緒論1.1研究背景及意義隨著我國軌道交通建設(shè)的發(fā)展，隧道作為軌道交通線路的重要組成部分，隧道內(nèi)的環(huán)境安全穩(wěn)定性將會影響著整個軌道交通線路運營的安全和乘客的生命財產(chǎn)安全。隧道內(nèi)環(huán)境多變、溫濕度浮動、有害氣體、噪聲等潛在危險因素，過高的溫度會導(dǎo)致軌道結(jié)構(gòu)不穩(wěn)，處于惡劣天氣條件下，溫度過高會導(dǎo)致軌道老化嚴(yán)重，有害氣體泄漏可能導(dǎo)致爆炸等事故發(fā)生，所以隧道內(nèi)環(huán)境必須保持安全狀態(tài)。實時監(jiān)控隧道內(nèi)的運行環(huán)境是保障軌道交通線路交通安全運營的保證，傳統(tǒng)的人工檢測效率低、檢測不及時、準(zhǔn)確度高等問題，不能滿足現(xiàn)代軌道交通線路隧道內(nèi)環(huán)境實時準(zhǔn)確檢測，人工檢測在隧道的日常運行中存在很大的工作壓力，且因環(huán)境的多樣性可能導(dǎo)致無法及時發(fā)現(xiàn)存在的安全隱患，因此開發(fā)一種高效、可靠的隧道內(nèi)環(huán)境自動檢測系統(tǒng)對隧道內(nèi)環(huán)境實時、連續(xù)檢測，對環(huán)境異常情況及時反饋，保障隧道的運營安全。系統(tǒng)的深入研究與設(shè)計具有如下的現(xiàn)實意義：軌道交通隧道運行環(huán)境自動檢測系統(tǒng)的研究能為隧道智能監(jiān)控管控提供支撐，且通過實時準(zhǔn)確采集分析隧道環(huán)境參數(shù)能夠及時發(fā)現(xiàn)安全隱患、縮短事故預(yù)防周期，并確保列車行車安全與旅客生命財產(chǎn)安全，還可以為軌道交通安全運營管理提供科學(xué)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，助力運營部門優(yōu)化資源分配、提高管理效率、降低維護(hù)成本，為軌道交通智慧化發(fā)展提供技術(shù)支撐。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀國內(nèi)外有關(guān)軌道交通隧道監(jiān)測研究多采用多技術(shù)結(jié)合、智能化發(fā)展，主要涉及形變監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和安全預(yù)警監(jiān)測等方面。國內(nèi)學(xué)者在監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用與系統(tǒng)集成方面成果顯著，在形變監(jiān)測方面，聶柳等REF_Ref2492\r\h[1]采用SBAS-InSAR技術(shù)結(jié)合幾何配準(zhǔn)與增強譜分集方法，有效提高了數(shù)據(jù)在時間采樣上的分辨率和精度；季美等REF_Ref2537\r\h[2]基于ZigBee和GPRS開發(fā)氣體監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)CO2濃度實時預(yù)警。環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域，賈蕾REF_Ref2560\r\h[3]構(gòu)建了基于遠(yuǎn)程通信的自動化監(jiān)測體系，提升了地鐵隧道監(jiān)測的標(biāo)準(zhǔn)化水平；金彪REF_Ref2661\r\h[4]對地鐵隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性自動化監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行了分析研究；王璽REF_Ref2717\r\h[5]設(shè)計的振動無線監(jiān)測系統(tǒng)中，采用KY-038聲級計模塊與振動傳感器結(jié)合，通過LabVIEW平臺實現(xiàn)噪聲與振動數(shù)據(jù)的同步采集、頻域分析（如FFT變換），預(yù)警減振軌道性能衰減；無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)廣泛應(yīng)用，如王恩鴻等REF_Ref2756\r\h[6]采用無線多節(jié)點采集環(huán)境信息，每個節(jié)點布置一臺數(shù)據(jù)接收器，收集所有節(jié)點數(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，通過單獨采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行集中運算處理；曹喜珠REF_Ref2779\r\h[7]改進(jìn)LEACH-D路由協(xié)議提升能耗均衡性，設(shè)計了將WSN低功耗802.15.4設(shè)備(工作在433MHz頻段)和802.11WiFi設(shè)備(工作在2.4GHz頻段)結(jié)合起來的新型系統(tǒng)，實現(xiàn)了一個能自動監(jiān)測溫濕度、PM2.5、PM10、CO、甲醛等環(huán)境信息的智能化系統(tǒng)，用戶既可在本地監(jiān)測亦可遠(yuǎn)程監(jiān)測，當(dāng)各數(shù)據(jù)超過閾值時通知相應(yīng)部門采取解決措施，能實現(xiàn)對無人值守處環(huán)境的實時監(jiān)測；陳鐿REF_Ref2808\r\h[8]融合433MHz與2.4GHz頻段增強傳輸可靠性，他開發(fā)的實時環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中，集成聲級計與433MHz無線傳輸模塊，實現(xiàn)無人值守隧道的噪聲實時上傳與超標(biāo)報警，結(jié)合GIS地圖展示噪聲分布。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方面，楊健等REF_Ref2939\r\h[9]利用光纖光柵技術(shù)建立信息化系統(tǒng)，張振海REF_Ref2959\r\h[10]結(jié)合ZigBee與GPRS實現(xiàn)多參數(shù)監(jiān)測。近年來，深度學(xué)習(xí)技術(shù)被引入環(huán)境感知，如陸京龍等REF_Ref4347\r\h[11]則整合圖像識別與多傳感器實現(xiàn)隧道病害自動化檢測，Mask-R-CNN網(wǎng)絡(luò)REF_Ref4389\r\h[12]的改進(jìn)使障礙物識別準(zhǔn)確率達(dá)95.56%，徐贊REF_Ref4409\r\h[13]的噪聲監(jiān)測系統(tǒng)中，多節(jié)點同步采集噪聲數(shù)據(jù)，通過時間對齊算法實現(xiàn)聲場分布動態(tài)重建，其實現(xiàn)了對列車內(nèi)噪聲的實時監(jiān)測，具有采樣周期短、數(shù)據(jù)精確度高、數(shù)據(jù)丟失率和延遲率低等優(yōu)勢。國外軌道交通隧道監(jiān)測研究現(xiàn)狀主要集中在自動化監(jiān)測技術(shù)、無線傳感技術(shù)、激光掃描技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展。自動化監(jiān)測系統(tǒng)方面，如英國倫敦地鐵采用ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行隧道安全健康監(jiān)測；日本和加拿大則開發(fā)了基于360°旋轉(zhuǎn)機械臂的半自動化隧道襯砌全景攝像系統(tǒng)，提升了巡檢效率。無線傳感技術(shù)在國外得到了廣泛應(yīng)用，劍橋大學(xué)嘗試將無線傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于倫敦地鐵隧道監(jiān)測，并驗證了其可行性；日本也利用無線射頻技術(shù)提高了隧道監(jiān)測效率。激光掃描技術(shù)在隧道監(jiān)測中占據(jù)重要地位。激光掃描技術(shù)在隧道監(jiān)測中占據(jù)重要地位，例如瑞士TCA2003全站儀被用于實時監(jiān)測地鐵隧道結(jié)構(gòu)和軌道變形，而基于移動激光掃描的隧道監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的位移和截面變形分析。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在隧道監(jiān)測中的應(yīng)用日益成熟，基于物聯(lián)網(wǎng)的自動化監(jiān)測系統(tǒng)集成了高精度傳感器和數(shù)據(jù)分析平臺，實現(xiàn)了對隧道結(jié)構(gòu)位移、裂縫、溫濕度等參數(shù)的實時監(jiān)測。