軌道交通隧道智能環(huán)境綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王恩鴻, 李立明, 黃建坊

(上海工程技術(shù)大學(xué) 城市軌道交通學(xué)院, 上海 201620)

摘要： 地鐵隧道是城市軌道交通地下運(yùn)行的主體環(huán)境,但隧道內(nèi)的溫度、濕度,、可燃?xì)怏w濃度(體積分?jǐn)?shù)，全文同)等綜合環(huán)境指標(biāo)往往易被人們忽視.針對(duì)地鐵隧道,設(shè)計(jì)城市軌道交通智能環(huán)境綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)隧道環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè).采用無(wú)線多節(jié)點(diǎn)采集環(huán)境信息,節(jié)點(diǎn)采用STM32單片機(jī)控制,節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)組網(wǎng)連接,可自由安裝.每個(gè)節(jié)點(diǎn)帶溫濕度傳感器,、有害氣體傳感器,、光學(xué)煙霧傳感器等.每個(gè)節(jié)點(diǎn)布置一臺(tái)數(shù)據(jù)接收器,收集所有節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)并且處理顯示.數(shù)據(jù)中心處理器由STM32芯片進(jìn)行控制,通過(guò)單獨(dú)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行集中運(yùn)算處理.

關(guān)鍵詞： 隧道安全; 多節(jié)點(diǎn)采集系統(tǒng); 智能監(jiān)控

城市軌道交通系統(tǒng)作為一種快速安全的交通方式越來(lái)越被廣大都市居民認(rèn)可,而地鐵在地下隧道內(nèi)的運(yùn)行線路占總長(zhǎng)的2/3,地鐵隧道成為列車運(yùn)行主要環(huán)境,地鐵隧道內(nèi)的環(huán)境因素影響列車在隧道內(nèi)的運(yùn)行安全.本文針對(duì)上海地鐵隧道綜合環(huán)境進(jìn)行研究,設(shè)計(jì)城市軌道交通隧道的智能環(huán)境綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng).

1　城市軌道交通環(huán)境現(xiàn)狀

1.1　隧道環(huán)境概況

隧道的固有環(huán)境因素在于其自身封閉的建筑結(jié)構(gòu).隧道內(nèi)陸質(zhì)水文復(fù)雜,通風(fēng)排水設(shè)備不完善,這種地鐵隧道內(nèi)環(huán)境對(duì)鋪設(shè)在其中的鋼軌及配件的影響是長(zhǎng)期的.現(xiàn)有研究表明,隧道內(nèi)的主要?dú)怏w有氮?dú)?8%、氧氣15%,、二氧化碳1.5%,、可燃?xì)怏w0.28%，隧道內(nèi)的有害氣體濃度(體積分?jǐn)?shù),，全文同)與列車經(jīng)過(guò)隧道的通過(guò)率成正相關(guān).針對(duì)上海地鐵隧道環(huán)境狀況進(jìn)行實(shí)地調(diào)研,結(jié)果顯示,上海地鐵隧道的內(nèi)環(huán)境中氮?dú)?9%,、二氧化碳0.8%、可燃性氣體0.12%,氣體分布溫濕度不均勻,，隧道內(nèi)環(huán)境差別較大.

1.2　隧道環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)設(shè)備

作為城市的主要交通方式,，城市軌道交通具有運(yùn)載量大、安全準(zhǔn)點(diǎn),、能源清潔,、節(jié)約能源和用地等特點(diǎn).但是地鐵隧道內(nèi)部的環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)卻沒(méi)有完整的解決方案,對(duì)列車在隧道內(nèi)的運(yùn)行環(huán)境研究較少,現(xiàn)在的一些設(shè)備不能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到隧道內(nèi)的環(huán)境,針對(duì)隧道環(huán)境監(jiān)測(cè)研究數(shù)據(jù)較為缺乏.為了實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道區(qū)段的運(yùn)行環(huán)境的掌握,應(yīng)設(shè)置隧道配備完善的環(huán)境參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)得到相應(yīng)的環(huán)境數(shù)據(jù)，如溫度,、濕度,、二氧化碳、氧氣,、可燃性氣體,、PM等.

本文設(shè)計(jì)的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用在地下隧道的復(fù)雜環(huán)境中,能夠自主進(jìn)入低功耗智能調(diào)節(jié)模式,自動(dòng)組網(wǎng)連接,對(duì)隧道內(nèi)的二氧化碳、可燃性氣體等進(jìn)行實(shí)時(shí)采集傳輸,面對(duì)突發(fā)的變化傳感器能實(shí)時(shí)作出反應(yīng),實(shí)現(xiàn)對(duì)地下隧道區(qū)段氣體環(huán)境的監(jiān)測(cè).

