基于GPRS的公路隧道運營環(huán)境感知系統(tǒng)設(shè)計

馮夢溪, 趙 亮, 錢 超

(1.長安大學(xué) 電子與控制工程學(xué)院,陜西 西安 710064； 2.中交第一公路勘察設(shè)計研究院有限公司,陜西 西安 710061)

0 引 言

公路隧道是一個相對封閉的路段,車輛行駛在隧道中排放的一氧化碳、氮氧化合物等有毒尾氣會嚴(yán)重威脅隧道交通安全[1]。為了有效改善隧道洞內(nèi)環(huán)境、保證其運營安全、預(yù)防火災(zāi)和交通事故,需要建設(shè)公路隧道環(huán)境感知系統(tǒng),提高公路隧道運營部門的監(jiān)控力度。

目前,國內(nèi)隧道運營隧道的監(jiān)測起步較晚[2],現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測項目繁雜,運營數(shù)據(jù)相互獨立,難以匹配,不能成為隧道預(yù)警系統(tǒng)與通風(fēng)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)依據(jù)；且現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)通常將監(jiān)測器直接接入可編程邏輯控制器(programmable logic controller,PLC)控制系統(tǒng),但廣泛布設(shè)采集點會增加設(shè)計成本,造成控制系統(tǒng)性能過剩[3]。針對以上問題,國內(nèi)外許多學(xué)者在隧道監(jiān)測領(lǐng)域做出相關(guān)研究,張振海等人[4,5]提出采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor networks,WSNs)組成信息采集網(wǎng),實現(xiàn)大區(qū)域的隧道運營環(huán)境監(jiān)測；Moridi M A等人[6]通過實驗分析驗證了WSNs采集方式的可靠與準(zhǔn)確性,這種采集方式省去了布線,充分利用WSNs靈活方便的特性,提高了隧道環(huán)境信息監(jiān)測的實時性；雷旭等人[7～9]將監(jiān)測信息接入網(wǎng)關(guān)上傳服務(wù)器或通過協(xié)議交換連接光端機(jī)上傳監(jiān)控中心,使監(jiān)控中心通過B/S模式軟件獲取隧道實時運營數(shù)據(jù)信息,這種方法運用先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)概念,實現(xiàn)多監(jiān)測點信息的實時采集與傳輸,提高隧道監(jiān)控設(shè)施的利用率。以上研究主要是對隧道環(huán)境信息采集方式與傳輸方式的設(shè)計與開發(fā),對于提高現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)的實時性與全面性具有現(xiàn)實意義,但研究對象相對單一,缺乏全面的運營環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)研究,難以為隧道預(yù)警系統(tǒng)和通風(fēng)控制提供數(shù)據(jù)支持。

參考國內(nèi)外學(xué)者研究的相關(guān)經(jīng)驗,針對現(xiàn)有環(huán)境感知系統(tǒng)的效率低、實時性差等缺點,本文設(shè)計基于現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)技術(shù)、無線通信技術(shù),在充分考慮系統(tǒng)傳輸效率的基礎(chǔ)上,提出一種公路隧道運營多傳感器監(jiān)測系統(tǒng),利用(general packet radio service,GPRS)技術(shù),統(tǒng)一采集、處理傳輸運營環(huán)境信息,實現(xiàn)公路隧道運營環(huán)境實時感知。

1 系統(tǒng)框架設(shè)計

為實現(xiàn)設(shè)計任務(wù)要求,開發(fā)高效實用的公路隧道運營環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng),需要實現(xiàn)對隧道有害氣體、溫度與氣壓、能見度與風(fēng)速信息的采集,實現(xiàn)環(huán)境信息顯示、存儲與上傳等功能。系統(tǒng)包括傳感器節(jié)點、數(shù)據(jù)處理節(jié)點與智能網(wǎng)關(guān)節(jié)點三大模塊。系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 環(huán)境感知系統(tǒng)框架圖

2 系統(tǒng)節(jié)點設(shè)計

2.1 傳感器節(jié)點設(shè)計

傳感器節(jié)點即隧道監(jiān)測點,位于隧道出入口及隧道中部、彎道處,考慮采集四類傳感器的環(huán)境信息,在微處理器(micro controller unit,MCU)的控制下實現(xiàn)信息的處理與傳輸。為全面、準(zhǔn)確地監(jiān)測有害氣體濃度信息,設(shè)計將傳感器節(jié)點安裝在隧道邊墻上[10]。但隧道邊墻不便于相關(guān)機(jī)電設(shè)備的安裝與操作員的調(diào)試,需要將數(shù)據(jù)處理節(jié)點安裝在接近地面的位置,這使得傳感器節(jié)點與數(shù)據(jù)處理節(jié)點之間有一定的距離。

盡管WSNs技術(shù)具有諸多優(yōu)點,但在隧道內(nèi),隧道線型、管道結(jié)構(gòu)與隧道內(nèi)惡劣環(huán)境會對信號造成干擾,信號強(qiáng)度也在傳輸過程中不斷地衰減,使WSNs技術(shù)在隧道監(jiān)測領(lǐng)域難以付諸實踐[11]。為保障隧道環(huán)境信息的穩(wěn)定采集,傳感器節(jié)點采用RVSP屏蔽線實現(xiàn)傳感器與數(shù)據(jù)處理節(jié)點的有線連接。

2.1.1 有害氣體傳感器單元

根據(jù)相關(guān)學(xué)者研究,氮氧化物是隧道汽車尾氣中的主要成分之一,但人體對NO2產(chǎn)生的毒害作用難以察覺,嚴(yán)重威脅隧道內(nèi)人員的健康[12～14],因此對NO2濃度的監(jiān)測尤為重要,但目前國內(nèi)《公路隧道通風(fēng)設(shè)計細(xì)則》(JTG/T D70/2-02-2014)[15]仍將NO2監(jiān)測作為選擇性條款。為全面保障隧道運營安全,本文設(shè)計將NO2濃度作為本隧道感知系統(tǒng)的主要控制指標(biāo)之一。