國內(nèi)側(cè)重技術(shù)集成，融合工程應(yīng)用，采用低成本無線通信、嵌入式系統(tǒng)等組網(wǎng)監(jiān)測技術(shù)；國外在新型傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)融合技術(shù)等底層技術(shù)發(fā)展超前。未來應(yīng)加強多源數(shù)據(jù)融合、邊緣計算、人工智能技術(shù)等的應(yīng)用創(chuàng)新，向高精度智能化監(jiān)測體系邁進(jìn)。1.3主要研究內(nèi)容本研究聚焦軌道交通隧道運行環(huán)境智能化監(jiān)測需求，設(shè)計并實現(xiàn)基于STC15W4K32S4單片機的多參數(shù)自動化檢測系統(tǒng)，構(gòu)建以單片機為核心的硬件架構(gòu)，集成DHT11溫濕度傳感器、MQ-4甲烷傳感器及KY-038噪聲傳感器模塊，通過多通道數(shù)據(jù)采集實現(xiàn)隧道環(huán)境溫濕度、甲烷濃度及噪聲強度的實時檢測。研究聲光報警與OLED顯示的人機交互方案，設(shè)計符合要求的報警邏輯，通過無線通信模塊實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸，優(yōu)化系統(tǒng)低功耗控制策略，利用STC15的休眠模式降低能耗，提升設(shè)備在無持續(xù)供電場景下的續(xù)航能力以及搭建實驗平臺驗證系統(tǒng)性能，研究成果為軌道交通隧道安全運維提供了高效、低成本的智能化解決方案。2系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計2.1功能需求分析設(shè)計并實現(xiàn)一套基于STC15W4K32S4控制器的軌道交通隧道環(huán)境自動檢測系統(tǒng)，實時監(jiān)測溫濕度、有害氣體濃度及噪聲強度，具備多數(shù)據(jù)采集及處理、遠(yuǎn)程傳輸及人機交互與超限報警功能，滿足軌道交通隧道環(huán)境的可靠性、穩(wěn)定性及抗干擾需求?；赟TC15W4K32S4單片機設(shè)計，面向軌道交通隧道環(huán)境監(jiān)測需求，通過集成DHT11、MQ-4及KY-038傳感器實現(xiàn)多參數(shù)實時采集，結(jié)合OLED液晶屏動態(tài)顯示數(shù)據(jù)（支持K1按鍵切換“實時模式→閾值設(shè)置”界面）與K2/K3按鍵調(diào)節(jié)四類參數(shù)閾值（溫度/濕度/氣體/噪聲），當(dāng)檢測值超限時觸發(fā)蜂鳴器和LED報警，并通過UART串口上傳數(shù)據(jù)至遠(yuǎn)程平臺，預(yù)留接口擴展能力，形成集高精度監(jiān)測、實時報警、遠(yuǎn)程通信與模塊化擴展于一體的隧道環(huán)境安全保障系統(tǒng)。數(shù)據(jù)流向示意圖如圖1所示。圖1數(shù)據(jù)流向示意圖2.2系統(tǒng)總體設(shè)計方案系統(tǒng)采用“終端-節(jié)點”的星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中控制中心作為數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點，通過WiFi通信網(wǎng)絡(luò)與多個檢測節(jié)點（節(jié)點1至節(jié)點n）建立無線連接。每個檢測節(jié)點由傳感器模塊、單片機和WiFi模塊構(gòu)成標(biāo)準(zhǔn)化單元，傳感器模塊負(fù)責(zé)采集環(huán)境參數(shù)（如溫濕度/氣體濃度），單片機進(jìn)行本地數(shù)據(jù)處理和閾值判斷，最終通過內(nèi)置WiFi模塊將預(yù)處理數(shù)據(jù)上傳至控制中心。所有節(jié)點共享同一無線網(wǎng)絡(luò)頻段，采用時分或頻分多址技術(shù)避免通信沖突，控制中心通過輪詢或事件觸發(fā)機制協(xié)調(diào)各節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸。這種模塊化設(shè)計既保證單個節(jié)點的獨立性（任一節(jié)點故障不影響系統(tǒng)整體運行），又通過統(tǒng)一的通信協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化集成，最終在控制中心形成完整的隧道環(huán)境態(tài)勢感知。多節(jié)點環(huán)境參數(shù)檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。圖2多節(jié)點環(huán)境參數(shù)檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖本系統(tǒng)總體設(shè)計方案采用模塊式的設(shè)計思路，通過有效的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸和報警實現(xiàn)對隧道環(huán)境的實時安全監(jiān)測，系統(tǒng)總體設(shè)計由5個模塊組成：電源模塊、主控模塊、傳感器模塊、顯示報警模塊、通信模塊，各個模塊功能明確，通過合理有效的電路設(shè)計及通信協(xié)議合理地完成數(shù)據(jù)傳輸，從而實現(xiàn)對隧道環(huán)境的實時監(jiān)測。在設(shè)計過程中，電源模塊是系統(tǒng)的核心支撐，其作用涵蓋了能量供給、穩(wěn)定性保障、安全防護(hù)等，直接影響監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性、設(shè)備壽命及運維成本，通過精準(zhǔn)供電、抗干擾設(shè)計與能效優(yōu)化，不僅保障了溫濕度、氣體濃度、噪聲等參數(shù)的實時采集與傳輸，更通過安全機制與環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計，使系統(tǒng)能夠在隧道復(fù)雜工況下穩(wěn)定運行，為軌道交通智能化監(jiān)測提供底層支撐。主控模塊是整個系統(tǒng)的大腦，負(fù)責(zé)各個模塊的協(xié)調(diào)工作，主控芯片STC15W4K32S4是整個系統(tǒng)的大腦，接收傳感模塊發(fā)送過來的環(huán)境數(shù)據(jù)信息，負(fù)責(zé)與顯示與報警模塊、遠(yuǎn)程通信模塊進(jìn)行信息的交換處理，在有效控制方法的指導(dǎo)下，實現(xiàn)多個任務(wù)的同時執(zhí)行，控制所有模塊協(xié)調(diào)工作，通過串口與其他外接通信模塊實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸，可以進(jìn)行信息交換，將準(zhǔn)確及時的數(shù)據(jù)信息傳輸給遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺或存儲器。傳感器模塊是整個系統(tǒng)的感知模塊，將溫濕度傳感器DHT11、可燃?xì)怏w傳感器MQ-4、噪聲傳感器KY-038集成到一起，負(fù)責(zé)對隧道環(huán)境參數(shù)的實時采集，分別對隧道中的溫度、濕度、可燃?xì)怏w的濃度、噪聲進(jìn)行監(jiān)測，溫濕度傳感器DHT11將監(jiān)測到的數(shù)字信號數(shù)據(jù)直接發(fā)送給主控模塊，可燃?xì)怏w傳感器與噪聲傳感器采集到的信號都經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息，發(fā)送給主控模塊。傳感器模塊使用精確度較高的傳感器，并對傳感器的信號進(jìn)行濾波校正以提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和實時性，該模塊能夠保證系統(tǒng)對隧道險情實時響應(yīng)，為防治事故，應(yīng)急處理提供依據(jù)。顯示屏、報警模塊是系統(tǒng)與人的交互界面，當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)到達(dá)設(shè)定閾值時，蜂鳴器和LED燈會產(chǎn)生聲光報警，同時OLED屏幕會顯示當(dāng)前監(jiān)測的各項數(shù)據(jù)，報警的實時性和準(zhǔn)確性關(guān)乎隧道的險情，該模塊能夠在100ms內(nèi)做出反應(yīng)，保證在最短的時間內(nèi)使異常情況引起工作人員的注意，顯示模塊支持翻頁切換功能以及閾值設(shè)定調(diào)整功能，工作人員通過操作設(shè)備按鍵可以實時調(diào)整溫濕度、氣體濃度、噪聲閾值等參數(shù)，能較好地適應(yīng)不同環(huán)境。