城市軌道交通站級數據采集物聯網設計

李巍 劉振 張思琪 季鵬鵬

【摘?要】本文針對城市軌道交通中機電設備數據采集監測問題進行分析，針對軌道交通地下車站的結構和特點，設計一種低成本、易實施的軌道交通站級數據采集物聯網架構及協議方案，解決多種設備數據采集、環境數據采集的聯網需求問題。該系統由物聯從機（IOT）、物聯主機（IOT）、站級控制單元（SCU）、上位機管理終端四個部分組成。具有7x24不間斷數據采集監測、自動預警、物聯上報和信息化管理等功能。

【關鍵詞】軌道交通;ARM嵌入式系統;物聯網;協議棧;

1引言

近年來，物聯網正在飛速發展，從智能家居到智慧城市，無處不有他的身影。在軌道交通逐漸成為了城市交通的運輸主力時，物聯網也大量運用到軌道交通運營建設中。

目前軌道交通在建設及運營過程當中，位于中心城區的線路基本設在地下隧道內，整個軌道交通系統中機電設備數量眾多、種類復雜，同時因為環境潮濕、設備老化等因素，需要不間斷采集設備數據，監控設備運行狀態，并采取人工維護等必要手段，保障軌道行車安全。當下常用的兩種解決方案有人工巡檢和設備自動化運行。然而這兩種方案仍面臨以下問題：

1.人工巡檢依靠天窗期，巡檢工程量大，存在漏檢等情況，一般情況下只能等到設備出現明顯故障時才可發現處理。

2.設備自動化運行方案中，不同種類的機電設備雖可獨立自動化運行，但無法做到統一監測管理，無法形成網絡體系。

3.兩種方案都無法實現對設備狀態的監測和分析，提前預測設備狀態，及時處理。

因此，需要設計出一款適用于軌道交通行業的軌道交通站級數據采集系統，實現7x24數據采集監測、自動預警、物聯上報和信息化管理等功能。

2.系統架構

本系統由物聯從機、物聯主機、站級控制單元SCU、上位機管理終端四個部分（如圖2-1）構成。物聯從機與機電設備安裝在基坑處，為單機機電設備提供物聯網接口并采集上傳設備數據，物聯主機安裝在車站之間，通過網路連接各物聯從機，對上傳數據進行匯總，執行分發SCU下達的指令。站級控制單元SCU安裝在車站控制中心，負責連接物聯主機與光纖環網交換機，并分析處理數據。而后管理員和維護員可通過多終端提供的操作交互界面，進行調試、配置和維護設備，并接收設備預警信息。

本系統主要用于提供給軌道交通管理人員進行機電設備實時監控、設備遠程操作以及數據分析。其中涉及的系統角色主要包括管理員、維護員、物聯網設備以及受控設備，它們在系統運作中的作用如表2-2所示：

2.2硬件設計

本系統硬件由物聯網模塊（IOT）與車站控制單元（SCU）兩大模塊組成，根據不同的場景進行模塊拼接使用。

2.2.1 物聯網模塊（IOT）

物聯網模塊（IOT）主要用于與安裝在隧道各處（坑基）的單機設備（如轉轍機排水設備）的連接，其主要通過UART接口與受控機電設備連接，為搭建底層物聯網提供硬件基礎。

物聯網模塊分為主機和從機兩種類型，其結構完全相同。從機的主要業務包括：數據讀取、配置下發、透明傳輸、設備入網、斷網重連等。通過在使用過程中跳線M/S進行功能轉換和區分。

主機在從機的基礎上，還安裝有RS485模塊能夠與SCU直連。IOT模塊結構如圖2-3所示：

物聯網模塊（IOT）由如下幾個模塊組成：

1）STM32：低功耗模塊處理器，對采集數據進行處理并向相應的端口發送控制數據。

2）RAM存儲器：作為運算存儲空間。

3）RTC時鐘芯片：提供時鐘信號，保證模塊時間與上位機進行同步。

4）I/O引腳：對引腳進行了引出預留，為后期安裝設備留出升級空間。

5）M/S主從轉換跳線：用于對模塊的主機與從機兩種模式進行切換。

6）RS485接口：用于主機與車站控制單元的有線連接通訊（適用于長距離，強干擾環境）。

7）Lora433Mhz數傳模塊：用于主機與從機間的無線通信（適用于短距離、低干擾環境）。

8）UART串口接口：主要用于為受控設備提供物聯網接口，便于后期維護和調試。

9）藍牙接口：用于物聯網模塊與手機的連接，與手機app進行通信獲取詳細數據。

2.2.2 車站控制單元（SCU）

車站控制單元作為上位機設備，與下位機IOT模塊進行連接。

車站控制單元（SUC）能夠接收主機傳遞的各類數據信息，并能發送各類控制指令（時間校準、強制排水等），同時作為具備輸入與顯示的交互設備，為管理人員提供可視化操作平臺與數據監控窗口，并具備數據記錄分析與故障預警的功能。

