軌道交通隧道智能環(huán)境綜合監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計王恩鴻;李立明;黃建坊【摘要】地鐵隧道是城市軌道交通地下運(yùn)行的主體環(huán)境，但隧道內(nèi)的溫度、濕度、可燃?xì)怏w濃度(體積分?jǐn)?shù)，全文同)等綜合環(huán)境指標(biāo)往往易被人們忽視.針對地鐵隧道,設(shè)計城市軌道交通智能環(huán)境綜合監(jiān)測系統(tǒng)對隧道環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測.采用無線多節(jié)點(diǎn)采集環(huán)境信息，節(jié)點(diǎn)采用STM32單片機(jī)控制，節(jié)點(diǎn)之間通過組網(wǎng)連接，可自由安裝.每個節(jié)點(diǎn)帶溫濕度傳感器、有害氣體傳感器、光學(xué)煙霧傳感器等.每個節(jié)點(diǎn)布置一臺數(shù)據(jù)接收器，收集所有節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)并且處理顯示.數(shù)據(jù)中心處理器由STM32芯片進(jìn)行控制，通過單獨(dú)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行集中運(yùn)算處理.【期刊名稱】《上海工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報》【年(卷)，期】2016(030)002【總頁數(shù)】6頁(P143-148)【關(guān)鍵詞】隧道安全;多節(jié)點(diǎn)采集系統(tǒng);智能監(jiān)控【作者】王恩鴻;李立明;黃建坊【作者單位】上海工程技術(shù)大學(xué)城市軌道交通學(xué)院，上海201620;上海工程技術(shù)大學(xué)城市軌道交通學(xué)院，上海201620;上海工程技術(shù)大學(xué)城市軌道交通學(xué)院，上海201620【正文語種】中文【中圖分類】X821城市軌道交通系統(tǒng)作為一種快速安全的交通方式越來越被廣大都市居民認(rèn)可，而地鐵在地下隧道內(nèi)的運(yùn)行線路占總長的2/3,地鐵隧道成為列車運(yùn)行主要環(huán)境,地鐵隧道內(nèi)的環(huán)境因素影響列車在隧道內(nèi)的運(yùn)行安全.本文針對上海地鐵隧道綜合環(huán)境進(jìn)行研究，設(shè)計城市軌道交通隧道的智能環(huán)境綜合監(jiān)測系統(tǒng).1.1隧道環(huán)境概況隧道的固有環(huán)境因素在于其自身封閉的建筑結(jié)構(gòu).隧道內(nèi)地質(zhì)水文復(fù)雜，通風(fēng)排水設(shè)備不完善，這種地鐵隧道內(nèi)環(huán)境對鋪設(shè)在其中的鋼軌及配件的影響是長期的.現(xiàn)有研究表明，隧道內(nèi)的主要?dú)怏w有氮?dú)?8%、氧氣15%、二氧化碳1.5%、可燃?xì)怏w0.28%，隧道內(nèi)的有害氣體濃度（體積分?jǐn)?shù)，全文同）與列車經(jīng)過隧道的通過率成正相關(guān).針對上海地鐵隧道環(huán)境狀況進(jìn)行實(shí)地調(diào)研，結(jié)果顯示，上海地鐵隧道的內(nèi)環(huán)境中氮?dú)?9%、二氧化碳0.8%、可燃性氣體0.12%,氣體分布溫濕度不均勻，隧道內(nèi)環(huán)境差別較大.1.2隧道環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測設(shè)備作為城市的主要交通方式，城市軌道交通具有運(yùn)載量大、安全準(zhǔn)點(diǎn)、能源清潔、節(jié)約能源和用地等特點(diǎn).但是地鐵隧道內(nèi)部的環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測卻沒有完整的解決方案，對列車在隧道內(nèi)的運(yùn)行環(huán)境研究較少，現(xiàn)在的一些設(shè)備不能實(shí)時監(jiān)測到隧道內(nèi)的環(huán)境，針對隧道環(huán)境監(jiān)測研究數(shù)據(jù)較為缺乏.為了實(shí)現(xiàn)對隧道區(qū)段的運(yùn)行環(huán)境的掌握，應(yīng)設(shè)置隧道配備完善的環(huán)境參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)得到相應(yīng)的環(huán)境數(shù)據(jù)，如溫度、濕度、二氧化碳、氧氣、可燃性氣體、PM等.