通信模塊是數(shù)據(jù)發(fā)送的關(guān)鍵，系統(tǒng)采用Wi-Fi模塊(ESP-01S)，該模塊以ESP8266芯片為主，可以可靠地將數(shù)據(jù)無線傳輸，可通過QtTT協(xié)議將數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺。通信模塊考慮隧道環(huán)境的復(fù)雜性，通信的可靠性問題，在數(shù)據(jù)采集后，將無線信號穩(wěn)定、實時地傳輸?shù)缴衔粰C系統(tǒng)。通信模塊可完成遠(yuǎn)程傳輸數(shù)據(jù)的功能，支持遠(yuǎn)程對設(shè)備進(jìn)行調(diào)試和設(shè)定。通過以上四大模塊的有機結(jié)合，可以實現(xiàn)系統(tǒng)中的實時監(jiān)測報警、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸、系統(tǒng)調(diào)節(jié)等功能，通過各個模塊的有機搭配，使系統(tǒng)各功能模塊任務(wù)明確，高效運行，同時系統(tǒng)擴展性較好，系統(tǒng)可以根據(jù)需要對各個模塊進(jìn)行功能擴展、優(yōu)化，從而滿足更多軌道交通隧道環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)功能使用需求。系統(tǒng)框圖如圖3所示。圖3系統(tǒng)架構(gòu)圖該系統(tǒng)的工作流程REF_Ref12664\r\h[18]如下：首先，用戶通過按鍵設(shè)定一個標(biāo)準(zhǔn)值，其次，傳感器會采集隧道運行環(huán)境的溫濕度、可燃?xì)怏w和噪聲數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)被送入單片機進(jìn)行處理，最終單片機輸出相應(yīng)的溫度和濕度數(shù)值，若數(shù)據(jù)超出系統(tǒng)設(shè)定閾值，報警模塊會發(fā)出聲光報警，OLED顯示屏顯示數(shù)值，ESP8266模塊進(jìn)行無線數(shù)據(jù)通信。2.3各模塊硬件選型2.3.1主控選型選用主控模塊時應(yīng)結(jié)合系統(tǒng)要求、主控性能與其他部件的兼容等，主控是整個系統(tǒng)的大腦，為了確保整個系統(tǒng)工作穩(wěn)定和高效，主控芯片的選擇是重中之重，主控的處理速度和運算能力決定了整個系統(tǒng)的性能，主控模塊選型時應(yīng)分析系統(tǒng)計算要求以及系統(tǒng)是否需要性能強大的處理器，如果需要處理大量數(shù)據(jù)或者是算法繁復(fù)，其運算能力要求必須符合，滿足運算輸入的速度和反應(yīng)能力。在選型主控芯片的過程中，考慮了多個因素主要著眼于系統(tǒng)的性能需求和工作環(huán)境的特殊性，方案一選用了傳統(tǒng)的8051單片機，這種單片機具有較低的工作頻率和較小的存儲容量，無法有效地應(yīng)對隧道環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中的高速數(shù)據(jù)處理需求，在處理多個傳感器的數(shù)據(jù)時，8051單片機可能會遇到性能瓶頸，無法保證實時響應(yīng)，8051單片機的外設(shè)功能，如AD轉(zhuǎn)換和EEPROM，需要額外的擴展芯片，進(jìn)一步增加了硬件和軟件的復(fù)雜性，傳統(tǒng)8051單片機在高干擾環(huán)境中的穩(wěn)定性也不太行，在需要長時間運行的復(fù)雜系統(tǒng)中，這使得其不適合隧道監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用。方案二選擇了STC15W4K32S4單片機，能夠滿足隧道環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)對高速數(shù)據(jù)處理的需求，STC15W4K32S4具備更豐富的外設(shè)資源，包括更多的I/O端口、PWM、ADC等，這對于連接多個傳感器（如DHT11溫濕度傳感器、MQ-4氣體傳感器和KY-038噪聲傳感器）、OLED顯示屏、聲光報警模塊以及無線通信模塊至關(guān)重要，這款芯片的存儲容量較大，內(nèi)置32KB的Flash和2KB的RAM，能夠支持復(fù)雜程序的存儲和運行，STC15W4K32S4還支持ISP/IAP功能，便于程序的更新和調(diào)試，極大地方便了開發(fā)工作。STC15W4K32S4單片機支持低功耗模式，適合隧道環(huán)境中的長時間運行，能夠有效地降低系統(tǒng)的能耗，延長系統(tǒng)的使用壽命，在抗干擾性能上，STC15W4K32S4單片機表現(xiàn)較好，能夠在復(fù)雜的電磁環(huán)境中穩(wěn)定工作，適應(yīng)隧道內(nèi)部的工作條件。STC15W4K32S4單片機在性能、擴展性、功耗、抗干擾性等方面都具備顯著優(yōu)勢，完全能夠滿足隧道環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的需求，較高的處理能力和豐富的外設(shè)資源使得該單片機成為主控芯片的最佳選擇，為整個監(jiān)測系統(tǒng)的穩(wěn)定運行提供了堅實的基礎(chǔ)。主控芯片實物圖如圖4所示。?圖4STC15主控芯片實物圖2.3.2傳感器模塊選型系統(tǒng)的設(shè)計要求能夠準(zhǔn)確實時地監(jiān)測軌道交通隧道的環(huán)境參數(shù)，包括溫濕度、有害氣體濃度以及噪聲強度等多個重要因素，在進(jìn)行傳感器選型時，必須綜合考慮每個傳感器的性能、成本、穩(wěn)定性以及與系統(tǒng)主控芯片的兼容性。溫濕度監(jiān)測的核心傳感器為DHT11，這款傳感器采用了單總線通信方式，能夠方便地與其他系統(tǒng)組件連接，DHT11具有較好的溫濕度測量精度，溫度誤差為±2℃，濕度誤差為±5%RH，其工作范圍從0℃至50℃的溫度范圍和20%到90%的相對濕度范圍，使其非常適合在隧道環(huán)境中使用，由于采用單總線協(xié)議，該傳感器能與STC15W4K32S4單片機直接連接，減少了外部電路的復(fù)雜度，對于低功耗系統(tǒng)較好。溫濕度傳感器模塊實物圖如圖5所示。溫濕度傳感器模塊的引腳功能如表1-1所示。圖5DHT11溫濕度傳感器模塊實物圖表1-1DHT11溫濕度傳感器模塊引腳表PIN（引腳）名稱說明1VCC供電引腳，3.3—5V2DATA溫濕度數(shù)據(jù)數(shù)字信號輸出3NC空置引腳4GND地線引腳，接電源負(fù)極為了應(yīng)對隧道內(nèi)可能存在的有害氣體泄漏，系統(tǒng)選用了MQ-4甲烷氣體傳感器，這款傳感器對甲烷等可燃?xì)怏w有較高的靈敏度，能夠檢測到300ppm至10000ppm的氣體濃度，精度高且響應(yīng)迅速，MQ-4通過模擬信號輸出，與STC15W4K32S4單片機的內(nèi)置ADC模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，減少了外部處理芯片的需求，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度和成本，MQ-4傳感器的應(yīng)用對于預(yù)防火災(zāi)或爆炸等事故的發(fā)生至關(guān)重要，在隧道內(nèi)甲烷氣體的泄漏可能引發(fā)極為嚴(yán)重的安全事故。傳感器模塊實物圖如圖6所示。MQ-4傳感器模塊的引腳功能如表1-2所示。圖6MQ-4傳感器模塊實物圖表1-2MQ-4傳感器模塊引腳表PIN（引腳）名稱說明1VCC電源正極，接直流電壓（5V）2GND電源負(fù)極，接地3DO數(shù)字輸出，當(dāng)檢測到的氣體濃度超過預(yù)設(shè)閾值時輸出低電平（0V），否則輸出高電平（5V）4AO模擬輸出，輸出與氣體濃度成正比的電壓信號（0-5V）KY-038噪聲傳感器被選用來監(jiān)測隧道中的噪聲強度，該傳感器能夠在30dB到130dB的頻段范圍內(nèi)準(zhǔn)確捕捉噪聲信號，并將其轉(zhuǎn)化為電信號，通過主控芯片進(jìn)行處理，這一設(shè)計考慮了隧道環(huán)境的復(fù)雜性，對機械振動和設(shè)備噪聲的敏感性，能夠提供準(zhǔn)確的噪聲數(shù)據(jù)，有助于監(jiān)測設(shè)備的狀態(tài)或及時發(fā)現(xiàn)異常。傳感器模塊實物圖如圖7所示。KY-038傳感器模塊的引腳功能如表1-3所示。