軌道交通隧道智能環(huán)境綜合監(jiān)測系統(tǒng)設計

王恩鴻, 李立明, 黃建坊

(上海工程技術大學 城市軌道交通學院, 上海 201620)

摘要： 地鐵隧道是城市軌道交通地下運行的主體環(huán)境,但隧道內(nèi)的溫度、濕度、可燃氣體濃度(體積分數(shù)，全文同)等綜合環(huán)境指標往往易被人們忽視.針對地鐵隧道,設計城市軌道交通智能環(huán)境綜合監(jiān)測系統(tǒng)對隧道環(huán)境進行監(jiān)測.采用無線多節(jié)點采集環(huán)境信息,節(jié)點采用STM32單片機控制,節(jié)點之間通過組網(wǎng)連接,可自由安裝.每個節(jié)點帶溫濕度傳感器、有害氣體傳感器、光學煙霧傳感器等.每個節(jié)點布置一臺數(shù)據(jù)接收器,收集所有節(jié)點數(shù)據(jù)并且處理顯示.數(shù)據(jù)中心處理器由STM32芯片進行控制,通過單獨采集到的數(shù)據(jù)進行集中運算處理.

關鍵詞： 隧道安全; 多節(jié)點采集系統(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越被廣大都市居民認可,而地鐵在地下隧道內(nèi)的運行線路占總長的2/3,地鐵隧道成為列車運行主要環(huán)境,地鐵隧道內(nèi)的環(huán)境因素影響列車在隧道內(nèi)的運行安全.本文針對上海地鐵隧道綜合環(huán)境進行研究,設計城市軌道交通隧道的智能環(huán)境綜合監(jiān)測系統(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)水文復雜,通風排水設備不完善,這種地鐵隧道內(nèi)環(huán)境對鋪設在其中的鋼軌及配件的影響是長期的.現(xiàn)有研究表明,隧道內(nèi)的主要氣體有氮氣78%、氧氣15%、二氧化碳1.5%、可燃氣體0.28%，隧道內(nèi)的有害氣體濃度(體積分數(shù)，全文同)與列車經(jīng)過隧道的通過率成正相關.針對上海地鐵隧道環(huán)境狀況進行實地調(diào)研,結(jié)果顯示,上海地鐵隧道的內(nèi)環(huán)境中氮氣79%、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)測設備

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

本文設計的空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)應用在地下隧道的復雜環(huán)境中,能夠自主進入低功耗智能調(diào)節(jié)模式,自動組網(wǎng)連接,對隧道內(nèi)的二氧化碳、可燃性氣體等進行實時采集傳輸,面對突發(fā)的變化傳感器能實時作出反應,實現(xiàn)對地下隧道區(qū)段氣體環(huán)境的監(jiān)測.

2　隧道智能環(huán)境監(jiān)測硬件設計

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

城市軌道交通隧道環(huán)境監(jiān)測系統(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.

每個節(jié)點復位開機后,自主進行配對搜索環(huán)境中ZigBee網(wǎng)絡節(jié)點,進行節(jié)點間的握手通信,自動組建傳感器子網(wǎng)絡,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.

當整個系統(tǒng)啟動后,放置在各個節(jié)點的設備開始采集外界環(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，接收處理器進行數(shù)據(jù)處理分析,之后判斷區(qū)間的環(huán)境質(zhì)量,對環(huán)境質(zhì)量進行相關的評估,最后通過控制報警器等相關設備,將系統(tǒng)連接到各個節(jié)點進行相互通信.方便在車站的控制中心隨時隨地用便攜式聯(lián)網(wǎng)設備對隧道環(huán)境進行監(jiān)測，連接站臺路由器查看當前隧道內(nèi)空氣環(huán)境質(zhì)量狀況，對可能出現(xiàn)的突發(fā)狀況進行監(jiān)控預警，使調(diào)度員對列車運行作出相應調(diào)整.

2.2　隧道環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)采集節(jié)點設計

2.2.1　無線節(jié)點模塊2.4 GHz ZigBee配置

為了適用于采集隧道的環(huán)境，采用無線多個節(jié)點采集隧道環(huán)境信息.Cortex-M3由于高效性與穩(wěn)定性,可在各種工業(yè)控制領域應用，能應對各種復雜的環(huán)境,對外部變化引起的干擾較小.本文節(jié)點采集主板采用以Cortex-M3為內(nèi)核、以STM32為核心的芯片做主控制芯片.由于“增強型”系列時鐘頻率達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)動電路為內(nèi)核,圖2為耦合電路圖.

