轨道交通隧道智能环境综合监测系统设计

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轨道交通隧道智能环境综合监测系统设计

王恩鸿, 李立明, 黄建坊

(上海工程技术大学 城市轨道交通学院, 上海 201620)

摘要： 地铁隧道是城市轨道交通地下运行的主体环境,但隧道内的温度、湿度、可燃气体浓度(体积分数，全文同)等综合环境指标往往易被人们忽视.针对地铁隧道,设计城市轨道交通智能环境综合监测系统对隧道环境进行监测.采用无线多节点采集环境信息,节点采用STM32单片机控制,节点之间通过组网连接,可自由安装.每个节点带温湿度传感器、有害气体传感器、光学烟雾传感器等.每个节点布置一台数据接收器,收集所有节点数据并且处理显示.数据中心处理器由STM32芯片进行控制,通过单独采集到的数据进行集中运算处理.

关键词： 隧道安全; 多节点采集系统; 智能监控

城市轨道交通系统作为一种快速安全的交通方式越来越被广大都市居民认可,而地铁在地下隧道内的运行线路占总长的2/3,地铁隧道成为列车运行主要环境,地铁隧道内的环境因素影响列车在隧道内的运行安全.本文针对上海地铁隧道综合环境进行研究,设计城市轨道交通隧道的智能环境综合监测系统.

1　城市轨道交通环境现状

1.1　隧道环境概况

隧道的固有环境因素在于其自身封闭的建筑结构.隧道内陆质水文复杂,通风排水设备不完善,这种地铁隧道内环境对铺设在其中的钢轨及配件的影响是长期的.现有研究表明,隧道内的主要气体有氮气78%、氧气15%、二氧化碳1.5%、可燃气体0.28%，隧道内的有害气体浓度(体积分数，全文同)与列车经过隧道的通过率成正相关.针对上海地铁隧道环境状况进行实地调研,结果显示,上海地铁隧道的内环境中氮气79%、二氧化碳0.8%、可燃性气体0.12%,气体分布温湿度不均匀，隧道内环境差别较大.

1.2　隧道环境质量监测设备

作为城市的主要交通方式，城市轨道交通具有运载量大、安全准点、能源清洁、节约能源和用地等特点.但是地铁隧道内部的环境质量监测却没有完整的解决方案,对列车在隧道内的运行环境研究较少,现在的一些设备不能实时监测到隧道内的环境,针对隧道环境监测研究数据较为缺乏.为了实现对隧道区段的运行环境的掌握,应设置隧道配备完善的环境参数监控系统得到相应的环境数据，如温度、湿度、二氧化碳、氧气、可燃性气体、PM等.

本文设计的空气质量监测系统应用在地下隧道的复杂环境中,能够自主进入低功耗智能调节模式,自动组网连接,对隧道内的二氧化碳、可燃性气体等进行实时采集传输,面对突发的变化传感器能实时作出反应,实现对地下隧道区段气体环境的监测.

2　隧道智能环境监测硬件设计

2.1　隧道环境监测系统总体结构

城市轨道交通隧道环境监测系统包括外部环境采集模块、串行数据转换模块、数据发送端、数据接收端、数据显示界面与PC机.

每个节点复位开机后,自主进行配对搜索环境中ZigBee网络节点,进行节点间的握手通信,自动组建传感器子网络,连接成功后联网指示灯亮,传送数据成功后接收指示灯亮.

当整个系统启动后,放置在各个节点的设备开始采集外界环境参数,在接收到发送数据命令后，将数据传送至区域控制模块，接收处理器进行数据处理分析,之后判断区间的环境质量,对环境质量进行相关的评估,最后通过控制报警器等相关设备,将系统连接到各个节点进行相互通信.方便在车站的控制中心随时随地用便携式联网设备对隧道环境进行监测，连接站台路由器查看当前隧道内空气环境质量状况，对可能出现的突发状况进行监控预警，使调度员对列车运行作出相应调整.

2.2　隧道环境监测系统采集节点设计

2.2.1　无线节点模块2.4 GHz ZigBee配置

为了适用于采集隧道的环境，采用无线多个节点采集隧道环境信息.Cortex-M3由于高效性与稳定性,可在各种工业控制领域应用，能应对各种复杂的环境,对外部变化引起的干扰较小.本文节点采集主板采用以Cortex-M3为内核、以STM32为核心的芯片做主控制芯片.由于“增强型”系列时钟频率达72 MHz,是同类产品中性能最高的产品.本文采用STM32F103C8T6芯片.图1为STM32驱动电路为内核,图2为耦合电路图.

图1　STM32F103C8T6驱动电路图

Fig.1　Driving circuit diagram of STM32F103C8T6

它的外部驱动由5个0.1 μF去电源耦滤波电容、2个22 pF的滤波电容和1个时钟频率为8 MHz的石英晶振组成,当接通3.3V电源的时候晶振启动振荡电路,STM32随着外部的时钟一起振荡,振荡的频率与时钟频率相同.图3为Altium Designer 绘制的STM32F103C8T6的核心板.

