綜合管廊監(jiān)控與預(yù)警系統(tǒng)研究

王育紅 石晶 王飛

摘 要：傳統(tǒng)的市政建設(shè)中，可以看到密密麻麻的網(wǎng)線、反復(fù)開(kāi)挖的路面、各處的圍擋等，這些不僅影響城市的美觀，影響城市的公共交通，為了解決這些常見(jiàn)的市政問(wèn)題，響應(yīng)智慧城市的號(hào)召，促進(jìn)城市的發(fā)展，提升城市的市容環(huán)境，方便人們的出行，綜合管廊的建設(shè)勢(shì)在必行。本文對(duì)綜合管廊內(nèi)部環(huán)境參數(shù)進(jìn)行分析，提出一種基于STM32的監(jiān)控與預(yù)警系統(tǒng)，能夠有效地幫助工作人員進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)，達(dá)到智慧城市的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)[1]。

關(guān)鍵詞：綜合管廊;監(jiān)控;預(yù)警系統(tǒng)

綜合管廊在建設(shè)過(guò)程中，為了保證其安全可靠性，需要建立一套完整的監(jiān)控系統(tǒng)，包括多個(gè)子系統(tǒng)地下管廊環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、紅外報(bào)警實(shí)時(shí)視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、地下管廊管道設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)等[2]。

1 方案設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

本系統(tǒng)研究為了滿(mǎn)足系統(tǒng)的功能需求，根據(jù)監(jiān)控的具體需求，確定系統(tǒng)采用3層分布式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，按照下圖的框架來(lái)實(shí)現(xiàn)該功能。

該體系結(jié)構(gòu)按照上圖，自下而上分為對(duì)應(yīng)的是數(shù)據(jù)層、傳輸層、管理層[3]。3層對(duì)應(yīng)的功能分別如下表1所示。

1.2 主要監(jiān)測(cè)傳感器

在該課題的研究?jī)?nèi)容中，主要是根據(jù)國(guó)家規(guī)范《城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范》GB50838-2015[4]中的條例，確定了管廊內(nèi)部環(huán)境安全的參數(shù)及其安全值的要求。

根據(jù)規(guī)范中的要求，最終確定了必要的監(jiān)測(cè)是空氣的安全性指標(biāo)，其中就包括O2含量CH4含量，一氧化碳濃度，溫度以及濕度。因此管廊的內(nèi)部需要放置能夠監(jiān)測(cè)對(duì)應(yīng)氣體含量的傳感器。

為了保證數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確無(wú)誤的傳輸?shù)絽^(qū)域控制器，本系統(tǒng)確定本地采用CAN總線通信方式、遠(yuǎn)程采用以太網(wǎng)的工作方式。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制器電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

區(qū)域控制器是整個(gè)3層體系的核心。

（1）控制芯片的選擇。本次根據(jù)市場(chǎng)上常見(jiàn)的運(yùn)用成本低、性能高、成熟的單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)篩選確定了本系統(tǒng)采用的核心芯片是ST公司生產(chǎn)的STM32F103RCT6。

（2）電源模塊的選擇。結(jié)合綜合管廊系統(tǒng)內(nèi)部的供電方式，系統(tǒng)采用交流220/380V的交流電源[5]。但是位于現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備需要以及主控芯片的供電電壓較小，所以需要電路轉(zhuǎn)換以滿(mǎn)足不同的設(shè)備供電需求。

（3）系統(tǒng)必不可少的時(shí)鐘電路和復(fù)位電路[6]。

（4）存儲(chǔ)模塊。結(jié)合綜合管廊的位置特殊性，距離長(zhǎng)、設(shè)備多，需要存儲(chǔ)所有的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)內(nèi)存的容量需求比較大，在設(shè)計(jì)時(shí)采用STM32F103RCT6芯片。

2.2 數(shù)據(jù)采集電路

整個(gè)綜合管廊的內(nèi)部環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)，通過(guò)底層的傳感器實(shí)現(xiàn)[7]。

（1）溫濕度傳感器。采用SHT11芯片監(jiān)測(cè)綜合管廊內(nèi)部的溫濕度。為了保證采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，系統(tǒng)采用外部數(shù)字溫度傳感器[8]。