2　隧道智能環(huán)境監(jiān)測(cè)硬件設(shè)計(jì)

2.1　隧道環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

城市軌道交通隧道環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括外部環(huán)境采集模塊,、串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊,、數(shù)據(jù)發(fā)送端、數(shù)據(jù)接收端,、數(shù)據(jù)顯示界面與PC機(jī).

每個(gè)節(jié)點(diǎn)復(fù)位開(kāi)機(jī)后,自主進(jìn)行配對(duì)搜索環(huán)境中ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),進(jìn)行節(jié)點(diǎn)間的握手通信,自動(dòng)組建傳感器子網(wǎng)絡(luò),連接成功后聯(lián)網(wǎng)指示燈亮,傳送數(shù)據(jù)成功后接收指示燈亮.

當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)啟動(dòng)后,放置在各個(gè)節(jié)點(diǎn)的設(shè)備開(kāi)始采集外界環(huán)境參數(shù),在接收到發(fā)送數(shù)據(jù)命令后,，將數(shù)據(jù)傳送至區(qū)域控制模塊，接收處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析,之后判斷區(qū)間的環(huán)境質(zhì)量,對(duì)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行相關(guān)的評(píng)估,最后通過(guò)控制報(bào)警器等相關(guān)設(shè)備,將系統(tǒng)連接到各個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行相互通信.方便在車站的控制中心隨時(shí)隨地用便攜式聯(lián)網(wǎng)設(shè)備對(duì)隧道環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè),，連接站臺(tái)路由器查看當(dāng)前隧道內(nèi)空氣環(huán)境質(zhì)量狀況,，對(duì)可能出現(xiàn)的突發(fā)狀況進(jìn)行監(jiān)控預(yù)警,，使調(diào)度員對(duì)列車運(yùn)行作出相應(yīng)調(diào)整.

2.2　隧道環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

2.2.1　無(wú)線節(jié)點(diǎn)模塊2.4 GHz ZigBee配置

為了適用于采集隧道的環(huán)境，采用無(wú)線多個(gè)節(jié)點(diǎn)采集隧道環(huán)境信息.Cortex-M3由于高效性與穩(wěn)定性,可在各種工業(yè)控制領(lǐng)域應(yīng)用,，能應(yīng)對(duì)各種復(fù)雜的環(huán)境,對(duì)外部變化引起的干擾較小.本文節(jié)點(diǎn)采集主板采用以Cortex-M3為內(nèi)核,、以STM32為核心的芯片做主控制芯片.由于“增強(qiáng)型”系列時(shí)鐘頻率達(dá)72 MHz,是同類產(chǎn)品中性能最高的產(chǎn)品.本文采用STM32F103C8T6芯片.圖1為STM32驅(qū)動(dòng)電路為內(nèi)核,圖2為耦合電路圖.

圖1　STM32F103C8T6驅(qū)動(dòng)電路圖

Fig.1　Driving circuit diagram of STM32F103C8T6

它的外部驅(qū)動(dòng)由5個(gè)0.1 μF去電源耦濾波電容、2個(gè)22 pF的濾波電容和1個(gè)時(shí)鐘頻率為8 MHz的石英晶振組成,當(dāng)接通3.3V電源的時(shí)候晶振啟動(dòng)振蕩電路,STM32隨著外部的時(shí)鐘一起振蕩,振蕩的頻率與時(shí)鐘頻率相同.圖3為Altium Designer 繪制的STM32F103C8T6的核心板.

圖2　STM32F103C8T6去耦合電路圖
Fig.2　Decoupling circuit diagram STM32F103C8T6

在復(fù)雜惡劣的環(huán)境中能穩(wěn)定發(fā)揮各個(gè)模塊的優(yōu)勢(shì),可以根據(jù)隧道內(nèi)的環(huán)境來(lái)布置采集節(jié)點(diǎn)的位置,每段隧道內(nèi)的節(jié)點(diǎn)數(shù)一定,使采集的信息更標(biāo)準(zhǔn)化.通過(guò)STM32芯片內(nèi)部數(shù)字轉(zhuǎn)換(ADC)模塊功能用以采集由有害氣體傳感器,、光學(xué)煙霧傳感器,、溫濕度傳感器的壓電信號(hào)轉(zhuǎn)化的便于傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào).以DTH11所對(duì)應(yīng)接口方式的單總線數(shù)字協(xié)議配置芯片,讀取DHT11的溫濕度信號(hào).將采集到的數(shù)據(jù)用一個(gè)數(shù)組保存,然后通過(guò)ZigBee芯片,采用TI德州儀器的CC2530芯片,將數(shù)組發(fā)送到數(shù)據(jù)中心進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理.圖4為CC2530的外部驅(qū)動(dòng)電路圖,它需要1個(gè)外部晶振和2個(gè)去耦電容以16 MHz的頻率下工作產(chǎn)生2.4 GHz的通信信息,接收和發(fā)送傳輸數(shù)據(jù).

