隧道防護門安全監測技術研究及應用

周奇才 屈先亮 熊肖磊 趙 炯

同濟大學機械與能源工程學院 上海 201804

0 引言

隨著我國鐵路網絡的發展，鐵路隧道里程增長迅速，隧道的安全要求得到了越來越多的關注。為了保障隧道安全，隧道內配置了緊急救援站、避難所、緊急出口、橫通道、疏散通道等土建設施[2]，這些設施與隧道內之間設置了防護門，來保護隧道內的設備和起到安全隔離防護的作用。但是，受到列車經過時產生的活塞風的風壓的影響，防護門有可能產生門體脫落、門體變形、門軸斷裂、門體的鎖具變形等故障，影響隧道洞室內部電力、通信等設備的安全，門體脫落并且倒向軌道一側，還會極大影響隧道內的行車安全。圖1所示為隧道內防護門脫落現象。

圖1 防護門門體脫落照片

為保障防護門安全，目前提出的方式有人工巡檢、微結構光纖探測[3]、基于ZigBee的鐵路隧道防護門監控[4]等。人工巡檢方式是通過工人定期進入隧道逐個檢查門體狀況，人工巡檢一方面巡檢難度大效率低下，另一方面人工巡檢無法檢測到可能出現的隱患，例如在活塞風的影響下門體可能出現的異常姿態變化；基于微結構光纖分布式傳感技術能夠感知門體的形變、振動等物理參數，但需要現場鋪設光纖，具有一定的成本和難度；基于ZigBee的防護門監控技術能夠實現隧道內防護門監控單元之間靈活組網，實現隧道內多扇防護門數據無線傳輸，但傳輸速率較低，只能傳輸一些門體開關量信息等少量數據信息。

針對目前防護門監控存在的安全監測技術的需求和不足，本文設計了一套基于MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）協議的隧道防護門安全監測系統。隧道內的每個防護門都安裝一套采集終端，以采集門體的姿態、振動、風壓、溫度等相關信息，每套采集終端采集的數據經過預處理，而且每個防護門有自己的門體標識信息，將所有信息打包并通過MQTT協議傳輸到代理服務器，網頁端從服務器訂閱防護門主題的數據，展示不同隧道內所有防護門的狀態信息。

1 隧道防護門安全監測系統架構設計

針對隧道防護門的安全監測需求，隧道防護門安全監測系統的架構如圖2所示。該系統由采集終端采集數據、MQTT數據傳輸、云端存儲和處理數據并展示3部分。

圖2 隧道防護門安全監測系統架構

采集終端部分負責隧道內每個防護門的數據采集，利用閾值處理判斷門體是否開閉、判斷列車是否到來，然后采集風壓數據，判斷MEMS傳感器每一包的包頭數據并解析出想要的門體數據信息。通常情況下，每一個隧道有多個防護門，在需要監測的每個防護門上安裝一個采集終端。將每個防護門自定義配置其唯一的客戶端ID，用于區分和定位隧道內的防護門。將傳感器采集到的數據進行解析和處理，然后將不同類型的傳感器傳來的數據臨時存儲，以便進行下一步數據打包和發送。

MQTT傳輸部分的監控系統數據傳輸采用MQTT傳輸協議，MQTT傳輸協議為即時通訊協議，它是一種輕量級消息傳遞協議，通常與基于服務器的發布-訂閱模式一起使用，在TCP/IP之上運行。在發布-訂閱模式中，發布消息的客戶端與其他的一個或多個接收消息的客戶端分離，客戶端可以發布特定主題的消息，且只有訂閱了該主題的客戶才能接收到已發布的消息。

發布次訂閱模式需要代理服務器，所有客戶端與代理服務器連接。通過服務器發送消息的客戶端稱為發布者，在服務器上訂閱特定主題的客戶端稱為訂閱者。服務器過濾傳入的消息，將其分發給該消息主題的訂閱者，發布者和訂閱者都需要與代理服務器連接。由于隧道內有多個防護門，且需要監測的隧道也可能有多段，故使用MQTT協議傳輸數據具有一定的優勢。