（2）氣體數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。

（3）火災(zāi)探測(cè)器。《城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定了火災(zāi)探測(cè)器的設(shè)計(jì)要求，所有的設(shè)備選型要保證其靈敏度高、可靠性強(qiáng)，便于及早發(fā)現(xiàn)管廊內(nèi)部火災(zāi)信號(hào)[7]。

2.3 顯示電路

在綜合管廊內(nèi)部也需要設(shè)置采集數(shù)據(jù)后的顯示平臺(tái)，這樣工作人員進(jìn)入內(nèi)部檢測(cè)才能夠?qū)崟r(shí)的判斷其內(nèi)部是否正常。除此之外還可以實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)的查詢(xún)、報(bào)警記錄查詢(xún)等維護(hù)工作功能[7]。

2.4 報(bào)警電路

綜合管廊位于地下空間，檢修難度大，因此為了能夠及時(shí)的發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部異常狀況，一旦監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)有異常情況，報(bào)警電路工作，發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

2.5 通信模塊

在系統(tǒng)的三層結(jié)構(gòu)框架中，根據(jù)方案設(shè)計(jì)采用的通信方式是CAN通信以及RS485通信[7]。選擇CAN總線方式能夠幫助實(shí)現(xiàn)底層數(shù)據(jù)采集與控制器之間信息傳輸功能。并且需要設(shè)計(jì)串口通信來(lái)解決傳感器接口的問(wèn)題[5]。區(qū)域控制器與遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心之間選用以太網(wǎng)通信模塊。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在進(jìn)行系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)之后，下位機(jī)的軟件設(shè)計(jì)主要由數(shù)據(jù)采集、CAN接口、現(xiàn)場(chǎng)信息顯示、聲光報(bào)警等任務(wù)組成。軟件系統(tǒng)是基于搭建好的STM32硬件平臺(tái)，應(yīng)用μc/os-Ⅱ操作系統(tǒng)，在基于微控制器軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)Keil uVision5開(kāi)發(fā)軟件下[7]，C語(yǔ)言編程，實(shí)現(xiàn)以下功能，如表2。

整個(gè)軟件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)通過(guò)下面的流程進(jìn)行：底端的傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)CAN總線傳送給區(qū)域控制器，進(jìn)行一定的處理后，在用以太網(wǎng)進(jìn)行傳輸?shù)焦芾頇C(jī)之間，這樣即可實(shí)現(xiàn)主機(jī)界面的顯示，分機(jī)的顯示作用則是在管廊內(nèi)部進(jìn)行顯示。

4 系統(tǒng)上位機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

綜合管廊系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心，主要是便于管理室的人員進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢(xún)、報(bào)警顯示、故障記錄與查詢(xún)等多項(xiàng)功能。整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)最上層是控制中心，能夠?qū)崿F(xiàn)信息遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與預(yù)警。本系統(tǒng)的上位機(jī)界面選擇組態(tài)軟件進(jìn)行開(kāi)發(fā)，使用簡(jiǎn)單、操作方便、開(kāi)發(fā)周期短，通用性強(qiáng)[9]。本次設(shè)計(jì)選用MCGS。

4.1 工程設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

在MCGS工程設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的核心功能是建立和管理實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，建立數(shù)據(jù)庫(kù)需要對(duì)整個(gè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行定義和設(shè)置。所有的模塊必須和底層的傳感器數(shù)據(jù)是接口是一一對(duì)應(yīng)的，最終的整個(gè)動(dòng)畫(huà)界面是要能夠達(dá)到精確、定位的監(jiān)測(cè)目的。

第一步：在上位機(jī)開(kāi)發(fā)軟件中，進(jìn)行變量定義[10]。所有的顯示的數(shù)據(jù)都要進(jìn)行數(shù)據(jù)的定義，設(shè)置標(biāo)簽參數(shù)。