本文設(shè)計的空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用在地下隧道的復(fù)雜環(huán)境中，能夠自主進(jìn)入低功耗智能調(diào)節(jié)模式,自動組網(wǎng)連接，對隧道內(nèi)的二氧化碳、可燃性氣體等進(jìn)行實(shí)時采集傳輸，面對突發(fā)的變化傳感器能實(shí)時作出反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對地下隧道區(qū)段氣體環(huán)境的監(jiān)測.2.1隧道環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)城市軌道交通隧道環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)包括外部環(huán)境采集模塊、串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)發(fā)送端、數(shù)據(jù)接收端、數(shù)據(jù)顯示界面與PC機(jī).每個節(jié)點(diǎn)復(fù)位開機(jī)后,自主進(jìn)行配對搜索環(huán)境中ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行節(jié)點(diǎn)間的握手通信,自動組建傳感器子網(wǎng)絡(luò)，連接成功后聯(lián)網(wǎng)指示燈亮，傳送數(shù)據(jù)成功后接收指示燈亮.當(dāng)整個系統(tǒng)啟動后，放置在各個節(jié)點(diǎn)的設(shè)備開始采集外界環(huán)境參數(shù)，在接收到發(fā)送數(shù)據(jù)命令后，將數(shù)據(jù)傳送至區(qū)域控制模塊，接收處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析，之后判斷區(qū)間的環(huán)境質(zhì)量,對環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行相關(guān)的評估，最后通過控制報警器等相關(guān)設(shè)備，將系統(tǒng)連接到各個節(jié)點(diǎn)進(jìn)行相互通信.方便在車站的控制中心隨時隨地用便攜式聯(lián)網(wǎng)設(shè)備對隧道環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測，連接站臺路由器查看當(dāng)前隧道內(nèi)空氣環(huán)境質(zhì)量狀況，對可能出現(xiàn)的突發(fā)狀況進(jìn)行監(jiān)控預(yù)警，使調(diào)度員對列車運(yùn)行作出相應(yīng)調(diào)整.2.2隧道環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)采集節(jié)點(diǎn)設(shè)計2.2.1無線節(jié)點(diǎn)模塊2.4GHzZigBee配置為了適用于采集隧道的環(huán)境，采用無線多個節(jié)點(diǎn)采集隧道環(huán)境信息.Cortex-M3由于高效性與穩(wěn)定性，可在各種工業(yè)控制領(lǐng)域應(yīng)用，能應(yīng)對各種復(fù)雜的環(huán)境，對外部變化引起的干擾較小.本文節(jié)點(diǎn)采集主板采用以Cortex-M3為內(nèi)核、以STM32為核心的芯片做主控制芯片.由于〃增強(qiáng)型”系列時鐘頻率達(dá)72MHz,是同類產(chǎn)品中性能最高的產(chǎn)品.本文采用STM32F103C8T6芯片.圖1為STM32驅(qū)動電路為內(nèi)核，圖2為耦合電路圖.它的外卜部驅(qū)動由5個0.1代去電源耦濾波電容、2個22pF的濾波電容和1個時鐘頻率為8MHz的石英晶振組成，當(dāng)接通3.3V電源的時候晶振啟動振蕩電路,STM32隨著外部的時鐘一起振蕩振蕩的頻率與時鐘頻率相同.圖3為AltiumDesigner繪制的STM32F103C8T6的核心板.在復(fù)雜惡劣的環(huán)境中能穩(wěn)定發(fā)揮各個模塊的優(yōu)勢,可以根據(jù)隧道內(nèi)的環(huán)境來布置采集節(jié)點(diǎn)的位置，每段隧道內(nèi)的節(jié)點(diǎn)數(shù)一定，使采集的信息更標(biāo)準(zhǔn)化.通過STM32芯片內(nèi)部數(shù)字轉(zhuǎn)換(ADC)模塊功能用以采集由有害氣體傳感器、光學(xué)煙霧傳感器、溫濕度傳感器的壓電信號轉(zhuǎn)化的便于傳輸?shù)臄?shù)字信號.以DTH11所對應(yīng)接口方式的單總線數(shù)字協(xié)議配置芯片，讀取DHT11的溫濕度信號.