基于GPRS的地鐵隧道環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

基于GPRS的地鐵隧道環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

閆利棟,孫鳴蔚

(蘭州交通大學(xué) 光電技術(shù)與智能控制教育部重點實驗室,甘肅 蘭州730070)

摘要針對對溫濕度和CO氣體有特殊要求的地鐵隧道,設(shè)計了一種基于GPRS的無線環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)利用數(shù)據(jù)采集終端采集環(huán)境數(shù)據(jù),使用GPRS作為無線通訊網(wǎng)絡(luò),進行上位機和現(xiàn)場監(jiān)測點之間的無線數(shù)據(jù)傳輸。整個數(shù)據(jù)采集終端由LPC2210單片機進行控制,只需通過對軟件的修改調(diào)整,即可滿足不同GPRS入網(wǎng)方式下的通信,擁有良好的擴展性能。實驗測試表明,該系統(tǒng)能滿足設(shè)計要求。

關(guān)鍵詞地鐵隧道;GPRS;無線傳輸網(wǎng)絡(luò);環(huán)境監(jiān)測;LPC2210

收稿日期:2015-05-05

基金項目:甘肅省青年科技計劃基金資助項目(1308RJYA096);甘肅省高校科研基金資助項目(2013A-050);蘭州交通大學(xué)青年基金(2014030)

作者簡介:閆利棟(1985—),男,碩士研究生。研究方向:交通信息工程及控制。E-mail:yld0201@163.com。孫鳴蔚(1990—),男,碩士研究生。研究方向:交通信息工程及控制。

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2015.12.035

中圖分類號TN839文獻標(biāo)識碼A

Design of Environment Monitoring System of Subway Tunnel Based on GPRS

YAN Lidong,SUN Mingwei

(Key Laboratory of Opto-Electronic Technology and Intelligent Control of the Ministry of Education,

Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou 730070,China)

AbstractA wireless environment monitoring system based on GPRS is designed for subway tunnels with special requirements for temperature,humidity and CO gas.The data collection terminal is used for getting environmental parameters.By using GPRS as the wireless transmission network,wireless data transmission between host computer and field computers are completed.The MCU of the data collection terminal is LPC2210.The system can meet different GPRS network access scenarios by software modification.The experiment results show that the system can meet the designed requirements.

Keywordssubway tunnel;GPRS;the wireless transmission network;environment monitoring;LPC2210

隨著城市軌道交通運輸?shù)陌l(fā)展,隧道環(huán)境問題已經(jīng)成為影響地鐵安全運營的問題之一。地鐵隧道是一個相對封閉的空間,隧道內(nèi)部的溫度、濕度和CO氣體會給列車駕駛及乘務(wù)人員、旅客和隧道養(yǎng)護等作業(yè)人員的健康造成損害,同時也會影響行車安全。因此,在地鐵運營過程中,對隧道的溫濕度和CO氣體監(jiān)測尤為重要。GPRS技術(shù)因為具有無需鋪設(shè)通信線路、靈活的組網(wǎng)方式、遠距離傳輸?shù)葍?yōu)點,使得其在無線數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。為此,本文針對隧道內(nèi)采集的溫度、濕度和CO氣體實施在線監(jiān)測,根據(jù)隧道運營的環(huán)境監(jiān)測需求,設(shè)計一種基于GPRS的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng),為地鐵運營行車安全提供了一種有效的保障措施[1-2]。

1系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)由3部分組成,即數(shù)據(jù)采集終端、傳輸網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控中心,如圖1所示。圖中數(shù)據(jù)采集終端負(fù)責(zé)從現(xiàn)場監(jiān)測儀器采集數(shù)據(jù)和向上位機傳輸數(shù)據(jù)的任務(wù);傳輸網(wǎng)絡(luò)完成監(jiān)測中心和監(jiān)測終端之間的透明傳輸;監(jiān)控中心的主要任務(wù)是分析現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù),做出相應(yīng)的控制命令,實時顯示現(xiàn)場狀態(tài)等工作[3]。該設(shè)計的特點在于解決了地鐵隧道內(nèi)對溫濕度和CO氣體不能實時在線監(jiān)測與遠程數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯栴}。