图2　STM32F103C8T6去耦合电路图
Fig.2　Decoupling circuit diagram STM32F103C8T6

在复杂恶劣的环境中能稳定发挥各个模块的优势,可以根据隧道内的环境来布置采集节点的位置,每段隧道内的节点数一定,使采集的信息更标准化.通过STM32芯片内部数字转换(ADC)模块功能用以采集由有害气体传感器、光学烟雾传感器、温湿度传感器的压电信号转化的便于传输的数字信号.以DTH11所对应接口方式的单总线数字协议配置芯片,读取DHT11的温湿度信号.将采集到的数据用一个数组保存,然后通过ZigBee芯片,采用TI德州仪器的CC2530芯片,将数组发送到数据中心进行标准化处理.图4为CC2530的外部驱动电路图,它需要1个外部晶振和2个去耦电容以16 MHz的频率下工作产生2.4 GHz的通信信息,接收和发送传输数据.

图3　STM32C8T6核心板
Fig.3　Core board of STM32C8T6

图4　CC2530原理图
Fig.4　Schematic diagram of CC2530

CC2530结合了射频电流(RF)收发器的优良性能，单片机采集到环境传感器数据后,通过串口协议与CC2530芯片进行联机通信.ZigBee模块开机后搜索附近模块自动组网连接,每个节点的ZigBee模块设置为路由功能,既可以发送本节点数据，也可以作为桥接节点使用,节点布局灵活,不受轨道交通地下复杂站台地形影响.每个站台布置一个数据处理中心,该中心节点ZigBee模块设置为协调器,所有节点采集到数据后发送到协调器地址.ZigBee芯片软件系统基于TI ZStack-CC2530-2.5.1a版本协议,该协议栈采用事件轮询机制,并且带有低功耗模式,非常适用于本监测系统.

在节点附近产生空气流动,采集到准确的空气环境信息.每个节点由有害气体感器、烟雾传感器以及PM传感器输出模拟信号,采用芯片内部的ADC12位的精度转化方式.温湿度传感器为数字信号器件,对传感器供电后直接通过协议,采用单片机引脚连接采集,温湿度传感器为单总线数字传输方式.

2.2.2　MQ-2有害气体传感器配置

本项目采用MQ-2气体烟雾传感器进行有害气体的检测.MQ-2气体烟雾传感器对液化气、丙烷、氢气的灵敏度高,对天然气和其他可燃蒸汽的检测也很理想.当烟雾传感器所处环境中存在可燃气体时,烟雾传感器的电导率随空气中可燃气体浓度(体积浓渡，下同)增加而增大.使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号.图5为MQ-2的驱动电路图.

图5　MQ-2驱动电路
Fig.5　Driving circuit diagram of MQ-2

将MQ-2的4、5、6等3个引脚接入电源,2脚接地,1脚和3脚接电阻,MQ-2的电导率随着气体浓度的增大而增大,由于电阻是电导率的倒数，电阻随气体浓度增大而减小,所以根据相对电阻的变化，通过STM32 AD模拟量到数字量的转换，实现对可燃气体的量的监控.

2.2.3　GP2Y1010粉尘传感器配置

粉尘颗粒监测是现行环境系统分析评估中的重要参数,光学粉尘烟雾夏普传感器(GP2Y1010AU0F)是基于光电学原理对空气质量进行测量的传感器,用来感应空气中极小的粉尘颗粒,其内部对角安装着红外线发光二极管和光电晶体管，使其能够探测到粉尘颗粒反射光.不同的光强二极管产生不同的电压信号.

图6为GP2Y1010AU0F驱动电路原理图.

图6　GP2Y1010AU0F原理图

Fig.6　Schematic diagram of GP2Y1010AU0F

通过电容的滤波和电阻的分压作用,进行压电信号采集,然后通过程序中的转化公式得出其变化数据.转化公式为

KK=(float)ADC_ConvertedValue/4096*3.3

通过内部成一定角度对通过小孔烟雾进行反光和采集,对比当遇到不同浓度烟雾时产生波形的差异，计算烟雾浓度.图7为PM2.5采集图.

图7　PM2.5采集图
Fig.7　Collected figure of PM2.5

极其细小的颗粒反射光也能够透过变化的光电管采用ADC进行采集.这款传感器具有低功耗的特点同时能够在高达7 V的直流电压下启动.传感器的模拟输出电压与灰尘颗粒密度成正比,精度为在0.5 V的变化范围为可检测到0.1 mg/m3的变化量.该传感器体积很小、质量轻,便于安装,可应用于各种小型烟雾监测的设备中.

