地下基礎設施監測設備架構設計與工程實現

廖崧琳，王 露,2，胡 聰，陳 超，曾祥豹,2，文境瀟，王 飛

(1.中電科技集團重慶聲光電有限公司,重慶401332；2.中國電子科技集團公司第二十六研究所，重慶400060)

0 引言

隨著對智慧城市的深入研究和實踐，近年來，基礎設施智慧化的研究逐漸增多。但是地下基礎設施研究相對薄弱，要實現地下基礎設施智慧化的運行目標，首先需要開展一體化監測設備的研究。掌握地下基礎設施環境更多維度的信息才能給上層決策和規劃提供堅實的基礎[1-2]。

不管是針對地鐵隧道還是地下綜合管廊，現有設備要么對環境的某一指標進行監測，專一性和針對性強[3-6]，要么環境適應性、參數指標拓展性較差，沒有統一的架構設計，做不到根據應用場景快速增減[7-9]。

因此，針對上述存在的問題，本文對于地下環境中的參數指標監測，設計了一個傳感器標準化接口、一個即插即用的總線式框架和一個滿足地下環境穩定運行的加固結構。使終端能根據應用需求，任意組合、隨時更換(包括但不限于如下傳感器指標：風速、風向、環境溫度、相對濕度、環境氣壓、空氣中的微粒(PM1.0、PM2.5和PM10)、光線強度、噪聲和常見環境氣體(氨氣、二氧化氮、二氧化硫、氧氣、臭氧、一氧化碳、二氧化碳、甲烷和揮發性有機物))。

1 系統概要

圖1為一體化監測終端系統框圖。由圖可知，地下基礎設施一體化監測終端包括核心處理單元、接口單元和子傳感器單元3部分。核心處理單元負責控制調度邏輯實現，傳感器結構化數據處理，內外信息交互通信實現和終端電源管理等工作；子傳感器單元負責對各種傳感器模塊進行標準化接口封裝，接收核心處理單元的調度，實現有序數據上報、非周期數據讀取和靜默休眠等功能；接口單元負責連接核心處理單元和子傳感器單元，對接子傳感器的標準化接口。接口單元以母板的形式接入多個子傳感器，給核心處理單元提供接口的物理實現。

圖1 一體化監測終端系統框圖

2 總線式系統框架

總線式系統框架(見圖2)主要是指傳感器的獲取、處理和上報由掛載在同一條總線上的設備來完成。主控單元接收上位機或云平臺的指令或請求，通過總線對所有在線子傳感器進行控制、調度和通信。考慮不同傳感器之間可能會有影響，如顆粒傳感器通過內置風扇吸入待測氣體，風扇的聲音可能會影響噪聲傳感器，出風口也可能影響風速風向傳感器的測量精度。另外，部分氣體傳感器需要預熱，低功耗過程中不能斷電。所以需要統一進行調度，排除自身傳感器之間的互相干擾，實現最優的工作狀態。

圖2 總線式系統框圖

系統框架在軟件上基于Real Time Thread(RT-Thread)嵌入式實時操作系統實現。RT-Thread是一款完全由國內團隊開發并維護的嵌入式實時操作系統，具有自主知識產權，且完全開源。與其他的實時操作系統相比，RT-Thread不僅擁有一個實時內核，還具備豐富的中間層組件，對于開發和數據上云都提供了極大的方便。本文基于RT-Thread分別設計了指示燈線程、數據獲取線程、數據封裝線程和數據上報線程(見圖3)。

圖3 終端線程設計

由圖3可知，指示燈線程通過預先設計的狀態機對狀態進行控制并進行標識，先發送信號量給其他線程，根據線程返回的信號，輸出設備狀態指示，實現信息的反饋；數據獲取線程根據調度規則和數據獲取要求對子傳感器按照通信協議請求數據，獲取到各個傳感器的數據后發送到未封裝消息隊列；數據封裝線程從未封裝消息隊列中獲取分離的傳感器數據后，按照傳感器編碼和云平臺的規則對數據增加設備編碼、時間戳和位置信息等，完成后發送到封裝消息隊列；數據上報線程從封裝消息隊列獲取數據，上報到云平臺。

通過4個線程實現了模塊識別、運行調度和數據采集3個功能。

2.1 傳感器模塊識別

傳感器模塊識別功能實現在指示燈線程中，對新接入的傳感器模塊自動識別，滿足即插即用的要求。

圖4為自動插入識別功能的硬件實現。由圖可知，硬件設計上，在傳感器接口單元的每個“9”腳都接有一上拉電阻，子傳感器上該引腳下拉到地。當有傳感器模組插入接口單元時，微處理器監測I/O口電平由高變低，由此判斷該接口上有傳感器接入。然后對該接口單元地址下發命令，請求上報傳感器模塊類型和數量。子傳感器回復后，通信驗證通過，子傳感器處于就緒狀態，其地址將會被存放到在線池中，該子傳感器就能接收數據獲取線程的數據請求。