圖3　STM32C8T6核心板
Fig.3　Core board of STM32C8T6

圖4　CC2530原理圖
Fig.4　Schematic diagram of CC2530

CC2530結(jié)合了射頻電流(RF)收發(fā)器的優(yōu)良性能，單片機(jī)采集到環(huán)境傳感器數(shù)據(jù)后,通過(guò)串口協(xié)議與CC2530芯片進(jìn)行聯(lián)機(jī)通信.ZigBee模塊開(kāi)機(jī)后搜索附近模塊自動(dòng)組網(wǎng)連接,每個(gè)節(jié)點(diǎn)的ZigBee模塊設(shè)置為路由功能,既可以發(fā)送本節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù),，也可以作為橋接節(jié)點(diǎn)使用,節(jié)點(diǎn)布局靈活,不受軌道交通地下復(fù)雜站臺(tái)地形影響.每個(gè)站臺(tái)布置一個(gè)數(shù)據(jù)處理中心,該中心節(jié)點(diǎn)ZigBee模塊設(shè)置為協(xié)調(diào)器,所有節(jié)點(diǎn)采集到數(shù)據(jù)后發(fā)送到協(xié)調(diào)器地址.ZigBee芯片軟件系統(tǒng)基于TI ZStack-CC2530-2.5.1a版本協(xié)議,該協(xié)議棧采用事件輪詢機(jī)制,并且?guī)в械凸哪Ｊ?非常適用于本監(jiān)測(cè)系統(tǒng).

在節(jié)點(diǎn)附近產(chǎn)生空氣流動(dòng),采集到準(zhǔn)確的空氣環(huán)境信息.每個(gè)節(jié)點(diǎn)由有害氣體感器,、煙霧傳感器以及PM傳感器輸出模擬信號(hào),采用芯片內(nèi)部的ADC12位的精度轉(zhuǎn)化方式.溫濕度傳感器為數(shù)字信號(hào)器件,對(duì)傳感器供電后直接通過(guò)協(xié)議,采用單片機(jī)引腳連接采集,溫濕度傳感器為單總線數(shù)字傳輸方式.

2.2.2　MQ-2有害氣體傳感器配置

本項(xiàng)目采用MQ-2氣體煙霧傳感器進(jìn)行有害氣體的檢測(cè).MQ-2氣體煙霧傳感器對(duì)液化氣、丙烷,、氫氣的靈敏度高,對(duì)天然氣和其他可燃蒸汽的檢測(cè)也很理想.當(dāng)煙霧傳感器所處環(huán)境中存在可燃?xì)怏w時(shí),煙霧傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中可燃?xì)怏w濃度(體積濃渡,，下同)增加而增大.使用簡(jiǎn)單的電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào).圖5為MQ-2的驅(qū)動(dòng)電路圖.

圖5　MQ-2驅(qū)動(dòng)電路
Fig.5　Driving circuit diagram of MQ-2

將MQ-2的4、5,、6等3個(gè)引腳接入電源,2腳接地,1腳和3腳接電阻,MQ-2的電導(dǎo)率隨著氣體濃度的增大而增大,由于電阻是電導(dǎo)率的倒數(shù),，電阻隨氣體濃度增大而減小,所以根據(jù)相對(duì)電阻的變化，通過(guò)STM32 AD模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換,，實(shí)現(xiàn)對(duì)可燃?xì)怏w的量的監(jiān)控.

2.2.3　GP2Y1010粉塵傳感器配置

粉塵顆粒監(jiān)測(cè)是現(xiàn)行環(huán)境系統(tǒng)分析評(píng)估中的重要參數(shù),光學(xué)粉塵煙霧夏普傳感器(GP2Y1010AU0F)是基于光電學(xué)原理對(duì)空氣質(zhì)量進(jìn)行測(cè)量的傳感器,用來(lái)感應(yīng)空氣中極小的粉塵顆粒,其內(nèi)部對(duì)角安裝著紅外線發(fā)光二極管和光電晶體管，使其能夠探測(cè)到粉塵顆粒反射光.不同的光強(qiáng)二極管產(chǎn)生不同的電壓信號(hào).

