there a r e ma ny  different  com m unication betwe en d oor cont rol u n its  and e p igyno u s  ma chin es,  mean while  e a ch  DCU h a s ma ny different types  of inform ation to tr a n sf er in th syst em. Accordin g to the diffe rent  types of information tra n sf erred the  co rrespon di ng l e vels of the  messag e types a r e a s sig ned   respe c tively, and th e i n formation fo re cog n ition  also is  contai ne d. If re ading  on ce  data  p e 100m s from  every  DCU, t he tran sm issi on  spe ed  of t he  system  bu s d a ta  at the   pea k time  is  not  more  than  1 0 K bytes  pe r se co nd. According  to th e tran smi s si on  conte n ts  and flo w   of  the   s y s t e m C A N 2 . 0 B  pr o t oc ol is  us ed  in the  s y stem d e sign. The  sta n dard  fram e a nd  sho r t fram format a r e  u s ed, an d the   effective qu a n tity of by tes pe r fra m e i s  8, in  whi c h  the tran smissi on   time is  sho r t. Whe n  a  no de ha se rio u s e r rors, th e autom atic  clo s ing fu ncti on of the  sy stem  woul d cut of f the co nne ction bet ween  this n ode  a nd the  bu s. So othe r n ode s an d th eir  comm uni cati ons  with the  bus a r e not  affected,  which a s sures the system  with strong  anti- interferen ce  ability and  e r ror dete c ting   ability.  The  standard fram e form at of  CAN is sho w n in  Table 1.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     De sign of the  Monitorin g  System  for Su bwa y  Platform  Screen Do ors Ba se d on … (Cai qi Hu 55 Table 1. The  stand ard fra m e format of CAN  frame  star Arbitration field  cont rol field  data field  CRC   field  ACK  field  frame  end   Identifier  RTR   IDE  R0 DLC   DataField                                      11bits                               4bits                   0~8byte       Becau s e  the  CAN  protocol itself h a error  dete c tio n  and  calibra tion functio n s, in the  pro c e ss  of the proto c ol  m ade in thi s  p a per, the e r ror detectio n  me cha n ism i s  n o t con s id ere d .  A  byte sp ace in  the  DataFi el d po rtion  of  each tran smi ssi on f r ame  i s   re serve d  fo r e r ror dete c t i on   purp o se if in the future  bus co mm unication fau l t rate is too high to meet the syst e m   requi rem ents.  In oth e word s, a c cord ing to  th CAN protocol, the  Data Field  of eve r transmissio frame  can transfe r no m o re than  8 byte s d a ta. In this p r oto c ol t he DataField  of  every tra n smi ssi on frame  u s e s  n o  mo re  than 7  bytes  data an re served  at lea s t  1 bytes spa c e   for extending  of erro rs dete c tion.   In the application layer p r otocol drawn up in  this  pape r, som e  rule s for Id entifier of  arbitration fiel d and dat a field of the stan dard fr ame fo rmat are mad e  and the p r i n cipl e ba sed  on  node s i s  a ppl ied to th e a s signm ent of i dentifiers.  Th e form at de scriptio n i s   sh own  in T able  2.  The l o w 6  bytes of  Identifi e are  u s ed   as i dentit y id entification,  a m ong  them   OX00 i s  i den tified   as the epi gynou s machin e; others are  used a s   the  identifiers of  DCUs, So  one si ngle  si de  station of th e  system  ca ident ify 63  screen  do ors.  The hi gh 5   b y tes of Identi f ier are u s e d  as   informatio n type numb e rs, so on e scree n  door  ca re spo nd to 32  different type s of informati on.  DataFiel d is set different byte length alon g with differe nt information  type.      Table 2. Fo rmulation s  of Identifier an d DataFi el d in the stan dard frame of CA proto c ol    Identifier 0-10 bi t  DataField   0-7 b y te                        number of info rm ation t y pe: 5 b its  identity  ide n tifier:  6 bits  Information o r  da ta      4. Design of  Sy stem Softw a r e   4.1. Soft w a r e  Design  for  H y pog y nous Machine   CAN controll er  real -timely  monito rs the  dat a  fram of CA N b u by re ceiving  i n terrupt  sign al, and  send s the d a ta  to node  cont rolle r, in wh ich the d a ta is  mainly correl ative informat ion  that the  epi gynou s m a chine  se nd s t o  hypo gy nou m a chine. The sp ecifi c   co mmuni cat i on  pro c ed ure is  sho w n in Fig u re 3.           Figure 3. The  spe c ific com m unication p r oc e dure of so ftware for hyp ogynou s ma chine   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 16, No. 1, Octobe r 2015 :  52 – 5 7   56 4.2. Soft w a r e  Design  for  Epig y nous Machine    In this  re sea r ch  Win dows i s  u s e d  a s  th e sy stem o p e ration  platfo rm of m onitoring an manag e soft ware in the epigynou s ma chin e, and Delphi is u s ed  as prog ram  langu age for  the   system  software d e velop m ent. The  system i s   deve l oped  with fu nction m odul es in clu d ing  the   module of sy stem initializa t ion,  the module of massa ge colle cti ng  and processi ng, the modul e o f   remote  controlling, the module of disp laying and p r inting trend  chart mod u le,  the module  o f   inquiri ng hi story re co rd, the displ a ying  and p r in ting  module  of diagra m , trend  curve, a nd re port   and so on.   