圖4 自動插入識別功能的硬件實現

2.2 傳感器運行調度

在數據獲取線程中實現傳感器運行調度功能，即基于傳感器本身特性和任務需求在一個采樣周期內對各個傳感器進行電源管理、控制指令下發和數據讀取的功能。

傳感器運行調度需要考慮不同傳感器上電預熱、數據有效時間、能耗管理和交叉影響等問題。不同傳感器獲取數據方式不同。

對于氣體類傳感器，由于終端標配氣體傳感器采用三電極的電化學傳感器，設備要求首次使用前預熱3 min，完成后才能就緒。溫濕度傳感器采用數字協議輸出數字芯片，可以即時獲取數據，上電即進入就緒狀態。顆粒物傳感器由于采用內置風扇的方式抽取待測氣體，風扇的啟動和關閉都需要一定時間，為了防止對其他傳感器產生影響，需要通過電源控制，實現獨立運行。噪音傳感器運行時需要規避可能有振動的傳感器運行，如風速風向傳感器，它采用超聲波的方式實現，這對噪聲傳感器也有一定影響。

因此，傳感器運行調度如表1所示。考慮是否會影響其他傳感器和是否受其他傳感器影響，利用操作系統的互鎖機制添加禁止同時采集的約束。

表1 傳感器運行特性

另一個需要考慮的因素是不同傳感器數據的同時性。每個信息獲取的設備都存在采樣率問題，對于整個終端，每次所有傳感器數據的全部獲取時間間隔可能是分鐘級，寬裕的傳感器數據獲取時間，再加上傳感器數量多，輪詢式獲取傳感器數據可能會導致前后時間差。而實際上從更高抽象層次來分析這些不同維度的傳感器數據時，希望其時間差越小越好，最好是同一時刻獲取得到(當然實際是不可能的)。因此，在實際設計中，盡可能地避免干擾，但盡量短時間內獲取完所有的傳感器數據。

2.3 傳感器數據采集

在各個子傳感器模塊和傳感器數據獲取線程中實現傳感器數據采集功能，即通過統一的通信協議逐個對各種傳感器獲取數據的過程。從傳感器運行調度功能中可知，各種傳感器本身外形尺寸、輸出形式及通信協議均不統一，因此需要為所有傳感器和設備向外發送數據設計統一的軟件通信協議。子傳感器在對形式各樣的傳感器數據進行重新封裝后，接受主控單元的請求完成數據的采集。

通信方式采用通用RS485總線式通信協議，所有傳感器子模塊均連接到同一條總線上。RS485采用差分信號傳輸，抗干擾能力強，由主控單元主動下發指令獲取傳感器數據。主控單元下發的命令格式如表2所示。子傳感器上報的幀格式如表3所示。

表2 主控單元下發的幀格式

表3 子傳感器上報的幀格式

3 標準化接口設計

針對氣體類傳感器尺寸比較接近的現狀，考慮終端部署現場，受光線和部署位置的影響，同時氣體類傳感器存在有效期問題，為便于更換，本文設計了一種“盲插”結構。

如圖5所示，PCB板設計為1/4缺口圓，將9個插針孔引腳分布在二、三和四象限，插針直接固定在PCB板上，形成公頭。

圖5 1/4缺口圓PCB板

子傳感器模塊結構上搭配的滑槽結構如圖6所示。拔插時，只需將子傳感器模塊插入下方的卡座中，通過旋轉模塊，當滑槽結構對準時，內置的9個引腳即對準，直接插入即可完成安裝。

圖6 “盲插”滑槽結構

4 結構設計

考慮終端主要應用環境是在地鐵、隧道等地下環境中，振動、噪聲、粉塵、甚至漏水等破壞性因素較多，工作環境惡劣，因此對產品的環境適應性要求也更嚴苛。同時，本產品還可以擴展推廣到智慧城市、智慧環保、智慧農業等領域。因此，針對一體化監測設備預計所面臨的環境(如雨水、粉塵、高溫、嚴寒、雷擊、冰雹等氣候環境、振動等機械環境及腐蝕等生物環境)作用，提出了以下復雜環境適應性加固技術：

1) 一體化監測設備機身采用增強型ABS塑料(其中，A為丙烯腈， B為丁二烯，S為苯乙烯三元聚合物)，該材料具有堅固、抗腐蝕、輕巧等特點，能增強對設備在腐蝕、冰雹等環境作用下的適應能力。

2) 設備內部和連接器上使用可阻擋沙塵、水的密封系統。

3) 考慮內部內置大量氣體傳感器，在防水防塵的同時又不能阻隔待測氣體的進出，因此將終端底部密集做孔，增加進氣通道。

4) 加速生命周期測試，確保設備能夠承受溫度和震動的極端變化。

通過以上幾點加固技術，能滿足對一體化監測設備環境適應性的要求，提高了設備的整體可靠性。圖7為加固式結構設計。

圖7 加固式結構設計

5 實驗結果與現場示范

圖8為地鐵示范點實拍圖。圖9為數據展示頁面。

圖8 地鐵示范點

圖9 云平臺展示頁面

從部署情況來看，在數據可靠性方面，所有傳感器參數均通過了第三方權威機構進行測試，達到預期目標。數據穩定性方面，自主無任何干預下，穩定上報11種傳感器5個月數據，數據丟包率為2.51%。目前上報周期為10 min，每天上報144條數據，即每天平均丟失約3.6條數據。考慮數據通信鏈路穩定性等問題，數據穩定性符合預期。

6 結束語

本文設計了一個應用于地下基礎設施復雜環境下多參數傳感器數據采集、處理和上報的監測終端。通過設計統一的通信協議，將所有的子傳感器進行統一封裝，基于RT-Thread設計系統框架，以及搭配“盲插”式結構，可以實現傳感器的即插即用，隨時拓展。通過實際的地鐵現場示范應用，驗證了設備的可靠性和穩定性。今后，我們將在多參數的傳感器數據分析和融合方面繼續展開研究。