預處理后的數據通過MQTT協議發送到MQTT代理服務器。在完成客戶端配置后，為了方便網頁端從服務器中取出數據并處理和展示，MQTT傳輸的每包消息轉換成JSON格式。JSON（JavaScript Object Notation，JS對象簡譜）是一種輕量級的數據交換格式，它基于ECMAScript （歐洲計算機協會制定的JS規范）的一個子集，采用完全獨立于編程語言的文本格式來存儲和表示數據。簡潔和清晰的層次結構使JSON成為理想的數據交換語言，易于人閱讀和編寫，同時也易于機器解析和生成，并有效地提升網絡傳輸效率，通常用于網站上表示和傳輸數據。在本系統中，采集端采集完數據上傳到MQTT服務器，客戶端訂閱相應數據并展示在網頁上，使用JSON格式便于終端編碼以及網頁端的解碼，同時可讀性較強。

云端部分在代理服務器接收到數據后將數據取出存儲在數據庫中，并將數據進一步處理，網頁端訂閱以防護門為主題的數據，最后將處理后的數據展示到前端頁面。

2 數據采集終端設計

2.1 系統組成

數據采集終端系統的組成如圖3所示。針對防護門數據采集需求，要采集門體的振動、姿態、溫度、風壓數據，需要分別配置相應傳感器終端。

圖3 數據采集終端系統組成

采集終端由采集卡，MEMS傳感器、溫度傳感器、風壓傳感器、WiFi模塊組成。MEMS傳感器能夠采集門體的三軸姿態、三軸加速度和三軸磁場數據；溫度傳感器采集門體附近的空間溫度；風壓傳感器采集列車到來時的風壓，模擬量數據需要經過采集卡進行AD轉換之后轉換成數字量數據。整個采集終端由5V直流供電。

2.2 硬件設計

采集卡采用了某公司推出的一款32位高性能微控制器STM32F407ZGT6，該控制器采用Cortex-M4內核，集成了豐富的接口資源和外設。該產品主頻最高可達168 MHz，支持多種工作模式，集成了1 MB的Flash和192 KB的SRAM，且接口資源豐富，包括SPI、I2C、USART，集成了12位的ADC和12位DAC，支持高級定時器和用于精確時間測量的SysTick定時器。

WiFi模塊采用了ESP-01S模塊，ESP-01S模塊是WiFi模塊，其核心處理器ESP8266在較小尺寸封裝中集成了業界領先的TensilicaL106超低功耗的32位微型MCU，帶有16位精簡模式，主頻支持80 MHz和160 MHz，支持RTOS，集成WiFi MAC/BB/RF/LNA。支持UART/GPIO/PWM接口，支持STA/AP/STA+AP工作模式，燒寫MQTT固件后還可通過AT指令完成MQTT協議的實現。ESP-01S模塊通過UART與采集卡通訊。本系統中使用燒寫了MQTT固件的ESP模塊實現MQTT協議的傳輸。

MEMS傳感器采用維特智能姿態傳感器HWT906，HWT906姿態傳感器是基于MEMS技術的高性能三維運動姿態測量系統，包括三軸陀螺儀、三軸加速度計、三軸電子羅盤等運動傳感器，MEMS傳感器與采集卡通過UART通訊。HWT906姿態傳感器具備基于Kalman濾波原理的傳感器融合算法，可以實時提供高達1000 Hz更新速率的數據，且輸出速率0.2～1 000 Hz可調節，支持串口速率4 800～921 600 bps可調節。

溫度傳感器采用DHT11，DHT11數字溫濕度傳感器是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器，內部由一個8位單片機控制一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件。DHT11采用單總線協議，其溫度測量范圍為0℃～50℃，誤差在±2℃。

風壓傳感器選擇榮光儀表生產的HALO-FY-WG型風壓傳感器，此前測得當列車以350 km/h速度經過的情況下隧道防護門所承受的風壓最大值約為±6 kPa，所選用的HALO-FY-WG型風壓傳感器量程為-10～10 kPa，滿足風壓測量需求。三線制電壓輸出，5 V供電模塊采用某司開關電源220 V轉5 V，輸入電壓110/220 VAC，單組輸出，輸出功率35 W。

2.3 軟件設計

采集終端的程序設計流程如圖4所示。系統上電后，首先完成系統時鐘初始化以及中斷優先級分組，由于采集卡接有不同的傳感器，數據到來時候需要根據傳感器采集數據的重要性設置中斷優先級分組。搶占優先級的級別高于響應優先級，而數值越小所代表的優先級越高。STM32有5個中斷分組，并由相應的寄存器SCBAIRCR的位10-8控制，分配關系如表1所示。

