隧道環(huán)境的多參數(shù)無線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張文都

摘 要：本文旨在研究一種低成本的隧道環(huán)境多參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)，將CO濃度、光照度等環(huán)境參數(shù)傳輸?shù)椒?wù)器，實(shí)現(xiàn)對隧道高密度全區(qū)域的監(jiān)測。本系統(tǒng)的研發(fā)為公路隧道、軌道隧道的運(yùn)營管理者提供更多現(xiàn)場環(huán)境參數(shù)，更好地保障隧道內(nèi)交通參與者的安全。

關(guān)鍵詞：隧道;環(huán)境監(jiān)測;監(jiān)測裝置

中圖分類號：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）31-0111-02

Design of Multi Parameter Wireless Detection

System in Tunnel Environment

ZHANG Wendu

（College of Rail Transit， Shaanxi College of Communication Technology，Xi'an Shaanxi 710018）

Abstract： The purpose of this paper is to study a low-cost tunnel environment multi parameter monitoring system， which can transmit the environmental parameters such as CO concentration and illuminance to the server， so as to realize the tunnel high-density and whole area monitoring. The research and development of this system provides more on-site environmental parameters for the operation managers of highway tunnel and rail tunnel， and better guarantee the safety of traffic participants in the tunnel.

Keywords： tunnel;environmental monitoring;detection device

隧道是埋置于地層內(nèi)的工程建筑物，是人類利用地下空間的一種形式。通常，隧道內(nèi)會存在一些有害氣體，不僅影響施工人員的身體健康，而且可能會給隧道工程造成毀滅性災(zāi)害。因此，在高速公路或者城市軌道交通運(yùn)營中，要實(shí)時監(jiān)控隧道內(nèi)的有害氣體濃度。由此，本文設(shè)計(jì)了一款隧道環(huán)境多參數(shù)無線監(jiān)測系統(tǒng)[1]。

1 隧道環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成

現(xiàn)階段，隧道監(jiān)控仍停留在CCTV視頻監(jiān)控和在個別區(qū)域使用COVI監(jiān)測儀，以對一氧化碳、光照度和溫度進(jìn)行監(jiān)測。由于COVI監(jiān)測儀價格非常昂貴，僅僅對個別區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測，無法實(shí)現(xiàn)對隧道空間高密度全區(qū)域的監(jiān)測，不能獲取大量隧道環(huán)境參數(shù)，無法準(zhǔn)確了解隧道環(huán)境狀況與交通狀況。因此，急需研發(fā)隧道環(huán)境智能監(jiān)測系統(tǒng)。

本文設(shè)計(jì)的隧道環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)由多個監(jiān)測節(jié)點(diǎn)組成，包括若干個多路傳感器，等距離分布在隧道內(nèi)，監(jiān)測節(jié)點(diǎn)基于嵌入式技術(shù)，能實(shí)現(xiàn)隧道環(huán)境的多參數(shù)監(jiān)測，獲取大量數(shù)據(jù)，得到隧道多種維度信息。

本課題研究的隧道有害氣體監(jiān)測裝置包括若干個多路氣體傳感器、報(bào)警裝置、處理控制器、隧道通風(fēng)系統(tǒng)、服務(wù)器、用戶監(jiān)控端[2]。其中，若干個多路氣體傳感器等距離分布在隧道內(nèi)，多路氣體傳感器與處理控制器、報(bào)警裝置及新風(fēng)系統(tǒng)電連接，實(shí)現(xiàn)對有害氣體的感知。每個模塊包含一個獨(dú)立編號，按一定距離分布于隧道內(nèi)，傳感器模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)內(nèi)容包括有害氣體數(shù)據(jù)和編號。通風(fēng)系統(tǒng)主要包括換氣扇和隧道軸流風(fēng)機(jī)。其中，換氣扇設(shè)置在多路氣體傳感器位置附近;隧道軸流風(fēng)機(jī)可以實(shí)現(xiàn)對隧道內(nèi)通風(fēng)的控制，有害氣體濃度過高時，相應(yīng)位置的通風(fēng)系統(tǒng)啟動。處理控制器用于控制通風(fēng)系統(tǒng)開啟和關(guān)閉。服務(wù)器通過無線傳輸模塊將信號傳輸至用戶監(jiān)控端，服務(wù)器和用戶監(jiān)控端在交通監(jiān)控中心。服務(wù)器中存儲著每個現(xiàn)場傳感器模塊的編碼及所對應(yīng)的位置信息。用戶監(jiān)控端的顯示屏幕通過圖形化界面顯示每個采集點(diǎn)的危險氣體數(shù)據(jù)。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 裝置整體構(gòu)造與工作原理

隧道環(huán)境智能監(jiān)測系統(tǒng)的多路氣體傳感器監(jiān)測包括氧氣、一氧化碳、硫化氫、甲烷以及粉塵的濃度，將監(jiān)測結(jié)果通過電路傳輸?shù)教幚砜刂破鳎?dāng)某處濃度超過設(shè)定閾值時，報(bào)警裝置中交通信號燈變成紅色，報(bào)警器發(fā)出警報(bào)聲，處理控制器通過服務(wù)器及無線傳輸模塊將信息傳輸?shù)接脩舯O(jiān)控端，用戶監(jiān)控端的顯示屏上顯示多路氣體傳感器位置分布的綠色圓點(diǎn)會變成紅色并且閃爍，以提醒用戶該處有害氣體濃度超標(biāo)，同時處理控制器控制該處的新風(fēng)系統(tǒng)換氣扇啟動，進(jìn)行通風(fēng)換氣，當(dāng)濃度達(dá)標(biāo)時，信號燈變綠，報(bào)警器停止報(bào)警，顯示屏上圓點(diǎn)恢復(fù)成綠色且不再閃爍[3]。