將采集到的數(shù)據(jù)用一個數(shù)組保存，然后通過ZigBee芯片，采用TI德州儀器的CC2530芯片,將數(shù)組發(fā)送到數(shù)據(jù)中心進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理.圖4為CC2530的夕卜部驅(qū)動電路圖，它需要1個外部晶振和2個去耦電容以16MHz的頻率下工作產(chǎn)生2.4GHz的通信信息，接收和發(fā)送傳輸數(shù)據(jù).CC2530結(jié)合了射頻電流(RF)收發(fā)器的優(yōu)良性能，單片機(jī)采集到環(huán)境傳感器數(shù)據(jù)后,通過串口協(xié)議與CC2530芯片進(jìn)行聯(lián)機(jī)通信.ZigBee模塊開機(jī)后搜索附近模塊自動組網(wǎng)連接，每個節(jié)點(diǎn)的ZigBee模塊設(shè)置為路由功能既可以發(fā)送本節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，也可以作為橋接節(jié)點(diǎn)使用,節(jié)點(diǎn)布局靈活，不受軌道交通地下復(fù)雜站臺地形影響.每個站臺布置一個數(shù)據(jù)處理中心，該中心節(jié)點(diǎn)ZigBee模塊設(shè)置為協(xié)調(diào)器，所有節(jié)點(diǎn)采集到數(shù)據(jù)后發(fā)送到協(xié)調(diào)器地址.ZigBee芯片軟件系統(tǒng)基于TIZStack-CC2530-2.5.1a版本協(xié)議，該協(xié)議棧采用事件輪詢機(jī)制,并且?guī)в械凸哪Ｊ?，非常適用于本監(jiān)測系統(tǒng).在節(jié)點(diǎn)附近產(chǎn)生空氣流動,采集到準(zhǔn)確的空氣環(huán)境信息.每個節(jié)點(diǎn)由有害氣體感器、煙霧傳感器以及PM傳感器輸出模擬信號，采用芯片內(nèi)部的ADC12位的精度轉(zhuǎn)化方式.溫濕度傳感器為數(shù)字信號器件，對傳感器供電后直接通過協(xié)議，采用單片機(jī)引腳連接采集，溫濕度傳感器為單總線數(shù)字傳輸方式.MQ-2有害氣體傳感器配置本項目采用MQ-2氣體煙霧傳感器進(jìn)行有害氣體的檢測.MQ-2氣體煙霧傳感器對液化氣、丙烷、氫氣的靈敏度高,對天然氣和其他可燃蒸汽的檢測也很理想.當(dāng)煙霧傳感器所處環(huán)境中存在可燃?xì)怏w時，煙霧傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中可燃?xì)怏w濃度(體積濃渡，下同)增加而增大.使用簡單的電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對應(yīng)的輸出信號.圖5為MQ-2的驅(qū)動電路圖.將MQ-2的4、5、6等3個引腳接入電源,2腳接地,1腳和3腳接電阻,MQ-2的電導(dǎo)率隨著氣體濃度的增大而增大，由于電阻是電導(dǎo)率的倒數(shù)，電阻隨氣體濃度增大而減小，所以根據(jù)相對電阻的變化，通過STM32AD模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)對可燃?xì)怏w的量的監(jiān)控.GP2Y1010粉塵傳感器配置粉塵顆粒監(jiān)測是現(xiàn)行環(huán)境系統(tǒng)分析評估中的重要參數(shù)，光學(xué)粉塵煙霧夏普傳感器(GP2Y1010AU0F)是基于光電學(xué)原理對空氣質(zhì)量進(jìn)行測量的傳感器，用來感應(yīng)空氣中極小的粉塵顆粒，其內(nèi)部對角安裝著紅外線發(fā)光二極管和光電晶體管，使其能夠探測到粉塵顆粒反射光.不同的光強(qiáng)二極管產(chǎn)生不同的電壓信號.圖6為GP2Y1010AU0F驅(qū)動電路原理圖.通過電容的濾波和電阻的分壓作用，進(jìn)行壓電信號采集，然后通過程序中的轉(zhuǎn)化公式得出其變化數(shù)據(jù).轉(zhuǎn)化公式為通過內(nèi)部成一定角度對通過小孔煙霧進(jìn)行反光和采集,對比當(dāng)遇到不同濃度煙霧時產(chǎn)生波形的差異，計算煙霧濃度.圖7為PM2.5采集圖.極其細(xì)小的顆粒反射光也能夠透過變化的光電管采用ADC進(jìn)行采集.這款傳感器具有低功耗的特點(diǎn)同時能夠在高達(dá)7V的直流電壓下啟動.傳感器的模擬輸出電壓與灰塵顆粒密度成正比，精度為在0.5V的變化范圍為可檢測到0.1mg/m3的變化量.該傳感器體積很小、質(zhì)量輕，便于安裝，可應(yīng)用于各種小型煙霧監(jiān)測的設(shè)備中.DTH11復(fù)合式溫濕度傳感器配置復(fù)合數(shù)字式溫濕度傳感器DHT11含有已校準(zhǔn)數(shù)字符串信號，通過4個端口進(jìn)行信息采集，電源引腳、地引腳、數(shù)字輸出總線、輸出溫濕度數(shù)字式數(shù)據(jù)，該傳感器具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價比高等優(yōu)點(diǎn)，在各種苛刻、復(fù)雜的應(yīng)用場合中成為最佳的選擇.