車站控制單元（SUC）組成如圖2-4：

各模塊作用如圖下：

1）樹莓派3B：作為車站控制單元模塊的處理器，同時為軟件程序提供基礎運行環境。

2）RAM存儲器：作為運算存儲空間。

3）SD卡：提供更多存儲空間進行數據儲存。

4）LCD液晶顯示接口：為圖像顯示設備提供接口，顯示基本采集信息。

5）RJ45網絡接口：使物聯網系統能夠連接至光纖環網。

6）485有線通訊接口：與下位機進行有線的通訊連接。

7）藍牙接口：用于與手機的通訊連接，通過app進行相關信息查看

3物聯網連接方案

物聯網模塊設備、車站控制單元與光纖環網的網絡連接通訊采取有線與無線相結合的方式（如圖3-1）。

站點同一端的IOT從機與主機之間由于距離相隔不遠，通過無線網絡進行連接。在有樓層阻隔且距離較遠的IOT設備與SCU之間，選擇直接通過總線接口，使用有線連接的方式接通IOT主機。而SCU則通過網線接入光纖環網交換機。

4測試與驗證

4.1通訊信號測試

本部分測試是針對于物聯網系統在地下車站運行時的通訊信號是否可靠而展開的，測試包含以下幾個方面的內容：

a）復雜鋼筋混凝土建筑結構空間對無線網絡信號的影響。測試內容包括無線物聯節點的可靠信號覆蓋區、ping延時、ping抖動、ping丟包率等數據并進行記錄。

b）有線物聯網通信能力。通過軌道交通站點現有的預留通信線纜，測試總線節點的負載能力、穩定性以及通信速率等指標。

c）通過將以上兩測試得到的各項數據進行對比，尋找一個能夠在站點保證通訊能力范圍的情況下可靠穩定運行的物聯組網方案。

測試結果：站點同端設備之間能夠進行穩定通信。車站兩端之間有線信號通信穩定良好，無線信號通信不穩定。IOT主設備與SCU進行通信，在100米的有線通信距離下，通訊信號穩定可靠。

4.2系統測試

本部分測試是對物聯網系統的上位機功能進行測試，在安裝完相關軟件后，對各個模塊進行功能測試。

4.2.1 IOT從機功能測試

本部分測試包含以下三個功能點的測試：

1）數據讀取功能

受控設備準備待讀取數據后，IOT從機向受控設備發送指令，受控設備接收到指令后，將數據發送至IOT從機接收。

2）配置設備功能

IOT從機發送配置設備命令至受控設備，并接收受控設備的返回數據信息。

3）透明傳輸功能

IOT從機準備待讀取數據后采用透明傳輸的方式發送數據至受控設備，受控設備接收到數據后返回數據至IOT從機。

4.2.2 IOT主機功能測試

1）物聯組網功能

IOT主機廣播信標，從機掃描主機廣播的信標并接收，將接收到的信標打印至串口。

2）數據采集功能

IOT主機發送數據采集的指令至從機，從機收到指令后將待讀數據返回至IOT主機。

3）透明傳輸功能

IOT主機準備待讀取數據后采用透明傳輸的方式發送數據至IOT從機，IOT從機接收到數據后返回數據至IOT主機。

4.2.3 SCU功能測試

1）數據采集功能

SCU發送數據采集指令至IOT主機，IOT主機接收到指令后將待讀取數據返回至SCU。

2）上傳數據功能

SCU將待讀取數據上傳至PC端，PC端打印數據幀。

3）狀態顯示功能

SCU發送數據采集指令至IOT主機，IOT主機接收到指令后返回待讀取數據，操作人員通過SCU軟件界面查看期望的數據信息。

測試結果：在對上位機軟件功能進行測試后，測試實際結果包含預期結果，功能測試全部通過。

5總結

通過在站點實地測試各類網絡信號通信情況，本項目最終選擇了在實驗條件下最為穩定的布線方案進行物聯網系統的組件，保證了網絡傳輸的可靠性。軟件功能測試滿足需求。

綜上所述，本系統是一種低成本、易實施的站級數據采集物聯網架構及協議方案，能夠解決多種設備數據采集、環境數據采集的聯網需求問題。

（作者單位：1.江漢大學人工智能學院;2.武漢地鐵集團有限公司）