2.2.4　DTH11复合式温湿度传感器配置

复合数字式温湿度传感器DHT11含有已校准数字符串信号,通过4个端口进行信息采集,电源引脚、地引脚、数字输出总线、输出温湿度数字式数据,该传感器具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比高等优点,在各种苛刻、复杂的应用场合中成为最佳的选择.图8为DTH11的电路驱动原理图,电源供电通过STM32的PC12引脚进行数据采集.

一次通信时间为4 ms左右,数据分小数部分和整数部分,当前小数部分用于以后扩展,现读出为零.图9为DTH11控制信号.

图8　DTH11电路驱动原理图
Fig.8　Driving circuit diagram of DTH11

图9　DTH11控制信号
Fig.9　Control signal of DTH11

采集节点的STM32芯片的引脚释放一次开始信号后,配置使DHT11从低功耗模式转换到高速模式,等待主机开始信号结束后,DHT11发送响应信号,送出40 bit的数据,并触发一次信号采集,用户可选择读取部分数据.DHT11接收到开始信号触发一次温湿度采集,如果没有接收到主机发送开始信号,DHT11不会主动进行温湿度采集.采集数据后转换到低速模式.

当开始读数据的时候程序对采集数值进行比对,看所得到的数据是否符合要求，若不符合要求则重新采集,并通过ZigBee进行发送,不断刷新所采集到的数据发送到显示端，使采集信号具备有效性和标准性.

图10为用Altium画的节点PCB工程图.

图10　节点PCB
Fig.10　Node PCB

图中摆放了4个MQ系列传感器,分别设置在圆形PCB的周围,中间为一个半径为50 mm的过孔,为了安放直径65 mm的风扇,左边过孔条状的是用来卡住GP2Y1010把核心放在中间正下方使得整个节点在被测环境中能够采集到更加精确的环境数据.

3　隧道环境监测综合系统软件设计

本系统包括采集节点和显示部分程序设计,在KEIL中采用C语言对它进行编写流程，如图11所示.

将传感器采集得到的数据进行一个串行方式传送到发送节点ZigBee发送端,通过采用TI德州仪器提供的协议栈ZigBee节点进行配置,节点ZigBee模块配置为路由器模式,既能发送当前数据也能作为路由.运用编码的方式将信息进行打包处理,每个数据包中含有将要发出节点号、传感器编号、压电信息量，在2.4 GHz的频段内进行发送与接收,每次发送固定字节数,发送端将会接收到一个相对应的应答信号,这是一种单一的方式，一个路由器对应一个协调器,通过对其进行选择控制，实现一个路由器对多个协调器的转换，达到通信要求.

图11　软件流程图
Fig.11　Software flow chart

图12　节点程序流程图
Fig.12　Node program flow chart

4　结　语

通过各种采集传感器采集到的压电、数字转化处理,对环境进行智能监控,并将ZigBee组成无线通信网数据集中到STM32芯片上，对采集到的数据进行集中处理,通过这样的物联方式,可以把机器与各个事物联系在一起组成一张控制网,互联传感技术将控制器、运算器、处理器集中为一个控制系统,改善人们的生活和生产环境.未来传感器联入互联网连接是物联网发展的必然趋势,该项目希望通过把传感器技术、互联网技术、环境监控、清洁能源的利用四者相互结合,将环境监控问题网络化、智能化、现代化,在人们生存环境的安全方面做出贡献.

参考文献:

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(编辑: 单明霞)

文章编号： 1009-444X(2016)02-0143-06

收稿日期： 2015-11-23

基金项目： 国家重点科研平台资助项目(cz1410004)

作者简介： 王恩鸿(1995-),男,在读本科生,研究方向为交通信号与控制.E-mail:[e-mail]通信作者： 李立明(1982-),男,实验师,硕士,研究方向为道路交通检测技术、信号处理研究.E-mail:[e-mail]

中图分类号： X 821

文献标志码： A

Comprehensive Monitoring System Design of Rail Transit Tunnel Intelligent Environment

WANG Enhong, LI Liming, HUANG Jianfang

(College of Urban Railway Transportation, Shanghai University of Engineering Science, Shanghai 201620, China)

Abstract： Subway tunnel has become the main environment of the urban rail transit operation underground,but temperature,humidity,concentration of combustible gas and other comprehensive environmental indexes in the tunnel tend to be ignored.On account of subway tunnel,the comprehensive system of intelligent environment monitoring of urban rail transit was designed to monitor the tunnel environment.The wireless nodes were adopted to collect environmental information,controlled by STM32 SCM，connected by network and can be free installation.Each node is equipped with wind turbines,temperature and humidity sensor,harmful gas sensor,optical smoke sensor,etc.Each node arranges a data receiver to collect all node data and process and display.Data center processor was controlled by the STM32 chip,and centralized operation processing was conducted on the data collected separately.

Key words： tunnel safety; multi-node acquisition system; intelligent monitoring