圖1　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2系統(tǒng)硬件設(shè)計

地鐵隧道的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)硬件由數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)處理單元、電源管理單元和無線數(shù)據(jù)傳輸單元組成。系統(tǒng)硬件以LPC2210單片機為核心,通過控制微控制器LPC2210 I/O口采集AM2303和CO傳感器的信號,經(jīng)過數(shù)據(jù)分析與處理,再利用RS232通訊串口將數(shù)據(jù)發(fā)送給SIM300CZ無線數(shù)據(jù)傳輸模塊由其通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至監(jiān)控中心。圖2給出了系統(tǒng)硬件的結(jié)構(gòu)圖。

圖2　系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

2.1數(shù)據(jù)采集單元

傳感器數(shù)據(jù)采集模塊主要由溫濕度傳感器和CO傳感器組成。針對地鐵隧道對溫度濕度和有害氣體有特殊的要求,該系統(tǒng)利用數(shù)據(jù)采集終端采集地鐵隧道內(nèi)的溫度濕度和CO數(shù)據(jù),后經(jīng)無線傳感網(wǎng)將數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控中心實時在線顯示。數(shù)字式溫濕度傳感器采用AM2303,是一款新型單總線傳感器,數(shù)字式溫濕度傳感器AM2303由一個電容式感濕元件和一個高精度測溫元件組成。其溫度測量范圍為-40～+80 ℃,精度為±0.3 ℃;濕度測量范圍為0～99.9%RH,精度為±2%RH(25 ℃)[4]。CO傳感器采用瑞士Membrapor公司的CO/CF-20型電化學(xué)氣體傳感器,其精度可達0.1 mg/m3,最大量程20 mg/m3。

2.2數(shù)據(jù)處理單元

傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)處理單元采用基于LPC2210處理器的單片機開發(fā)板/數(shù)據(jù)采集板,采用10位的A/D芯片,5 V的基準(zhǔn)電壓,128 kB的存儲內(nèi)存。LPC2220處理器的運行環(huán)境溫度范圍為-45～+90 ℃,可適應(yīng)于不同的惡劣環(huán)境。從而,該芯片能較好地應(yīng)用在GPRS無線網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理上。

2.3電源管理單元

該控制器采用直流穩(wěn)壓電源進行供電,由于LPC2210使用兩組電源,系統(tǒng)工作需要雙路電源,I/O口供電電源為3.3 V,內(nèi)核及片內(nèi)外設(shè)供電電源為1.8 V,因此使用低壓差電源(LDO)芯片穩(wěn)壓輸出3.3 V和1.8 V電壓。經(jīng)過實驗測量,傳感器節(jié)點在連續(xù)工作狀態(tài)下,系統(tǒng)總耗電量的90%消耗在了無線收發(fā)單元和數(shù)據(jù)采集單元。因此,本項目采用軟件控制傳感器節(jié)點實時采集數(shù)據(jù),溫濕度和CO數(shù)據(jù)采集結(jié)束后立即關(guān)閉控制電源。當(dāng)數(shù)據(jù)采集節(jié)點采樣沒有數(shù)據(jù)發(fā)送時,無線收發(fā)單元模塊處于休眠狀態(tài),可有效地減少節(jié)點能耗,增加節(jié)點和網(wǎng)絡(luò)使用周期。

2.4無線數(shù)據(jù)傳輸模塊

無線收發(fā)單元的選擇應(yīng)從實際需求出發(fā),本設(shè)計首先考慮傳輸距離,在此基礎(chǔ)上兼顧功耗和片上資源等因素。在眾多可選模塊或芯片中,選擇了高功率模塊SIM300CZ。在節(jié)點開發(fā)上,避免了射頻單元的復(fù)雜設(shè)計,具備開發(fā)優(yōu)勢。而在相同功耗下從片上資源和處理器性能方面考慮,SIM300CZ相比其他產(chǎn)品又具有低功耗和豐富的片上資源,適合功能擴展。經(jīng)過綜合分析,本設(shè)計采用SIM300CZ無線微控制器作為無線數(shù)據(jù)傳輸模塊。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計