圖7KY-038傳感器模塊實物圖表1-3KY-038傳感器模塊引腳表PIN（引腳）名稱說明1VCC電源正極，接直流電壓（5V）2GND電源負(fù)極，接地3DO數(shù)字輸出，當(dāng)檢測到的聲音強度超過預(yù)設(shè)閾值時輸出低電平（0V），否則輸出高電平（3.3/5V）4AO模擬輸出，輸出與聲音強度成正比的電壓信號（0-3.3/5V）2.3.3顯示終端設(shè)備選型在軌道交通隧道環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計中，選擇適當(dāng)?shù)娘@示終端設(shè)備至關(guān)重要，該系統(tǒng)的顯示模塊要實現(xiàn)數(shù)據(jù)輸出功能，需要具備一定的輸入功能，考慮到主控板的安裝位置以及現(xiàn)場的實際需求，顯示終端的選型顯得尤為重要。在方案選擇過程中，方案一考慮了LCD1602字符型液晶屏，顯示屏實物圖如圖8所示，LCD1602是一款常見的字符型顯示屏，廣泛應(yīng)用于需要顯示簡單文本信息的場景，顯示容量為16列2行的字符，能夠滿足顯示實時環(huán)境數(shù)據(jù)的基本需求，顯示屏具有價格低廉和接口簡單的優(yōu)點，適合用于基本的數(shù)據(jù)顯示和界面操作，LCD1602的顯示內(nèi)容相對有限，在需要顯示較為復(fù)雜或多元化數(shù)據(jù)時，性能就顯得有些不足，LCD1602的顯示效果受視角和對比度的限制，功耗較高，不太適應(yīng)一些對功耗要求較為嚴(yán)格的環(huán)境，盡管LCD1602在某些基礎(chǔ)應(yīng)用中具有較好的性價比，但在本系統(tǒng)中并不是最佳選擇。圖8LCD1602顯示屏實物圖為了提高系統(tǒng)的顯示性能，方案二則選用了0.96寸OLED顯示屏，OLED屏幕具有自發(fā)光特性，能夠在無背光源的情況下提供高對比度的顯示效果，顯示圖像清晰、色彩鮮艷，且具有較寬的視角，適合在各種環(huán)境下顯示實時數(shù)據(jù)，OLED屏幕的另一大優(yōu)勢是響應(yīng)速度快，實時顯示變化頻繁的數(shù)據(jù)，包括溫濕度、氣體濃度和噪聲強度等環(huán)境參數(shù)的監(jiān)控，0.96寸OLED屏幕的尺寸適中，適合在空間有限的設(shè)備中使用，內(nèi)置的SSD1306驅(qū)動芯片，通過IIC協(xié)議與主控芯片連接，使得顯示控制更加簡便，OLED屏幕的功耗相對較低，適合長期運行的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，在多次讀寫過程中，顯示效果不會大幅度衰減使其在穩(wěn)定性上具有優(yōu)勢。顯示屏實物圖如圖9所示。圖9OLED顯示屏實物圖2.3.4無線通信模塊選型在此系統(tǒng)中，選用了ESP-01S作為無線通信模塊，該模塊基于ESP8266芯片，支持802.11b/g/n無線通信標(biāo)準(zhǔn)，廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中，具有低功耗、高性能的特點，ESP-01S模塊的設(shè)計使得其在無線網(wǎng)絡(luò)連接方面表現(xiàn)出色，能夠支持設(shè)備遠(yuǎn)程接入互聯(lián)網(wǎng)，內(nèi)置的Wi-Fi功能使得系統(tǒng)可以通過無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，對于隧道環(huán)境中布設(shè)無線通信網(wǎng)絡(luò)尤為重要，通過串口與主控芯片連接，系統(tǒng)利用AT指令集控制模塊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳和下載，該模塊支持多種無線協(xié)議，能夠靈活適應(yīng)不同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，確保數(shù)據(jù)能夠穩(wěn)定地傳送至遠(yuǎn)程平臺進(jìn)行監(jiān)控和管理。對于隧道環(huán)境中的信號干擾問題，ESP-01S模塊也提供了可靠的解決方案，通過其高效的抗干擾設(shè)計，能夠確保即使在復(fù)雜的電磁環(huán)境中，數(shù)據(jù)的傳輸質(zhì)量依然保持穩(wěn)定，ESP-01S模塊支持低功耗工作模式，適合長時間運行，對于隧道監(jiān)控系統(tǒng)的持續(xù)工作尤為重要，模塊的功耗低，能夠有效延長系統(tǒng)的使用壽命，減少維護(hù)頻率。ESP-01S的參數(shù)如表1-4所示。表1-4ESP-01S參數(shù)表名稱參數(shù)詳細(xì)描述封裝形式DIP-8直插模組尺寸24.7×14.4×11mm±0.2mmSPIFLASH8Mbit默認(rèn)支持接口/UART/GPIO頻譜范圍2.4GHz2412~2484MHz天線形式板載板載PCB天線，增益2dBi供電范圍3.3V3.0~3.6V，電流>500mA工作溫度工業(yè)級-20℃~+85℃AT支持內(nèi)置智能化處理可通過AT指令命令讀取其中，ESP-01S模塊安裝集成簡單，易與主控芯片等硬件模塊連接，系統(tǒng)可進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸及監(jiān)測，智能化、可操作性強，模塊兼容性強，與不同傳感器、設(shè)備等可無縫接入，滿足不同場合下的環(huán)境監(jiān)測需求，ESP-01S無線通信模塊具備低功耗、穩(wěn)定性高、集成簡便等特性，是隧道環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)中的理想模塊，滿足高效傳輸需求，信號穩(wěn)定性及抗干擾性強，可提高系統(tǒng)整體性能及可靠性。Wi-Fi技術(shù)REF_Ref2779\r\h[7]最早是為實現(xiàn)無線局域網(wǎng)的接入而進(jìn)行的開發(fā),是當(dāng)前WLAN的主流技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，Wi-Fi的工作頻段為2.4GHz，數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)11Mbit/s,能夠支持50~100m范圍內(nèi)互聯(lián)網(wǎng)信號的接入。WIFI模塊ESP-01S實物圖如圖10所示。圖10WIFI模塊ESP-01S實物圖3系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1系統(tǒng)總體設(shè)計在系統(tǒng)設(shè)計中，總體上系統(tǒng)設(shè)計的目標(biāo)是為軌道交通隧道環(huán)境搭建一個實時、可靠的監(jiān)測系統(tǒng)平臺，系統(tǒng)設(shè)計圍繞實時采集軌道交通隧道環(huán)境數(shù)據(jù)展開，對數(shù)據(jù)實時處理、預(yù)警、遠(yuǎn)程傳輸?shù)?，保證對軌道交通隧道內(nèi)溫度、濕度、氣體濃度、噪聲強度等環(huán)境數(shù)據(jù)采集實時、可靠，系統(tǒng)選用了STC15W4K32S4單片機作為系統(tǒng)主控芯片，通過模塊化設(shè)計，將各個功能模塊合理融合到一起，選用DHT11溫濕度傳感器、MQ-4甲烷氣體傳感器以及KY-038噪聲傳感器等模塊，實現(xiàn)對系統(tǒng)高速采樣，實時數(shù)據(jù)處理。顯示模塊使用0.96寸OLED顯示屏，提高系統(tǒng)的實時響應(yīng)能力，系統(tǒng)使用閾值實時調(diào)整模塊，利用K1-K3鍵可以動態(tài)調(diào)整溫濕度、氣體濃度、噪聲等報警閾值，整個系統(tǒng)采用低功耗運行模式。進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)智能化，系統(tǒng)設(shè)計無線通信模塊ESP-01S通過無線通信模塊Wi-Fi將數(shù)據(jù)上傳至遠(yuǎn)程平臺，實現(xiàn)隧道環(huán)境的遠(yuǎn)程監(jiān)控，該模塊具有Modbus協(xié)議，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝院头€(wěn)定性。系統(tǒng)總體設(shè)計上，系統(tǒng)設(shè)計各個模塊使用統(tǒng)一的通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)系統(tǒng)統(tǒng)一，便于后期進(jìn)一步擴展升級，系統(tǒng)總體設(shè)計通過高效信息采集、實時預(yù)警、遠(yuǎn)程傳輸和智能控制，實現(xiàn)隧道安全運營的重要保障。系統(tǒng)總體設(shè)計結(jié)構(gòu)圖如圖11所示。