第二步：設(shè)計(jì)界面。遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的目的是直觀的反映綜合管廊內(nèi)部是否安全。在監(jiān)測(cè)界面上可以查看到實(shí)時(shí)的顯示數(shù)據(jù)，同時(shí)可以看到氣體濃度變化的曲線圖[11]。當(dāng)單個(gè)變量值變化很快接近上限時(shí)，如果持續(xù)一定時(shí)間即預(yù)警燈亮，可以及時(shí)提醒人員去進(jìn)行檢修，排除危險(xiǎn)信息。

第三步：動(dòng)畫(huà)連接。所有的界面要進(jìn)行關(guān)聯(lián)，能夠?qū)崿F(xiàn)畫(huà)面的切換。當(dāng)需要查看參數(shù)時(shí)，即可轉(zhuǎn)接到對(duì)應(yīng)的界面[12]。

4.2 軟件界面試運(yùn)行

當(dāng)打開(kāi)軟件運(yùn)行界面后，首先需要進(jìn)行登錄，按照設(shè)置的不同身份的賬號(hào)和密碼進(jìn)行輸入，進(jìn)入到綜合管廊監(jiān)控系統(tǒng)管理界面。

在整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的界面，可以實(shí)時(shí)看到每一個(gè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)值，主要包括溫濕度、危險(xiǎn)氣體濃度[13-14]。界面上顯示的數(shù)據(jù)即正常運(yùn)行狀態(tài)下的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，當(dāng)出現(xiàn)異常時(shí)，即監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)超出其安全界限后，會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的報(bào)警指示燈。此時(shí)可點(diǎn)擊界面的實(shí)時(shí)曲線觀察到對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)變化。在打開(kāi)報(bào)警窗口后，可以看到對(duì)應(yīng)的報(bào)警信息，包括報(bào)警的對(duì)象、報(bào)警值、報(bào)警界限和報(bào)警描述。

5 結(jié)語(yǔ)

論文通過(guò)軟硬件結(jié)合，本地和遠(yuǎn)程的連接，能夠比較完整地實(shí)現(xiàn)了綜合管廊系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)與控制，能夠有效地解決后期管理中存在的各項(xiàng)不便，在今后的工作中還需要繼續(xù)進(jìn)行研究和系統(tǒng)的完善。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫小勇.淺談地下綜合管廊的建設(shè)[J].建材發(fā)展導(dǎo)向（上），2016（12）：1-2.

[2]郭晉.城市地下綜合管廊智能弱電系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)[J].建材發(fā)展導(dǎo)向（上），2016（12）：1-2.

[3]熊紅華.Internet應(yīng)用培訓(xùn)教程[M].電子工業(yè)出版社，2004.

[4]住房城鄉(xiāng)建設(shè)部.《城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范》GB50838—2015.

[5]張繼輝，趙雨欣.綜合管廊與地鐵共建之供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計(jì)，2018（32）：1081-182.

[6]楊雷，郟東耀.一種高可靠性的復(fù)位電路[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2015（8）：78-80.

[7]王育紅.城市地下綜合管廊監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)研究及應(yīng)用[D].西安：西安建筑科技大學(xué)，2017.

[8]陳龍.基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].蘭州理工大學(xué)，2019.

[9]孟慶菊.MCGS嵌入版組態(tài)軟件在道口報(bào)警控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].鐵道勘察，2004（3）：61-62.

[10]忻龍彪，楊曉晴，宋淑彩.一種基于CAN總線的電力抄表系統(tǒng)[J].國(guó)外電子測(cè)量技術(shù)，2005，24（8）：37-38.

[11]張偉.綜合管廊規(guī)劃設(shè)計(jì)的思考[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計(jì)，2017（18）：38.

[12]谷思威.通信電源分布式監(jiān)控系統(tǒng)[D].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2003.

[13]夏鋒，孫優(yōu)賢.工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用性能分析[J].電氣傳動(dòng)，2004，34（2）：40-43.

[14]包亮，王里奧，陳萌，等.基于GPRS的市政下水道氣體安全監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)[J].中國(guó)給水排水，2009，25（15）：39-42.

基金項(xiàng)目：陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院2018年首批科研基金項(xiàng)目（KY2018-07）

作者簡(jiǎn)介：王育紅（1991— ），女，漢族，陜西藍(lán)田人，碩士，講師，研究方向：自動(dòng)控制、建筑電氣智能化。