圖6為GP2Y1010AU0F驅(qū)動(dòng)電路原理圖.

圖6　GP2Y1010AU0F原理圖

Fig.6　Schematic diagram of GP2Y1010AU0F

通過(guò)電容的濾波和電阻的分壓作用,進(jìn)行壓電信號(hào)采集,然后通過(guò)程序中的轉(zhuǎn)化公式得出其變化數(shù)據(jù).轉(zhuǎn)化公式為

KK=(float)ADC_ConvertedValue/4096*3.3

通過(guò)內(nèi)部成一定角度對(duì)通過(guò)小孔煙霧進(jìn)行反光和采集,對(duì)比當(dāng)遇到不同濃度煙霧時(shí)產(chǎn)生波形的差異,，計(jì)算煙霧濃度.圖7為PM2.5采集圖.

圖7　PM2.5采集圖
Fig.7　Collected figure of PM2.5

極其細(xì)小的顆粒反射光也能夠透過(guò)變化的光電管采用ADC進(jìn)行采集.這款傳感器具有低功耗的特點(diǎn)同時(shí)能夠在高達(dá)7 V的直流電壓下啟動(dòng).傳感器的模擬輸出電壓與灰塵顆粒密度成正比,精度為在0.5 V的變化范圍為可檢測(cè)到0.1 mg/m3的變化量.該傳感器體積很小,、質(zhì)量輕,便于安裝,可應(yīng)用于各種小型煙霧監(jiān)測(cè)的設(shè)備中.

2.2.4　DTH11復(fù)合式溫濕度傳感器配置

復(fù)合數(shù)字式溫濕度傳感器DHT11含有已校準(zhǔn)數(shù)字符串信號(hào),通過(guò)4個(gè)端口進(jìn)行信息采集,電源引腳、地引腳,、數(shù)字輸出總線,、輸出溫濕度數(shù)字式數(shù)據(jù),該傳感器具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng),、抗干擾能力強(qiáng),、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn),在各種苛刻、復(fù)雜的應(yīng)用場(chǎng)合中成為最佳的選擇.圖8為DTH11的電路驅(qū)動(dòng)原理圖,電源供電通過(guò)STM32的PC12引腳進(jìn)行數(shù)據(jù)采集.

一次通信時(shí)間為4 ms左右,數(shù)據(jù)分小數(shù)部分和整數(shù)部分,當(dāng)前小數(shù)部分用于以后擴(kuò)展,現(xiàn)讀出為零.圖9為DTH11控制信號(hào).

圖8　DTH11電路驅(qū)動(dòng)原理圖
Fig.8　Driving circuit diagram of DTH11

圖9　DTH11控制信號(hào)
Fig.9　Control signal of DTH11

采集節(jié)點(diǎn)的STM32芯片的引腳釋放一次開(kāi)始信號(hào)后,配置使DHT11從低功耗模式轉(zhuǎn)換到高速模式,等待主機(jī)開(kāi)始信號(hào)結(jié)束后,DHT11發(fā)送響應(yīng)信號(hào),送出40 bit的數(shù)據(jù),并觸發(fā)一次信號(hào)采集,用戶可選擇讀取部分?jǐn)?shù)據(jù).DHT11接收到開(kāi)始信號(hào)觸發(fā)一次溫濕度采集,如果沒(méi)有接收到主機(jī)發(fā)送開(kāi)始信號(hào),DHT11不會(huì)主動(dòng)進(jìn)行溫濕度采集.采集數(shù)據(jù)后轉(zhuǎn)換到低速模式.

當(dāng)開(kāi)始讀數(shù)據(jù)的時(shí)候程序?qū)Σ杉瘮?shù)值進(jìn)行比對(duì),看所得到的數(shù)據(jù)是否符合要求,，若不符合要求則重新采集,并通過(guò)ZigBee進(jìn)行發(fā)送,不斷刷新所采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到顯示端,，使采集信號(hào)具備有效性和標(biāo)準(zhǔn)性.

圖10為用Altium畫的節(jié)點(diǎn)PCB工程圖.

圖10　節(jié)點(diǎn)PCB
Fig.10　Node PCB

圖中擺放了4個(gè)MQ系列傳感器,分別設(shè)置在圓形PCB的周圍,中間為一個(gè)半徑為50 mm的過(guò)孔,為了安放直徑65 mm的風(fēng)扇,左邊過(guò)孔條狀的是用來(lái)卡住GP2Y1010把核心放在中間正下方使得整個(gè)節(jié)點(diǎn)在被測(cè)環(huán)境中能夠采集到更加精確的環(huán)境數(shù)據(jù).