圖11系統(tǒng)總體設(shè)計結(jié)構(gòu)圖3.2系統(tǒng)主要功能模塊設(shè)計3.2.1DHT11溫濕度檢測模塊設(shè)計在設(shè)計軌道交通隧道環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)時，DHT11溫濕度檢測模塊是其中的重要組成部分，DHT11傳感器作為一款基礎(chǔ)型溫濕度傳感器，具有較高的性價比和可靠性，非常適合用于隧道環(huán)境監(jiān)控，模塊采用了電阻式感濕元件和NTC熱敏電阻作為其測量組件，能夠分別準(zhǔn)確測量溫度和濕度，通過單總線協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，需要一根數(shù)據(jù)線即可與主控芯片進(jìn)行通信，簡化了硬件設(shè)計降低了系統(tǒng)復(fù)雜度，DHT11的溫度測量范圍從0℃到50℃，濕度測量范圍從20%RH到90%RH，且溫度測量的誤差在±2℃以內(nèi)，濕度測量誤差為±5%RH，使得滿足大多數(shù)隧道環(huán)境監(jiān)測需求，工作電壓范圍為3.3V至5.5V，適用于多種不同的電源環(huán)境尤其在復(fù)雜的隧道環(huán)境中。模塊的設(shè)計考慮到了隧道環(huán)境的特殊性，DHT11傳感器在長期運行中表現(xiàn)出較高的穩(wěn)定性和可靠性，能夠長時間穩(wěn)定工作。電路接線圖如圖12所示。圖12DHT11溫濕度傳感器模塊電路接線圖DHT11溫濕度檢測模塊的選型，基于其適應(yīng)性強、成本效益高和穩(wěn)定性好的特點，完全滿足了軌道交通隧道運行環(huán)境監(jiān)測的需求，能夠提供溫濕度的實時數(shù)據(jù)，能在各類復(fù)雜環(huán)境中保持良好的工作性能，為系統(tǒng)的其他模塊提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持，進(jìn)一步提升整個監(jiān)測系統(tǒng)的實時性和可靠性。溫濕度傳感器接線圖如圖13所示。圖13溫濕度傳感器接線圖3.2.2MQ-4可燃?xì)怏w檢測模塊設(shè)計MQ-4可燃?xì)怏w檢測模塊在監(jiān)測可燃?xì)怏w方面起著至關(guān)重要的作用，該模塊采用MQ-4傳感器，具有對甲烷氣體較高的靈敏度，能夠有效檢測氣體濃度的變化。MQ-4傳感器的檢測范圍很廣，能夠從低至300ppm的濃度開始工作，能夠在濃度達(dá)到10,000ppm時依然有效，使得該模塊能夠在不同的環(huán)境下都能有效監(jiān)測到有害氣體的濃度變化，確保安全預(yù)警的及時性和準(zhǔn)確性，傳感器本身采用了半導(dǎo)體的敏感材料，這種材料的電阻會隨著甲烷氣體濃度的變化而變化，通過電阻變化，能夠輸出與氣體濃度相關(guān)的信號。電路原理圖如圖14所示。圖14MQ-4傳感器模塊電路原理圖該模塊以MQ-4氣敏傳感器作為檢測主體，對甲烷、天然氣等具有較好的敏感性，對其他幾種有害氣體也存在一定的敏感性，選擇性較高，能較好檢測出對應(yīng)目標(biāo)氣體，避免其他氣體的干擾。當(dāng)檢測環(huán)境中目標(biāo)有害氣體的濃度含量變化時，傳感器的阻值也將發(fā)生變化，經(jīng)過模塊的電路轉(zhuǎn)化，將阻值變化以電壓信號的形式輸出，便于與單片機等主控電路進(jìn)行連接，即可實現(xiàn)對有害氣體含量的檢測，對有害氣體濃度進(jìn)行預(yù)警，工作電壓通常在5V左右，功耗較低，穩(wěn)定性高。具體使用時，通常與電子元器件共同使用，構(gòu)成一個完整的檢測系統(tǒng)，需要將其與微控制器的接口相連，讀取傳感器的輸出電壓信號，然后轉(zhuǎn)化為濃度信號。該傳感器用來檢測空氣中的甲烷或天然氣濃度，做出相應(yīng)處理或預(yù)警輸出，成本低廉，便于使用，因此，目前廣泛應(yīng)用于家庭、工業(yè)檢測、環(huán)境等，具有長期穩(wěn)定性高、可靠性強的特點，能夠在不同環(huán)境中工作，便于提高工作效率和準(zhǔn)確性，在設(shè)計傳感器模塊時，應(yīng)考慮到環(huán)境溫濕度的影響，系統(tǒng)設(shè)計時還需要加裝溫濕度傳感器，進(jìn)行優(yōu)化提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，一體化設(shè)置使得氣體檢測系統(tǒng)更加完善，能夠滿足更廣泛的使用需求。有害氣體傳感器接線圖如圖15所示。圖15可燃?xì)怏w傳感器接線圖3.2.3KY-038噪聲檢測模塊設(shè)計KY-038噪聲檢測模塊使用高靈敏度的麥克風(fēng)探頭和信號處理電路，將環(huán)境中的聲音信號轉(zhuǎn)化成電信號，實現(xiàn)對噪聲強度的檢測，其工作原理是當(dāng)聲音信號進(jìn)入麥克傳感器，將聲音信號轉(zhuǎn)化為電信號，經(jīng)信號處理線路進(jìn)行信號處理，如信號放大、濾波處理，提高信號質(zhì)量穩(wěn)定性，準(zhǔn)確反應(yīng)噪聲變化，靈敏度高，可有效針對低強度噪聲的檢測，在復(fù)雜環(huán)境下依舊保持穩(wěn)定。電路原理圖如圖16所示。圖16KY-038傳感器模塊電路原理圖KY-038噪聲探測模塊，靈敏度的控制由需求側(cè)主導(dǎo)，模塊中電位器的靈敏度可按需求調(diào)整，從而適應(yīng)不同環(huán)境的噪聲，因為模塊可以調(diào)整，能被更多的應(yīng)用場景所適用，且數(shù)字輸出接口輸出信號可以方便與單片機或Arduino等芯片連接，將噪聲信號傳至模塊控制系統(tǒng)，再進(jìn)行信號的處理與分析。模塊的適應(yīng)性強，可以適用于更多不同設(shè)備的應(yīng)用場景。KY-038噪聲探測模塊，體積小，功耗低，性價比高，適用于對噪聲要求時間久、空間小的地方，模塊超低功耗，不需要額外供電也可以使模塊工作很長時間。此傳感器模塊設(shè)計較為穩(wěn)定實用，能在較為惡劣的環(huán)境下工作，將噪聲數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無誤地反映出來，為噪聲污染檢測、噪聲警報、環(huán)境監(jiān)控等提供有效的幫助。噪聲傳感器接線圖如圖17所示。圖17噪聲傳感器接線圖3.2.4系統(tǒng)顯示模塊設(shè)計在設(shè)計系統(tǒng)顯示模塊時，采用了OLED顯示屏來實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)的輸出，該模塊的設(shè)計目的在于通過顯示屏向用戶展示溫濕度、氣體濃度、噪聲等傳感器采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)，OLED1286412C顯示模塊是一款常用的OLED顯示設(shè)備，分辨率為128×64，能夠清晰地顯示文字、圖形等信息，模塊通常采用SSD1309等驅(qū)動芯片，支持四線SPI/I2C通信接口，具有兼容性好、傳輸速度快的特點。OLED1286412C顯示模塊工作電壓一般為3.3V或5V，適用于多種不同的電源環(huán)境，系統(tǒng)能夠確保顯示內(nèi)容實時刷新，避免進(jìn)程阻塞，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性與響應(yīng)速度。顯示面板為OLED，具備自發(fā)光的特性，無需背光源，擁有高對比度、寬廣視角、快速響應(yīng)等優(yōu)點，顯示的色彩鮮艷，黑色深邃，圖像效果出色，厚度薄，重量輕，在一些對空間和重量有要求的設(shè)備中也能很好地應(yīng)用。在實際應(yīng)用中，常被用于各類電子設(shè)備的信息顯示，如智能儀表、小型手持設(shè)備、開發(fā)板項目等，為用戶提供清晰直觀的視覺顯示界面。OLED顯示模塊接線圖如圖18所示。圖18OLED顯示模塊接線圖3.2.5系統(tǒng)報警模塊設(shè)計系統(tǒng)的報警模塊設(shè)計主要是以聲光報警的形式提醒用戶可能出現(xiàn)的非正常事件，及時做出報警處理，主要包括蜂鳴器和LED燈，能結(jié)合系統(tǒng)模塊中的各模塊綜合報警，傳感器模塊(如溫濕度傳感器、有害氣體傳感器等)檢測到非正常數(shù)據(jù)會啟動報警模塊，在檢測到系統(tǒng)的非正常環(huán)境數(shù)據(jù)或系統(tǒng)接收到報警信號時，將電信號傳遞給報警模塊，經(jīng)蜂鳴器上驅(qū)動電路發(fā)出高響度的報警聲，同時LED燈亮起，發(fā)出光信號，以聲、光兩種形式提醒用戶。