圖4 采集終端程序設計流程

采用中斷分組2的方式設置中斷優先級，將門體開閉設置為最高優先級0，門體振動加速度、姿態、風壓、溫度數據到來觸發的中斷設置為較低的相同優先級的中斷，根據中斷優先級和各中斷到達的時間處理每種數據。并在中斷中處理和解析MEMS傳感器傳來的數據，然后臨時存儲到數組中。

繼續完成與傳感器通信的硬件接口的初始化，采集卡給MEMS傳感器模塊發送一定協議格式的指令（見表2），完成MEMS傳感器的加速度校準以及磁場校準等初始化工作。MEMS傳感器初始化指令格式為5個十六進制字符，采集卡通過串口給MEMS傳感器發送的所有指令要在10 s內完成，否則傳感器會自動上鎖。

表2 MEMS傳感器配置指令

接下來給WiFi模塊發送AT指令，配置MQTT協議相關內容。配置完成之后等待傳感器發送數據，每種類型的傳感器發送到采集端之后會產生中斷，根據不同類型傳感器觸發的中斷設置對應的優先級的高低以及信息到來先后對數據進行處理，將傳感器發送的數據解析后，將所有數據打包成JSON格式后再發送到MQTT代理服務器。

3 監測系統數據傳輸

采集卡通過給esp01模塊發送AT指令實現MQTT協議的配置，配置流程如圖5所示。首先，將WiFi模塊退出透傳模式，然后配置為STA（Station）模式，然后檢索是否有相應的WiFi名稱并連接局域網，接著設置模塊單連接模式、配置防護門采集端的客戶端的用戶信息，包括用戶ID、賬號、密碼等，最后連接MQTT服務器。AT指令發送順序如表3所示。

表3 AT指令發送順序

圖5 WiFi模塊配置流程

圖6 數據采集盒照片

其中，配置客戶端參數具體配置為：“AT+MQTTUSERCFG=0，1，clientid，，，0，0”，客戶端ID初始設置為Clientid，MQTT代理服務器的用戶名和用戶密碼都設置為空，故客戶端設置的用戶名和密碼都為空。連接服務器的參數配置為：“AT+MQTTCONN=0，域名，端口，0”，填入服務器的域名或IP地址以及端口號，即可連接MQTT服務器。在本系統中，利用已經搭建好的MQTT代理服務器，已知其域名和開放的端口。esp01模塊接收的每條AT指令配置之后都會返回一條指令配置狀態，配置成功返回OK字符，配置失敗返回ERROR字符。MQTT協議配置完成之后，通過AT+MQTTPUB指令發布MQTT消息。

為了能清楚展示不同防護門之間的信息，每個防護門傳輸的JSON數據包需要加一些標識符，每個防護門發送的JSON數據包內容格式如表4所示。每一個JSON數據包具有多個定義字段和值，能夠展示防護門的數據信息和自身的身份信息。

表4 JSON數據包內容

4 監測數據應用

將數據發送到代理服務器之后，從服務器中取出數據并將相關數據進一步處理并展示到網頁端來顯示門體的狀態信息。

為了測試整套系統的可行性，首先設計了一款采集盒，根據采集卡和傳感器的大小以及傳感器固定孔位距離，在采集盒底部鋪設了一塊孔位定制的亞克力板，將MEMS傳感器與亞克力板上的孔位對應固定，然后將采集盒安裝到門體上進行測試。通過敲擊門體和旋轉門體，測試門體的振動數據和姿態數據能否傳輸到云端并展示到網頁端。

通過測試門體開閉以及敲擊門體，網頁端能夠實時響應到門體的狀態變化并顯示出來，測試和展示的效果如圖7所示。驗證了采集終端的可行性。

圖7 防護門信息網頁端展示

5 結語

針對列車經過產生的活塞風風壓下，鐵路隧道防護門可能出現的隱患，本文提出了一種隧道防護門安全監測系統。整套的隧道防護門智能安全監測系統可以實現對隧道防護門開閉、振動、姿態、溫度狀態信息的監測，傳輸的數據量信息較多，對隧道內防護門的安全隱患能起到預警作用，同時該系統具有一定的可擴展性，能通過配置采集卡GPIO能夠添加多種類型的傳感器，可根據后續的需求進行傳感器的添加。為目前隧道防護門安全監測提供了一種新的方式。