數(shù)據(jù)采集監(jiān)測點的主要功能是實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、處理和發(fā)送本監(jiān)測點數(shù)據(jù)、轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)中其他監(jiān)測點的數(shù)據(jù)等。本項目設(shè)計的無線傳感器監(jiān)測點應(yīng)用于無人值守的實時在線環(huán)境監(jiān)測,并采用雙路電源進行供電。系統(tǒng)軟件采用模塊化編程方式,包括數(shù)據(jù)采集與處理程序、數(shù)據(jù)庫程序、監(jiān)測中心程序等。系統(tǒng)軟件的主程序流程如圖3所示。

圖3　系統(tǒng)主程序流程圖

3.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計

傳感器采集數(shù)據(jù)主要有以下幾個步驟:初始化、搜索傳感器、匹配傳感器、讀取采集數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集流程如圖4所示。

圖4　數(shù)據(jù)采集流程

3.2數(shù)據(jù)庫的設(shè)計

本設(shè)計中數(shù)據(jù)庫所承擔(dān)的任務(wù)包括:協(xié)助數(shù)據(jù)通信程序;管理數(shù)據(jù)庫用戶;存儲現(xiàn)場機采集的實時數(shù)據(jù)?，F(xiàn)場機和上位機在進行數(shù)據(jù)傳輸時,需對傳輸數(shù)據(jù)包的格式進行規(guī)定,使系統(tǒng)收到不同格式的數(shù)據(jù)包后采取相應(yīng)的操作[5],格式如圖5所示。

數(shù)據(jù)包頭數(shù)據(jù)段類型有效數(shù)據(jù)字段數(shù)據(jù)校驗碼數(shù)據(jù)包尾

圖5數(shù)據(jù)包格式

本系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)通信包由ACSII碼字符組成。數(shù)據(jù)包頭固定為##,數(shù)據(jù)段類型為4 Byte長度的字符,系統(tǒng)根據(jù)判斷數(shù)據(jù)段類型來執(zhí)行不同的操作。

該設(shè)計利用SQL Server2005作為后臺數(shù)據(jù)庫軟件,使用C#中的ADO組件開發(fā)數(shù)據(jù)庫應(yīng)用程序。ADO組件提供了連接數(shù)據(jù)庫存儲器檢索、操作和更新數(shù)據(jù)所必須的類。在應(yīng)用程序界面上顯示實時接收的環(huán)境數(shù)據(jù)信息,ADO組件對數(shù)據(jù)庫的操作流程如圖6所示[5-6]。

圖6　數(shù)據(jù)庫操作流程

3.3監(jiān)測中心軟件的設(shè)計

設(shè)計中監(jiān)測中心軟件采用C#配套SQL Server2005數(shù)據(jù)庫軟件進行程序設(shè)計開發(fā)。本數(shù)據(jù)庫擁有與DTU通訊的所有函數(shù),主要包含服務(wù)的開始,數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收,服務(wù)的關(guān)閉。該監(jiān)測中心的主要任務(wù)是管理相應(yīng)的DTU通訊,打開GPRS網(wǎng)絡(luò),利用GPRS網(wǎng)絡(luò)和Internet網(wǎng)絡(luò)發(fā)布控制命令和接收數(shù)據(jù)采集終端傳傳送的溫濕度數(shù)據(jù),關(guān)閉GPRS服務(wù)等[7-10]。

4測試結(jié)果分析

為檢測本系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確性“在不同環(huán)境下分別對溫度、濕度和CO進行了采集測試”測試值與真實值比較分別如表1~表3所示,按照電氣化隧道的環(huán)境質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn),所測量的溫濕度與CO參數(shù)值誤差較小,符合隧道溫濕度和有害氣體的參考值。測試表明,整個系統(tǒng)達到了預(yù)期效果,響應(yīng)速度快、成本低、可靠性高和準(zhǔn)確性好。

表1　溫度值

表2　濕度值

表3　CO濃度值

5結(jié)束語

該系統(tǒng)能較好地適用于地鐵隧道的環(huán)境監(jiān)測,實現(xiàn)對其環(huán)境參數(shù)的實時采集和監(jiān)控。本設(shè)計的優(yōu)勢是能較好地控制實驗條件,實驗參數(shù)易采集與處理。且該系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計為今后環(huán)境監(jiān)測綜合性能測試平臺的全面開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

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