蜂鳴器的作用就是發(fā)出聲音，蜂鳴器分貝數(shù)高，蜂鳴器可以穿越嘈雜的場所，在嘈雜的場所也能起到警鈴的作用，起到警鈴的作用，LED燈是通過頻閃的方式對使用者進(jìn)行警醒，更加提醒使用者，聲音和光線的雙重警醒，提高了警報率，增加了警報的穩(wěn)定性和可靠性，使得蜂鳴器和LED燈的應(yīng)用在不同環(huán)境下都能起到警示的作用，蜂鳴器報警模塊具有結(jié)構(gòu)簡單和使用功率低的優(yōu)點，所以在警鈴模塊中的應(yīng)用比較適合，智能家居，工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境，安全防護(hù)等使用場所，靈活方便，易安裝，可與多種控制單元(例如，單片機)組合成一個安全監(jiān)控系統(tǒng)。報警模塊接線圖如圖19所示。圖19報警模塊接線圖3.2.6系統(tǒng)通信模塊設(shè)計 系統(tǒng)通信模塊是整個設(shè)備中的核心模塊，無線數(shù)據(jù)傳輸擺脫了設(shè)備有線的束縛，擴展了系統(tǒng)的自由度與擴展性，模塊應(yīng)用藍(lán)牙、Wi-Fi、ZigBee、LoRa等無線通信方式，各有優(yōu)勢、各有弊端，各有適應(yīng)領(lǐng)域，適應(yīng)系統(tǒng)需求與使用場景，實現(xiàn)設(shè)備間穩(wěn)定、高速的傳輸。藍(lán)牙是短距離、低功耗的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，適用于智能手環(huán)與手機之間的數(shù)據(jù)傳輸，藍(lán)牙技術(shù)適合長期工作，電池壽命短，Wi-Fi傳輸速度快、覆蓋范圍較廣，智能家居、無線監(jiān)控等領(lǐng)域中運用廣泛，將設(shè)備接入到網(wǎng)絡(luò)中，便于設(shè)備與遠(yuǎn)端的設(shè)備服務(wù)器進(jìn)行實時數(shù)據(jù)交互。ZigBee則具有自組網(wǎng)能力，支持大規(guī)模的節(jié)點部署，適用于構(gòu)建覆蓋廣泛的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，在智能樓宇中，ZigBee能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜環(huán)境的實時監(jiān)控和管理，LoRa技術(shù)有超遠(yuǎn)距離傳輸和低功耗的特點，適用于那些距離要求較高且對功耗有嚴(yán)格要求的場景，例如智慧農(nóng)業(yè)中的傳感器數(shù)據(jù)回傳。WiFi因其高帶寬、低延遲和優(yōu)異的隧道覆蓋能力，成為軌道交通隧道環(huán)境監(jiān)測的首選通信方案，相較于ZigBee/LoRa等低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)，WiFi支持多傳感器數(shù)據(jù)的實時同步傳輸，并能適應(yīng)未來監(jiān)控需求擴展；相比4G/5G，其在隧道環(huán)境中的部署成本更低且穩(wěn)定性更佳；通過抗干擾技術(shù)優(yōu)化，WiFi可確保環(huán)境異常數(shù)據(jù)的可靠傳輸。現(xiàn)有隧道WiFi基礎(chǔ)設(shè)施的復(fù)用降低了部署難度，而穩(wěn)定的供電條件也彌補了其功耗較高的短板，使其成為兼顧性能與成本的最優(yōu)選擇。電路原理圖如圖20所示。圖20WIFI模塊ESP-01S內(nèi)部電路原理圖在系統(tǒng)中，通信模塊通過無線收發(fā)芯片和天線將數(shù)字信號轉(zhuǎn)化為無線電磁波信號進(jìn)行發(fā)射，接收端則通過逆向轉(zhuǎn)換將無線信號恢復(fù)為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，使得通信模塊具備了高度的靈活性和便捷性，能夠在沒有有線連接的情況下，實現(xiàn)長距離的穩(wěn)定傳輸，無線通信模塊提升了設(shè)備的移動性，使得設(shè)備間的連接更加方便，易于擴展，是實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)自動化等領(lǐng)域互聯(lián)互通的基礎(chǔ)設(shè)施之一。串口模擬輸出模塊接線圖如圖21所示。圖21串口模擬輸出模塊接線圖4系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1系統(tǒng)主程序流程圖在系統(tǒng)主程序流程中，整個工作過程呈現(xiàn)出一個不斷循環(huán)的模式，從啟動到完成數(shù)據(jù)處理和輸出，所有操作都遵循著嚴(yán)格的流程。系統(tǒng)啟動后會初始化各個硬件模塊，包括溫濕度傳感器模塊、氣體傳感器模塊、噪聲傳感器模塊和顯示屏等，系統(tǒng)通過這些傳感器實時采集環(huán)境數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)在采集完成后，會通過主程序進(jìn)行處理并更新到OLED顯示屏上，讓用戶能夠直觀地查看當(dāng)前環(huán)境數(shù)據(jù)，用戶可以通過按鍵輸入，設(shè)定報警閾值，進(jìn)而影響報警條件，當(dāng)傳感器采集到的數(shù)據(jù)超過預(yù)設(shè)的閾值時，系統(tǒng)會自動觸發(fā)報警系統(tǒng)，蜂鳴器發(fā)出警報聲，LED燈會閃爍提醒，確保用戶能夠及時發(fā)現(xiàn)異常情況。過程是自動化的，確保系統(tǒng)的實時性和穩(wěn)定性，所有這些操作都被組織成一個不斷執(zhí)行的循環(huán)，確保數(shù)據(jù)的及時采集、處理與展示，在流程中各個功能模塊如采集、顯示、報警和數(shù)據(jù)上傳等是相互獨立的，又通過主程序緊密配合，使整個系統(tǒng)能夠高效穩(wěn)定地運行。主程序流程圖如圖22所示。圖22主程序流程圖4.2定時數(shù)據(jù)采集模塊程序設(shè)計在系統(tǒng)傳感器模塊的程序設(shè)計中，整個過程采用了一個線性流程與條件判斷結(jié)合的架構(gòu)，以確保多傳感器的數(shù)據(jù)采集能夠穩(wěn)定、有效地進(jìn)行，觸發(fā)傳感器采集的總控模塊，模塊會依次執(zhí)行多個傳感器的數(shù)據(jù)讀取過程，是DHT11溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)讀取，通過單總線協(xié)議進(jìn)行通信，若在讀取過程中出現(xiàn)通信失敗，系統(tǒng)會自動進(jìn)行重試，確保數(shù)據(jù)的有效性，如果成功讀取溫濕度數(shù)據(jù)，系統(tǒng)會同步采集MQ-4氣體傳感器的模擬電壓信號，通過ADC轉(zhuǎn)換模塊將其轉(zhuǎn)換為甲烷濃度值，系統(tǒng)還會讀取KY-038噪聲傳感器的數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)化為分貝值，來自不同傳感器的數(shù)據(jù)最終都會被集中存儲，形成完整的環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)集。整個流程以是否“單總線通信成功”作為條件判斷語句，設(shè)置錯誤重試流程，確保每一個傳感器均無數(shù)據(jù)采集異常，采取串行執(zhí)行與硬件中斷的方式確保多感知器協(xié)同實時性。傳感器模塊的程序設(shè)計順序如圖23所示。圖23定時數(shù)據(jù)采集模塊程序設(shè)計流程圖4.3系統(tǒng)顯示模塊程序設(shè)計系統(tǒng)顯示模塊的程序設(shè)計采用了狀態(tài)驅(qū)動機制，基于OLED顯示屏的實時數(shù)據(jù)輸出，設(shè)計首先從系統(tǒng)啟動階段開始，執(zhí)行OLED屏幕的初始化配置，系統(tǒng)進(jìn)入一個持續(xù)檢測的主循環(huán)，循環(huán)的關(guān)鍵是監(jiān)測display_flag標(biāo)志位的狀態(tài)，只有當(dāng)該標(biāo)志位處于有效狀態(tài)時，系統(tǒng)才會根據(jù)當(dāng)前的運行模式run_mode切換顯示內(nèi)容，如實時數(shù)據(jù)或系統(tǒng)閾值設(shè)置界面。顯示模塊的程序設(shè)計通過三層邏輯架構(gòu)實現(xiàn)顯示內(nèi)容的動態(tài)切換，標(biāo)志位檢測機制確保了系統(tǒng)在適當(dāng)時機更新顯示內(nèi)容，在標(biāo)志位有效的情況下，系統(tǒng)會根據(jù)當(dāng)前的運行模式選擇顯示不同的界面，系統(tǒng)可以展示實時環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，如溫濕度、氣體濃度和噪聲強度等，或者切換到系統(tǒng)設(shè)置界面，讓用戶調(diào)整閾值設(shè)置，系統(tǒng)還采用了事件驅(qū)動機制來減少不必要的屏幕刷新，降低功耗，保持高效的顯示響應(yīng)。