圖1　STM32F103C8T6驅(qū)動電路圖

Fig.1　Driving circuit diagram of STM32F103C8T6

它的外部驅(qū)動由5個0.1 μF去電源耦濾波電容、2個22 pF的濾波電容和1個時鐘頻率為8 MHz的石英晶振組成,當接通3.3V電源的時候晶振啟動振蕩電路,STM32隨著外部的時鐘一起振蕩,振蕩的頻率與時鐘頻率相同.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

在復雜惡劣的環(huán)境中能穩(wěn)定發(fā)揮各個模塊的優(yōu)勢,可以根據(jù)隧道內(nèi)的環(huán)境來布置采集節(jié)點的位置,每段隧道內(nèi)的節(jié)點數(shù)一定,使采集的信息更標準化.通過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、光學煙霧傳感器、溫濕度傳感器的壓電信號轉(zhuǎn)化的便于傳輸?shù)臄?shù)字信號.以DTH11所對應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.將采集到的數(shù)據(jù)用一個數(shù)組保存,然后通過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)中心進行標準化處理.圖4為CC2530的外部驅(qū)動電路圖,它需要1個外部晶振和2個去耦電容以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，單片機采集到環(huán)境傳感器數(shù)據(jù)后,通過串口協(xié)議與CC2530芯片進行聯(lián)機通信.ZigBee模塊開機后搜索附近模塊自動組網(wǎng)連接,每個節(jié)點的ZigBee模塊設置為路由功能,既可以發(fā)送本節(jié)點數(shù)據(jù)，也可以作為橋接節(jié)點使用,節(jié)點布局靈活,不受軌道交通地下復雜站臺地形影響.每個站臺布置一個數(shù)據(jù)處理中心,該中心節(jié)點ZigBee模塊設置為協(xié)調(diào)器,所有節(jié)點采集到數(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制,并且?guī)в械凸哪Ｊ?非常適用于本監(jiān)測系統(tǒng).

在節(jié)點附近產(chǎn)生空氣流動,采集到準確的空氣環(huán)境信息.每個節(jié)點由有害氣體感器、煙霧傳感器以及PM傳感器輸出模擬信號,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)字信號器件,對傳感器供電后直接通過協(xié)議,采用單片機引腳連接采集,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

本項目采用MQ-2氣體煙霧傳感器進行有害氣體的檢測.MQ-2氣體煙霧傳感器對液化氣、丙烷、氫氣的靈敏度高,對天然氣和其他可燃蒸汽的檢測也很理想.當煙霧傳感器所處環(huán)境中存在可燃氣體時,煙霧傳感器的電導率隨空氣中可燃氣體濃度(體積濃渡，下同)增加而增大.使用簡單的電路即可將電導率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對應的輸出信號.圖5為MQ-2的驅(qū)動電路圖.

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

將MQ-2的4、5、6等3個引腳接入電源,2腳接地,1腳和3腳接電阻,MQ-2的電導率隨著氣體濃度的增大而增大,由于電阻是電導率的倒數(shù)，電阻隨氣體濃度增大而減小,所以根據(jù)相對電阻的變化，通過STM32 AD模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)對可燃氣體的量的監(jiān)控.

2.2.3　GP2Y1010粉塵傳感器配置

粉塵顆粒監(jiān)測是現(xiàn)行環(huán)境系統(tǒng)分析評估中的重要參數(shù),光學粉塵煙霧夏普傳感器(GP2Y1010AU0F)是基于光電學原理對空氣質(zhì)量進行測量的傳感器,用來感應空氣中極小的粉塵顆粒,其內(nèi)部對角安裝著紅外線發(fā)光二極管和光電晶體管，使其能夠探測到粉塵顆粒反射光.不同的光強二極管產(chǎn)生不同的電壓信號.

圖6為GP2Y1010AU0F驅(qū)動電路原理圖.

圖6　GP2Y1010AU0F原理圖

Fig.6　Schematic diagram of GP2Y1010AU0F

通過電容的濾波和電阻的分壓作用,進行壓電信號采集,然后通過程序中的轉(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

通過內(nèi)部成一定角度對通過小孔煙霧進行反光和采集,對比當遇到不同濃度煙霧時產(chǎn)生波形的差異，計算煙霧濃度.圖7為PM2.5采集圖.

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

極其細小的顆粒反射光也能夠透過變化的光電管采用ADC進行采集.這款傳感器具有低功耗的特點同時能夠在高達7 V的直流電壓下啟動.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,可應用于各種小型煙霧監(jiān)測的設備中.