The e p igyno u s m a chine  monitors  CA N bu syste m , whi c h in   nature  bel on gs to  multi  maste r  field  bus. But in th is process th e epigyn ous  machi ne n o d e  is lo oked a s  ma ster  co n t rol  node,  whi c h  is the  combin ation of m a st er  slave  mod e   an multi m a sters mod e . The  hyp ogyn ous  machi ne sen d s informatio n only at the time when  maste r  co ntrol node sen d s re que st. The   prog ram flo w  is sh own in Figure 4.             Figure 4. The  softwa r e flow for epigynou s ma chine        Duri ng th desi gn of th e software,  dynam ic inte rlinki ng li bra r y and m u lti-thread  techn o logie s   are  appli ed t o  read  and   pro c e s the   data info rmat ion of  hypog ynous ma chi nes  respe c tively. The th rea d  o f  readi ng  dat a an d the  th read  of p r o c essing  data   sha r e th e d a ta   informatio n. After being  set up an d a c tivated  the re ading  data th read  co ntinu a lly che c ks  a nd  judge s if the r e is  data  co ming from  CAN card o r   n o t, if there i s   the re adin g  d a ta thre ad  would  receive the  data an d pu t it in the re ceiving  que u e . After bein g  set u p  a n d  activated t he  pro c e ssi ng d a ta threa d  ch ecks a nd jud ges if ther e is data packet  waiting fo proce s sing, if there   is the  processing  data th read  woul re ad a nd  p r o c ess the  data  pa cket. If there i s   not d a t a   packet in the  receivin g qu eue, the pro c e ssi ng th re a d  is obst r u c ted until there  is data packet  comin g  in the  receivin g qu eue. The ma ster monitori ng  interface of the system i s  sho w n in Fig u re   5 as the follo wing.         Figure 5. The  master m onit o ri ng inte rfa c e of the syste m   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     De sign of the  Monitorin g  System  for Su bwa y  Platform  Screen Do ors Ba se d on … (Cai qi Hu 57 4.3. Test Ver i fication   The monito ri ng syste m  o f  subway platfo rm scree n  doo rs  wa s tested and  ran at  Shangh ai su bway for 3  months  and  the run fault   rate wa s 0.  The re sult  prove s  that the  monitori ng  system  con s ist ed of softwa r e and  har dware can entirely  meet  the requi rem ents  of  indu stry sta n dard s , a nd pl ay an imp o rt ant rol e  in  p r otecting  pa ssenge rs’  safety. In practi ce  the  architectu re o f  the monitori ng syste m  is  proven to be f easi b le.       5. Conclusio n   At pre s ent   CAN bu s te chn o logy  be come s on e  of the  mo st po pula r  f i eld b u techn o logie s  becau se  it   h a s so me adv antage s su ch  as fa st com m unication  speed,  goo cost- effective and  high degree  of flexibility  in netwo rk e s tabli s hme n t and so o n . In this pape r the   monitori ng sy stem of sub w ay platform  scr een d oors is re se arch ed and devel oped ba se d on   CAN bu s technolo g y, and  integrated  wi th the f unctio n  module s  in cludi ng monit o ring, ala r mi ng,  controlling,  di splayin g , co mmuni cation   and  so  o n . In  p r a c tice  it i s  p r ove n  that  the  system   has  good  stability, strong anti-i n terferen ce a b ility  and goo d openn ess, as well as th e softwa r e a nd  hard w a r of the sy stem d e sig ned  ha good ve rsat ility. The functi on expa nsi o n  of the sy ste m   can b e  co nve n iently reali z e d  along  with different appli c ation.        Referen ces   [1]  Silei  Hou,  Xi a ngd on g Gong.  Desig n  of gre enh ous e monit o rin g  s y stem  gate w a y  bas e d  on Z i gB ee .   Microcontr o ll er  and E m be dd e d  System Ap pli c ation . 20 11; ( 5 ): 74-76.   [2]  Huiku an Ya ng.  F i eld bus tech nol og y a nd its app lic ati on. Bei jing: T s inghu Univers i t y   pres s. 1999.   [3] Yuntao   R a o Jijun  Zou Y o ng yu n Z h eng Princip l e  an d a ppl icati on t e chn o lo g y   of  CAN fie l d  bus.   Beiji ng: Bei jin g  Universit y  of A e ro n autics a n d  Astronautics P r ess. 2003   [4] Dan  Wan R e searc h  an d app licati on of  CAN bus di stributed s y st em communic a tion. W uha n:   Huaz hon g Un i v ersit y  of Sci e n c e and T e chno log y . 20 09.    [5] Yinh an  Li CA N bus an d CA N bus protoc ol.   F i eld bus a nd  netw o rk techno logy . 20 05; 11:  20-23.   [6]  Yong bin  He, J i an bin Z h ou,  Dah ua Z h a ng.  Desi gn a nd  ana l y sis for th e interfac e co ntrol of si gn a l   s y stem a nd scr een d oor s y ste m Study of cit y  rail traffic . 2010; 2: 46-4 9 [7]  Xi an gtian  Z h a ng, Yi xi an g W ang.  Remote   Oil  valv e co ntrol s y stem  bas ed  on GPRS   and  Z i gBe e .   Microcontr o ll er  and e m b e d d e d  system a ppl i c ation . 20 12; 1 2 (1): 56-5 8   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.