通過狀態(tài)驅(qū)動的方式，顯示模塊確保了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確顯示，兼顧了低功耗特性，使得系統(tǒng)能夠在長時間運行中保持穩(wěn)定性。顯示模塊程序設(shè)計流程圖如圖24所示。圖24顯示模塊程序設(shè)計流程圖4.4中斷服務(wù)程序設(shè)計本系統(tǒng)中斷服務(wù)程序采用了定時器觸發(fā)型響應(yīng)機制，確保中斷處理的高效性與簡潔性，系統(tǒng)會通過定時器中斷的觸發(fā)來啟動服務(wù)程序。系統(tǒng)首先完成中斷使能配置和觸發(fā)方式設(shè)置，隨后主程序進(jìn)入常規(guī)任務(wù)循環(huán)并等待中斷觸發(fā)，當(dāng)中斷事件發(fā)生時，處理器暫停當(dāng)前任務(wù)，檢測中斷源并跳轉(zhuǎn)至對應(yīng)的中斷服務(wù)程序，ISR執(zhí)行過程中會先保護(hù)現(xiàn)場（保存關(guān)鍵寄存器狀態(tài)），清除中斷標(biāo)志以避免重復(fù)觸發(fā)，隨后處理具體的中斷任務(wù)（如數(shù)據(jù)采集或設(shè)備控制），最后恢復(fù)現(xiàn)場并執(zhí)行RETI指令返回主程序。流程圖中特別以定時器中斷為例，展示了從觸發(fā)檢測到ISR執(zhí)行完畢的完整閉環(huán)，體現(xiàn)了中斷機制“保存-處理-恢復(fù)”的核心特征，確保主程序與中斷任務(wù)能高效協(xié)同運行而不丟失系統(tǒng)狀態(tài)。中斷服務(wù)程序設(shè)計流程圖如圖25所示。圖25中斷服務(wù)程序設(shè)計流程圖4.5數(shù)據(jù)上傳模塊程序設(shè)計本模塊負(fù)責(zé)定時觸發(fā)無線通信數(shù)據(jù)的發(fā)送，以確保環(huán)境數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸，系統(tǒng)在啟動時完成串口初始化，隨后進(jìn)入一個循環(huán)檢測模式，主要監(jiān)控定時器變量，當(dāng)定時器時間累積到一定數(shù)值（如100ms）時，觸發(fā)數(shù)據(jù)采集周期，系統(tǒng)會從不同的傳感器中獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，包括溫濕度（DHT11傳感器）、氣體濃度（MQ-4傳感器）、噪聲數(shù)據(jù)（KY-038傳感器），獲取的數(shù)據(jù)會被格式化為標(biāo)準(zhǔn)的字符串形式，準(zhǔn)備好發(fā)送。當(dāng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好后，系統(tǒng)通過UART1串口接口發(fā)送數(shù)據(jù)，無線通信模塊也會借助串口通信將數(shù)據(jù)發(fā)送出去，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)每隔一定時間就發(fā)送一次數(shù)據(jù)，確保環(huán)境監(jiān)控數(shù)據(jù)的周期性更新和傳輸，在數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，系統(tǒng)會清除定時器標(biāo)志位，標(biāo)志著本次數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瓿?，?zhǔn)備好迎接下一次的數(shù)據(jù)采集和傳輸。采用“定時采集-打包-串口發(fā)送-中斷配合”的設(shè)計方案，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹芷谛院头€(wěn)定性，在低功耗的前提下允許后臺定時采集、避免數(shù)據(jù)傳輸?shù)睦速M，檢測硬件標(biāo)志、與中斷配合實時傳輸數(shù)據(jù)、保證監(jiān)控數(shù)據(jù)的可靠性和實時性，數(shù)據(jù)傳輸模塊可擴展多種傳感器類型和通信協(xié)議，可擴展性好、柔性好、在多種場合具有良好的數(shù)據(jù)通信效果，數(shù)據(jù)上傳模塊程序設(shè)計如圖26所示。圖26數(shù)據(jù)上傳模塊程序設(shè)計流程圖5系統(tǒng)測試5.1測試環(huán)境搭建在仿真階段，采用Proteus8.15平臺作為測試平臺，通過導(dǎo)入特定的原理圖文件，將STC15W4K28S4單片機的HEX程序加載到系統(tǒng)中進(jìn)行模擬，為了模擬實際使用時的傳感器輸入，系統(tǒng)利用虛擬信號的注入方式進(jìn)行測試，通過調(diào)節(jié)電位器來模擬MQ-4甲烷氣體傳感器的濃度（0%～100%ppm），并通過調(diào)整另一個電位器模擬KY-038噪聲傳感器的噪聲強度（0-130dB），通過P2.0引腳連接DHT11溫濕度傳感器模型來設(shè)定溫濕度參數(shù)，無線通信功能的測試則使用虛擬終端仿真代替，數(shù)據(jù)能夠正確傳輸并實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，系統(tǒng)可以進(jìn)行全方位的功能驗證，每個傳感器模塊都能穩(wěn)定地采集到正確的數(shù)據(jù)，進(jìn)行精確的顯示與報警。5.2分模塊功能測試5.2.1顯示模塊該測試方案要求在仿真啟動后首先檢查OLED是否正常顯示預(yù)設(shè)初始界面（如"Temp:Humi:Mq4:Voice:"），同時通過P3.1引腳連接的虛擬終端驗證串口輸出的溫濕度、氣體濃度等數(shù)據(jù)流，預(yù)期結(jié)果為OLED屏幕顯示內(nèi)容與程序邏輯完全匹配，且串口傳輸?shù)臄?shù)據(jù)字段格式符合設(shè)計要求。仿真啟動的OLED初始界面如圖27所示。圖27仿真啟動的OLED初始界面5.2.2傳感器模塊傳感器模塊測試包含三個部分,溫濕度檢測通過DHT11模型設(shè)定30℃/60%RH后驗證OLED顯示對應(yīng)數(shù)值；有害氣體檢測向P1.0引腳（ADC0）輸入電位器的87%阻值大?。▽?yīng)87%濃度的甲烷）時觸發(fā)LED閃爍及蜂鳴器報警；噪聲檢測則向P1.1引腳（ADC1）輸入電位器的39%阻值大小以確認(rèn)OLED顯示“Voice:39dB”且報警邏輯符合預(yù)設(shè)閾值規(guī)則。如圖28所示。圖28(a)調(diào)節(jié)MQ-4與Voice輸入圖28(b)MQ-4數(shù)值超出閾值的聲光報警5.2.3按鍵模塊按鍵模塊測試分為模式切換與閾值調(diào)節(jié)兩部分，首先驗證K1（P3.3）通過五次點擊可循環(huán)切換OLED顯示模式（實時數(shù)據(jù)→溫度/濕度/MQ4/噪聲閾值設(shè)置→返回實時界面），其次在溫度設(shè)置模式下操作K2（P3.4）增加閾值、K3（P3.5）減少閾值，觀察數(shù)值變化是否符合程序設(shè)定的范圍限制（如溫度閾值0-35℃），預(yù)期結(jié)果為模式切換邏輯正確，閾值調(diào)整數(shù)值實時響應(yīng)且受控于預(yù)設(shè)邊界。如圖29所示。圖29(a)按下一次K1圖29(b)按下K2增加閾值圖29(c)按下K3減少閾值5.2.4報警模塊報警模塊測試通過設(shè)置Voice閾值為85dB并向P1.1引腳輸入電位器90%阻值大?。▽?yīng)90bB噪聲強度超限），觸發(fā)報警后需驗證P2.4引腳輸出的蜂鳴器聲音及P2.3引腳紅色LED的周期性亮滅狀態(tài)，預(yù)期結(jié)果為報警響應(yīng)延遲低于100ms，且報警信號頻率穩(wěn)定為2Hz（亮滅周期250ms）以滿足實時警示要求，實現(xiàn)報警功能的蜂鳴器響動提醒工作人員。如圖30所示。圖30(a)調(diào)節(jié)電位器RV2引發(fā)超限圖30(b)Voice數(shù)值超出閾值的聲光報警5.2.5無線通信模塊驗證無線通信模塊與虛擬終端的交互功能，確保傳感器數(shù)據(jù)（溫度、濕度、甲烷濃度、噪聲）能夠準(zhǔn)確、實時地傳輸。仿真啟動后觀察到虛擬終端的彈窗顯示數(shù)據(jù)與OLED界面實時顯示的數(shù)據(jù)相同且數(shù)據(jù)刷新速率合適，當(dāng)正在進(jìn)行閾值調(diào)試時，終端數(shù)據(jù)會暫停上傳至接收端，等待調(diào)試結(jié)束。如圖31所示。