該系統(tǒng)中多路氣體傳感器、控制器和無線傳輸模塊構(gòu)成監(jiān)測節(jié)點(diǎn)，監(jiān)測節(jié)點(diǎn)為本課題開發(fā)重點(diǎn)。

2.2 監(jiān)測節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的硬件主要有微控制器、射頻電路、電源模塊、串口模塊、AD數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊和多路傳感器等。

2.2.1 微控制器。微控制器為本節(jié)點(diǎn)的核心，主要完成程序控制與外部數(shù)據(jù)采集。由于需要在惡劣條件下長時間工作，本節(jié)點(diǎn)選用TI公司（德州儀器）的MSP430F135單片機(jī)。該單片機(jī)具備穩(wěn)定性強(qiáng)、功耗低等特性，可以滿足本節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)要求。

2.2.2 射頻通信電路。系統(tǒng)采用433M無線通信模塊。該模塊的工作頻率為316.8MHz，使用聲表諧振器SAW穩(wěn)頻，穩(wěn)定性極高，輸出方式為TTL，特別適合在惡劣條件下全天候工作。

2.2.3 電源模塊。系統(tǒng)中的MCU使用電源為3.3V，433M無線通信模塊的電源為5V，多路傳感器的電源為5V，因此，采用ATMEL1117低功耗集成電源芯片，其輸入電壓最大為8V，輸出為5V和3.3V。

2.2.4 串口模塊。節(jié)點(diǎn)預(yù)留485串口控制模塊，可以實(shí)現(xiàn)對符合485標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)總線的機(jī)電設(shè)備如交通信號燈、隧道風(fēng)機(jī)等的控制。

2.2.5 AD轉(zhuǎn)換模塊。AD轉(zhuǎn)換模塊采用節(jié)點(diǎn)采集ADC0809芯片，價格低廉，采用雙列直插式封裝，維修更換方便。該芯片具備較高的穩(wěn)定性，同時支持8路模擬量輸入，適合多路模擬量傳感器的輸入采集與監(jiān)測。

2.2.6 多路傳感器。隧道環(huán)境監(jiān)測主要包括CO濃度監(jiān)測、光照強(qiáng)度監(jiān)測、溫濕度監(jiān)測等。CO濃度監(jiān)測采用MQ-7氣敏傳感器，其抗干擾能力強(qiáng)，水蒸氣、煙等對其影響小，且價格低廉，適合大規(guī)模、高密度節(jié)點(diǎn)的布設(shè)。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括兩部分：MSP430單片機(jī)的編程設(shè)計(jì)和遠(yuǎn)程主機(jī)上位機(jī)軟件程序設(shè)計(jì)。

3.1 采集節(jié)點(diǎn)裝置的單片機(jī)程序設(shè)計(jì)

節(jié)點(diǎn)裝置的主要作用是對現(xiàn)場環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測。每個節(jié)點(diǎn)設(shè)置一個編號，采用偵聽模式工作，按一定距離分布在隧道內(nèi)。系統(tǒng)上電后，程序初始化，開始監(jiān)聽是否存在通信中斷，當(dāng)監(jiān)聽到無線通信中斷時，接收主機(jī)發(fā)送的信令，核對信令編號是否為自身編號，如為自身編號，則開始進(jìn)行多路環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)采集，CO、光照度、溫度、濕度等傳感器開始采集數(shù)據(jù)，單片機(jī)將數(shù)據(jù)存儲在EPROM中，并發(fā)送信號至控制中心主機(jī)。節(jié)點(diǎn)裝置使用RS458串口和現(xiàn)場機(jī)電設(shè)備進(jìn)行通信，對現(xiàn)場機(jī)電設(shè)備如信號燈和隧道風(fēng)機(jī)進(jìn)行控制[4]。

3.2 控制中心上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

控制中心的上位機(jī)采用圖像化界面設(shè)計(jì)，使用VB編程，程序可與采集節(jié)點(diǎn)裝置通信，發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的圖形化顯示和控制。

4 結(jié)語

本課題所設(shè)計(jì)的隧道環(huán)境智能監(jiān)測系統(tǒng)，具備成本低、穩(wěn)定性高等特點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)可以采集CO濃度、濕度、溫度、光照度等環(huán)境信息。經(jīng)實(shí)驗(yàn)室測試，該系統(tǒng)達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。今后，課題還將從繼續(xù)提高穩(wěn)定性、可靠性的角度著手，優(yōu)化研究，將該系統(tǒng)早日運(yùn)用到實(shí)踐中。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉湖平，麥云飛，王靜悅.基于Lab VIEW和MSP430的CO氣體無線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測量與控制，2010（9）：1999-2004.

[2]孫雨耕，張靜，孫永進(jìn)，等.無線自組傳感器網(wǎng)絡(luò)[J].傳感器學(xué)報(bào)，2004（2）：331-335.

[3]陳雄，杜以書，唐國新，等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].系統(tǒng)仿真技術(shù)，2005（2）：67-73.

[4]金偉，齊世清，王建國.現(xiàn)代監(jiān)測技術(shù)[M].北京：北京郵電大學(xué)出版社，2007.