3　隧道環(huán)境監(jiān)測(cè)綜合系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)包括采集節(jié)點(diǎn)和顯示部分程序設(shè)計(jì),在KEIL中采用C語(yǔ)言對(duì)它進(jìn)行編寫流程，如圖11所示.

將傳感器采集得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行一個(gè)串行方式傳送到發(fā)送節(jié)點(diǎn)ZigBee發(fā)送端,通過(guò)采用TI德州儀器提供的協(xié)議棧ZigBee節(jié)點(diǎn)進(jìn)行配置,節(jié)點(diǎn)ZigBee模塊配置為路由器模式,既能發(fā)送當(dāng)前數(shù)據(jù)也能作為路由.運(yùn)用編碼的方式將信息進(jìn)行打包處理,每個(gè)數(shù)據(jù)包中含有將要發(fā)出節(jié)點(diǎn)號(hào),、傳感器編號(hào),、壓電信息量，在2.4 GHz的頻段內(nèi)進(jìn)行發(fā)送與接收,每次發(fā)送固定字節(jié)數(shù),發(fā)送端將會(huì)接收到一個(gè)相對(duì)應(yīng)的應(yīng)答信號(hào),這是一種單一的方式,，一個(gè)路由器對(duì)應(yīng)一個(gè)協(xié)調(diào)器,通過(guò)對(duì)其進(jìn)行選擇控制,，實(shí)現(xiàn)一個(gè)路由器對(duì)多個(gè)協(xié)調(diào)器的轉(zhuǎn)換，達(dá)到通信要求.

圖11　軟件流程圖
Fig.11　Software flow chart

圖12　節(jié)點(diǎn)程序流程圖
Fig.12　Node program flow chart

4　結(jié)　語(yǔ)

通過(guò)各種采集傳感器采集到的壓電,、數(shù)字轉(zhuǎn)化處理,對(duì)環(huán)境進(jìn)行智能監(jiān)控,并將ZigBee組成無(wú)線通信網(wǎng)數(shù)據(jù)集中到STM32芯片上,，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行集中處理,通過(guò)這樣的物聯(lián)方式,可以把機(jī)器與各個(gè)事物聯(lián)系在一起組成一張控制網(wǎng),互聯(lián)傳感技術(shù)將控制器,、運(yùn)算器、處理器集中為一個(gè)控制系統(tǒng),改善人們的生活和生產(chǎn)環(huán)境.未來(lái)傳感器聯(lián)入互聯(lián)網(wǎng)連接是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的必然趨勢(shì),該項(xiàng)目希望通過(guò)把傳感器技術(shù),、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù),、環(huán)境監(jiān)控、清潔能源的利用四者相互結(jié)合,將環(huán)境監(jiān)控問(wèn)題網(wǎng)絡(luò)化,、智能化,、現(xiàn)代化,在人們生存環(huán)境的安全方面做出貢獻(xiàn).

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(編輯: 單明霞)

文章編號(hào)： 1009-444X(2016)02-0143-06

收稿日期： 2015-11-23

基金項(xiàng)目： 國(guó)家重點(diǎn)科研平臺(tái)資助項(xiàng)目(cz1410004)

作者簡(jiǎn)介： 王恩鴻(1995-),男,在讀本科生,研究方向?yàn)榻煌ㄐ盘?hào)與控制.E-mail:[email protected]通信作者： 李立明(1982-),男,實(shí)驗(yàn)師,碩士,研究方向?yàn)榈缆方煌z測(cè)技術(shù)、信號(hào)處理研究.E-mail:[email protected]

中圖分類號(hào)： X 821

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Comprehensive Monitoring System Design of Rail Transit Tunnel Intelligent Environment

WANG Enhong, LI Liming, HUANG Jianfang

(College of Urban Railway Transportation, Shanghai University of Engineering Science, Shanghai 201620, China)

Abstract： Subway tunnel has become the main environment of the urban rail transit operation underground,but temperature,humidity,concentration of combustible gas and other comprehensive environmental indexes in the tunnel tend to be ignored.On account of subway tunnel,the comprehensive system of intelligent environment monitoring of urban rail transit was designed to monitor the tunnel environment.The wireless nodes were adopted to collect environmental information,controlled by STM32 SCM,，connected by network and can be free installation.Each node is equipped with wind turbines,temperature and humidity sensor,harmful gas sensor,optical smoke sensor,etc.Each node arranges a data receiver to collect all node data and process and display.Data center processor was controlled by the STM32 chip,and centralized operation processing was conducted on the data collected separately.

Key words： tunnel safety; multi-node acquisition system; intelligent monitoring