圖8為DTH11的電路驅(qū)動原理圖,電源供電通過STM32的PC12引腳進(jìn)行數(shù)據(jù)采集.—次通信時間為4ms左右，數(shù)據(jù)分小數(shù)部分和整數(shù)部分，當(dāng)前小數(shù)部分用于以后擴(kuò)展現(xiàn)讀出為零.圖9為DTH11控制信號.采集節(jié)點(diǎn)的STM32芯片的弓I腳釋放一次開始信號后,配置使DHT11從低功耗模式轉(zhuǎn)換到高速模式，等待主機(jī)開始信號結(jié)束后,DHT11發(fā)送響應(yīng)信號，送出40bit的數(shù)據(jù)，并觸發(fā)一次信號采集，用戶可選擇讀取部分?jǐn)?shù)據(jù).DHT11接收到開始信號觸發(fā)一次溫濕度采集,如果沒有接收到主機(jī)發(fā)送開始信號,DHT11不會主動進(jìn)行溫濕度采集.采集數(shù)據(jù)后轉(zhuǎn)換到低速模式.當(dāng)開始讀數(shù)據(jù)的時候程序?qū)Σ杉瘮?shù)值進(jìn)行比對看所得到的數(shù)據(jù)是否符合要求，若不符合要求則重新采集,并通過ZigBee進(jìn)行發(fā)送，不斷刷新所采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到顯示端，使采集信號具備有效性和標(biāo)準(zhǔn)性.圖10為用Altium畫的節(jié)點(diǎn)PCB工程圖.圖中擺放了4個MQ系列傳感器，分別設(shè)置在圓形PCB的周圍，中間為一個半徑為50mm的過孔，為了安放直徑65mm的風(fēng)扇，左邊過孔條狀的是用來卡住GP2Y1010把核心放在中間正下方使得整個節(jié)點(diǎn)在被測環(huán)境中能夠采集到更加精確的環(huán)境數(shù)據(jù).本系統(tǒng)包括采集節(jié)點(diǎn)和顯示部分程序設(shè)計，在KEIL中采用C語言對它進(jìn)行編寫流程，如圖11所示.將傳感器采集得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行一個串行方式傳送到發(fā)送節(jié)點(diǎn)ZigBee發(fā)送端，通過采用TI德州儀器提供的協(xié)議棧ZigBee節(jié)點(diǎn)進(jìn)行配置，節(jié)點(diǎn)ZigBee模塊配置為路由器模式，既能發(fā)送當(dāng)前數(shù)據(jù)也能作為路由.運(yùn)用編碼的方式將信息進(jìn)行打包處理，每個數(shù)據(jù)包中含有將要發(fā)出節(jié)點(diǎn)號、傳感器編號、壓電信息量，在2.4GHz的頻段內(nèi)進(jìn)行發(fā)送與接收,每次發(fā)送固定字節(jié)數(shù)，發(fā)送端將會接收到一個相對應(yīng)的應(yīng)答信號，這是一種單一的方式，一個路由器對應(yīng)一個協(xié)調(diào)器，通過對其進(jìn)行選擇控制，實(shí)現(xiàn)—個路由器對多個協(xié)調(diào)器的轉(zhuǎn)換，達(dá)到通信要求.通過各種采集傳感器采集到的壓電、數(shù)字轉(zhuǎn)化處理,對環(huán)境進(jìn)行智能監(jiān)控，并將ZigBee組成無線通信網(wǎng)數(shù)據(jù)集中到STM32芯片上，對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行集中處理,通過這樣的物聯(lián)方式，可以把機(jī)器與各個事物聯(lián)系在一起組成一張控制網(wǎng),互聯(lián)傳感技術(shù)將控制器、運(yùn)算器、處理器集中為一個控制系統(tǒng)，改善人們的生活和生產(chǎn)環(huán)境.未來傳感器聯(lián)入互聯(lián)網(wǎng)連接是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的必然趨勢，該項目希望通過把傳感器技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、環(huán)境監(jiān)控、清潔能源的利用四者相互結(jié)合，將環(huán)境監(jiān)控問題網(wǎng)絡(luò)化、智能化、現(xiàn)代化，在人們生存環(huán)境的安全方面做出貢獻(xiàn).【相關(guān)文獻(xiàn)】李麗，錢春燕,張海云.上海市軌道交通系統(tǒng)車站空氣質(zhì)量狀況及其影響因素分析[J].環(huán)境與職業(yè)醫(yī)學(xué),2011(4):218.葉曉江，連之偉,蔣淳瀟，等.上海地鐵站臺環(huán)境質(zhì)量分析[J]