2.2.4　DTH11復合式溫濕度傳感器配置

復合數(shù)字式溫濕度傳感器DHT11含有已校準數(shù)字符串信號,通過4個端口進行信息采集,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、抗干擾能力強、性價比高等優(yōu)點,在各種苛刻、復雜的應用場合中成為最佳的選擇.圖8為DTH11的電路驅(qū)動原理圖,電源供電通過STM32的PC12引腳進行數(shù)據(jù)采集.

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

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

圖9　DTH11控制信號
Fig.9　Control signal of DTH11

采集節(jié)點的STM32芯片的引腳釋放一次開始信號后,配置使DHT11從低功耗模式轉(zhuǎn)換到高速模式,等待主機開始信號結(jié)束后,DHT11發(fā)送響應信號,送出40 bit的數(shù)據(jù),并觸發(fā)一次信號采集,用戶可選擇讀取部分數(shù)據(jù).DHT11接收到開始信號觸發(fā)一次溫濕度采集,如果沒有接收到主機發(fā)送開始信號,DHT11不會主動進行溫濕度采集.采集數(shù)據(jù)后轉(zhuǎn)換到低速模式.

當開始讀數(shù)據(jù)的時候程序?qū)Σ杉瘮?shù)值進行比對,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ZigBee進行發(fā)送,不斷刷新所采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到顯示端，使采集信號具備有效性和標準性.

圖10為用Altium畫的節(jié)點PCB工程圖.

圖10　節(jié)點PCB
Fig.10　Node PCB

圖中擺放了4個MQ系列傳感器,分別設置在圓形PCB的周圍,中間為一個半徑為50 mm的過孔,為了安放直徑65 mm的風扇,左邊過孔條狀的是用來卡住GP2Y1010把核心放在中間正下方使得整個節(jié)點在被測環(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)測綜合系統(tǒng)軟件設計

本系統(tǒng)包括采集節(jié)點和顯示部分程序設計,在KEIL中采用C語言對它進行編寫流程，如圖11所示.

將傳感器采集得到的數(shù)據(jù)進行一個串行方式傳送到發(fā)送節(jié)點ZigBee發(fā)送端,通過采用TI德州儀器提供的協(xié)議棧ZigBee節(jié)點進行配置,節(jié)點ZigBee模塊配置為路由器模式,既能發(fā)送當前數(shù)據(jù)也能作為路由.運用編碼的方式將信息進行打包處理,每個數(shù)據(jù)包中含有將要發(fā)出節(jié)點號、傳感器編號、壓電信息量，在2.4 GHz的頻段內(nèi)進行發(fā)送與接收,每次發(fā)送固定字節(jié)數(shù),發(fā)送端將會接收到一個相對應的應答信號,這是一種單一的方式，一個路由器對應一個協(xié)調(diào)器,通過對其進行選擇控制，實現(xiàn)一個路由器對多個協(xié)調(diào)器的轉(zhuǎn)換，達到通信要求.

圖11　軟件流程圖
Fig.11　Software flow chart

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

4　結(jié)　語

通過各種采集傳感器采集到的壓電、數(shù)字轉(zhuǎn)化處理,對環(huán)境進行智能監(jiān)控,并將ZigBee組成無線通信網(wǎng)數(shù)據(jù)集中到STM32芯片上，對采集到的數(shù)據(jù)進行集中處理,通過這樣的物聯(lián)方式,可以把機器與各個事物聯(lián)系在一起組成一張控制網(wǎng),互聯(lián)傳感技術將控制器、運算器、處理器集中為一個控制系統(tǒng),改善人們的生活和生產(chǎn)環(huán)境.未來傳感器聯(lián)入互聯(lián)網(wǎng)連接是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的必然趨勢,該項目希望通過把傳感器技術、互聯(lián)網(wǎng)技術、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)控問題網(wǎng)絡化、智能化、現(xiàn)代化,在人們生存環(huán)境的安全方面做出貢獻.

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(編輯: 單明霞)

文章編號： 1009-444X(2016)02-0143-06

收稿日期： 2015-11-23

基金項目： 國家重點科研平臺資助項目(cz1410004)

作者簡介： 王恩鴻(1995-),男,在讀本科生,研究方向為交通信號與控制.E-mail:1205596142@qq.com通信作者： 李立明(1982-),男,實驗師,碩士,研究方向為道路交通檢測技術、信號處理研究.E-mail:liming0028@126.com

中圖分類號： X 821

文獻標志碼： 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