圖31虛擬終端界面5.3整體功能測試整體功能測試部分是對系統(tǒng)從模塊到整體的正確運行進(jìn)行檢驗，驗證系統(tǒng)在不同環(huán)境下的穩(wěn)定性和響應(yīng)性，這部分從系統(tǒng)開始運行開始，從Proteus仿真平臺中加載程序，系統(tǒng)是否正常顯示初始化畫面，對虛擬終端、OLED顯示同步輸出數(shù)據(jù)，系統(tǒng)分別經(jīng)過顯示模塊測試、傳感器模塊測試、按鍵模塊測試、報警模塊測試、無線通信模塊測試。各個模塊經(jīng)過測試后確保模塊功能正常，采集、顯示、傳送正確，其中顯示模塊測試系統(tǒng)是否正常顯示正確實時數(shù)據(jù)，OLED顯示是否同步，數(shù)據(jù)更新是否準(zhǔn)確。傳感器模塊通過模擬輸入不同環(huán)境數(shù)據(jù)，測試系統(tǒng)根據(jù)閾值是否正常響應(yīng)，觸發(fā)報警。第一步進(jìn)行系統(tǒng)初始化驗證，啟動Proteus仿真，加載HEX程序；觀察OLED顯示內(nèi)容是否為預(yù)設(shè)初始界面（"Temp:Humi:Mq4:Voice:"）；檢查虛擬終端是否自動彈出并建立串口連接，預(yù)期結(jié)果是OLED與虛擬終端同步顯示初始化狀態(tài)，串口持續(xù)輸出信號。啟動仿真初始界面如圖32所示。圖32啟動仿真初始界面第二步是多傳感器聯(lián)動測試，設(shè)置DHT11參數(shù)為28℃/55%RH；調(diào)節(jié)RV1%至50%（模擬50%ppm甲烷）；調(diào)節(jié)RV2%至75%（模擬75dB噪聲）。驗證結(jié)果是OLED同步更新顯示"Temp:2830Humi:5560Mq4:5065Voice:7585",虛擬終端數(shù)據(jù)流字段格式為"Temp:28,Humi:55,Mq4:50,Voice:75"，確認(rèn)蜂鳴器與LED保持靜默狀態(tài)（未超閾值）。傳感器聯(lián)動測試如圖33所示。圖33傳感器聯(lián)動測試第三步是閾值超限報警測試，通過K1鍵切換至溫度閾值設(shè)置模式；設(shè)置上限為30℃；設(shè)置DHT11溫度參數(shù)至32℃；調(diào)節(jié)RV1%至92%（模擬92%ppm甲烷）。如圖34所示。圖34按下K1鍵進(jìn)入溫度閾值設(shè)置界面驗證內(nèi)容為P2.4蜂鳴器輸出2Hz報警音，P2.3LED同步閃爍，報警響應(yīng)時間＜100ms（從參數(shù)設(shè)置完成到首次蜂鳴）。溫度與有害氣體濃度超限報警界面如圖35所示。圖35溫度與有害氣體濃度超限報警界面第四步為動態(tài)閾值調(diào)整測試，在報警狀態(tài)下操作K1進(jìn)入噪聲閾值設(shè)置模式，通過K2/K3將噪聲閾值從85dB逐步調(diào)整為80dB。驗證結(jié)果是OLED閾值設(shè)置界面實時顯示調(diào)整數(shù)值，當(dāng)閾值降至80dB時，當(dāng)前75dB噪聲立即停止報警，虛擬終端暫停數(shù)據(jù)上傳直至退出閾值設(shè)置模式。如圖36所示。圖36(a)按下K1鍵進(jìn)入噪聲閾值設(shè)置界面圖36(b)通過按鍵K3將噪聲閾值調(diào)整至80dB圖36(c)閾值設(shè)置模式下虛擬終端暫停數(shù)據(jù)上傳第五步是極限壓力測試，同時設(shè)置DHT11參數(shù)至35℃/90%RH；調(diào)節(jié)RV1/RV2%至100%滿量程；快速切換K1進(jìn)行5次模式循環(huán)操作。驗證結(jié)果為系統(tǒng)無死機/重啟現(xiàn)象，數(shù)據(jù)刷新延遲＜100ms，報警信號頻率波動小，OLED顯示屏工作正常。全參數(shù)超限功能測試如圖37所示。系統(tǒng)還會暫停數(shù)據(jù)上傳，確保閾值調(diào)整過程的完整性，避免數(shù)據(jù)的干擾，在整個操作過程中，OLED顯示屏、蜂鳴器和LED的配合工作確保了用戶能夠及時、清晰地接收到系統(tǒng)的狀態(tài)變化和報警信息。圖37全參數(shù)超限功能測試6總結(jié)與展望6.1總結(jié)本文主要是對軌道交通隧道環(huán)境檢測系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計，目的是對隧道運營環(huán)境實現(xiàn)現(xiàn)代化手段的改善，主要是以STC15W4K32S4單片機和溫濕度、氣體濃度、噪聲等環(huán)境檢測傳感器為核心，對隧道內(nèi)的各種數(shù)據(jù)信號檢測處理進(jìn)行實時檢測和處理，系統(tǒng)設(shè)計主要是模塊化設(shè)計方案，模塊化的系統(tǒng)設(shè)計能夠增加功能性，并且靈活多變，能夠減少系統(tǒng)的安裝和維護(hù)，系統(tǒng)檢測精度較高，溫度檢測±2℃，濕度檢測＜5%，甲烷氣體濃度檢測范圍為300ppm，噪聲檢測范圍為0-130dB，響應(yīng)時間也保持在3秒以內(nèi)，檢測精度實時性、可靠性良好。本系統(tǒng)設(shè)計有閾值動態(tài)調(diào)整報警系統(tǒng)設(shè)計，在隧道內(nèi)環(huán)境監(jiān)測超過閾值后，會利用聲光報警裝置進(jìn)行報警。系統(tǒng)將數(shù)據(jù)經(jīng)過無線通信功能模塊發(fā)送到遠(yuǎn)程平臺，隧道運營人員能夠及時掌握環(huán)境數(shù)據(jù)情況，避免人工巡檢效率不高，死角較多的問題，避免發(fā)生事故，保障隧道運營安全。因為它低功耗、模塊化系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，可在不同應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行推廣，如軌道交通隧道需要的環(huán)境監(jiān)測多，系統(tǒng)需要低功耗。系統(tǒng)設(shè)計仍缺失部分控制功能，后續(xù)系統(tǒng)完善應(yīng)學(xué)習(xí)尹其暢等人REF_Ref5431\r\h[21]設(shè)計環(huán)境檢測系統(tǒng)負(fù)責(zé)采集隧道內(nèi)的環(huán)境數(shù)據(jù)，并將該數(shù)據(jù)通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)傳送給通風(fēng)控制系統(tǒng)的控制器，通風(fēng)控制系統(tǒng)以PLC為核心，可接收環(huán)境檢測系統(tǒng)所采集的環(huán)境數(shù)據(jù)，并將其與預(yù)先設(shè)定值進(jìn)行比較，同時輸出信號來控制變頻器的輸出頻率，從而控制風(fēng)機轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)隧道自動通風(fēng)的目的。6.2展望在系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用方面，未來的工作中，系統(tǒng)將會從各個方面進(jìn)行拓展，在傳感器的選型和布置方面，將考慮引入更多類型，如增加PM2.5和CO傳感器等，形成復(fù)合污染物監(jiān)測系統(tǒng)，探索集成基于MEMS的小微型傳感器簇的開發(fā)，進(jìn)一步提升系統(tǒng)的監(jiān)測精度和泛化能力，增強無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)目闺姶鸥蓴_能力，將LoRa和NB-IoT的混合組網(wǎng)也將作為今后發(fā)展的工作內(nèi)容，可以進(jìn)一步擴展現(xiàn)有的系統(tǒng)覆蓋范圍，提高信號穩(wěn)定性和可靠性，引入邊緣計算技術(shù)為數(shù)據(jù)處理工作提供新的發(fā)展可能性，通過在終端設(shè)備上部署輕量級LSTM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，使得系統(tǒng)可以對環(huán)境參數(shù)的時序特征進(jìn)行分析和趨勢預(yù)測，對潛在危險因素進(jìn)行提前預(yù)警，從能源效率到可持續(xù)發(fā)展，在未來的工作中將拓展綠色節(jié)能的工作方面，對長期運行的監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行研究，能量收集技術(shù)以及低能耗邊緣計算架構(gòu)，將可以降低系統(tǒng)的能耗量，使得監(jiān)測系統(tǒng)更加綠色和節(jié)能，未來將搭建數(shù)字孿生平臺，將監(jiān)測系統(tǒng)與BIM（建筑信息模型）深度融合與結(jié)合，進(jìn)一步提升軌道交通建設(shè)的智能化，也為智慧軌道交通提供技術(shù)支撐。參考文獻(xiàn)聶柳,李陽,王武,等.基于SBAS-InSAR技術(shù)的城市軌道交通隧道形變