2.1.2 溫度與氣壓傳感器單元

本單元選用數(shù)字傳感器通過I2C總線技術(shù)實現(xiàn)對隧道監(jiān)測點溫度(temperature of monitoring point,TMP)、氣壓(STP)信息的采集。溫度與氣壓信息可以判斷隧道所處海拔,為進(jìn)一步海拔系數(shù)的計算提供依據(jù),使本系統(tǒng)適用于高海拔隧道。

2.1.3 能見度傳感器單元

本單元選用顆粒物數(shù)字傳感器實現(xiàn)能見度(visibility,VISIB)的監(jiān)測,傳感器采用激光散射原理統(tǒng)計單位體積氣體PM2.5顆粒物數(shù)目,進(jìn)一步得出PM2.5顆粒物濃度,并由USART串口上傳PM2.5濃度信息,MCU可根據(jù)顆粒物濃度計算隧道實時能見度[16]，K=0.004 7μ。其中，K為能見度,m-1,μ為PM2.5濃度,mg/m3。

2.1.4 風(fēng)速傳感器單元

現(xiàn)有隧道多采用風(fēng)杯風(fēng)速計測量實時風(fēng)速,但隧道內(nèi)粉塵容易阻塞傳感器轉(zhuǎn)軸,從而影響測量精度。為提高監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確率,本單元選用兩個超聲波發(fā)射接收器實現(xiàn)隧道實時風(fēng)速的檢測,利用時差法來實現(xiàn)風(fēng)速的測量。由于聲音在空氣中的傳播速度會和風(fēng)速疊加,在固定的檢測條件下,根據(jù)超聲波傳播時間可推算實時風(fēng)速[17],計算為

d/t1=C+V,d/t2=C-V，V=d(1/t2-1/t1)/2

式中V為風(fēng)速,d為兩傳感器之間直線距離,C為超聲波聲速,t1為逆風(fēng)時聲波傳播時間,t2為順風(fēng)時聲波傳播時間。

2.2 數(shù)據(jù)處理節(jié)點設(shè)計

數(shù)據(jù)處理節(jié)點主要是各隧道監(jiān)測點的軟件設(shè)計,程序處理流程如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)處理節(jié)點工作流程

本節(jié)點選用STM32F103控制隧道各監(jiān)測點環(huán)境信息的采集,STM32獲取環(huán)境信息后對傳感器節(jié)點信息進(jìn)行顯示與存儲,并與智能網(wǎng)關(guān)中無線通信芯片建立連接,此外,MCU單元設(shè)置了預(yù)警算法,即根據(jù)細(xì)則中的規(guī)定設(shè)定閾值,當(dāng)監(jiān)測濃度超過閾值時,預(yù)警算法會自動向環(huán)境信息中添加預(yù)警信號,提醒監(jiān)控中心,設(shè)定閾值可參考表1中的各氣體設(shè)計濃度。

表1 《JTGT D702-02-2014 公路隧道通風(fēng)設(shè)計細(xì)則》設(shè)計氣體體積分?jǐn)?shù)表

注：隧道長度為1000m

在處理得到標(biāo)準(zhǔn)單位的隧道環(huán)境信息后,將信息顯示在隧道監(jiān)測點所處位置的TFTLCD屏上,如圖3所示(其中Tunnel Environment Monitor V1.0是標(biāo)題,WSP是風(fēng)速,TEMP是溫度,STP是氣壓),并將環(huán)境信息存儲在SD中。

圖3 顯示單元界面

2.3 智能網(wǎng)關(guān)節(jié)點設(shè)計

智能網(wǎng)關(guān)選用SIM系列通信芯片作為智能網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)傳輸處理器,分別與MCU和SIM卡連接,在MCU控制下,將協(xié)議打包封裝后的數(shù)據(jù)傳輸給SIM卡,啟動GPRS傳輸,上傳服務(wù)器。無線通信芯片在MCU的AT指令的控制下完成2個線程,AT具體指令見表2。

表2 AT指令表(部分)

1)無線通信芯片接收到的MCU發(fā)送的包裝有環(huán)境數(shù)據(jù)的串口數(shù)據(jù)幀不具有網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層,無線通信芯片提供的TCP/IP協(xié)議棧自動可以實現(xiàn)傳輸層的TCP、UDP通信協(xié)議的相關(guān)服務(wù),并完成TCP/IP數(shù)據(jù)幀的封裝與GPRS相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的匹配,實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀的封裝。

2)無線通信芯片打開Internet網(wǎng)絡(luò),在獲取隧道監(jiān)控中心服務(wù)器的IP地址后,建立TCP連接,確定連接有效后,將環(huán)境信息數(shù)據(jù)幀進(jìn)行透明傳輸,并在環(huán)境信息數(shù)據(jù)傳輸完成后關(guān)閉網(wǎng)絡(luò)。

2.4 其他設(shè)計

1)監(jiān)控中心上位機(jī)采用B/S模式,通過訪問瀏覽器獲取上傳服務(wù)器的各隧道監(jiān)測點環(huán)境數(shù)據(jù),并為相關(guān)工作人員或有權(quán)限人員提供可視化頁面,如圖4所示,可提高隧道監(jiān)控中心的監(jiān)測力度。

圖4 監(jiān)控中心顯示頁面示意

2)上位機(jī)會根據(jù)隧道運營環(huán)境數(shù)據(jù)對隧道運營狀態(tài)進(jìn)行判斷,目前的工作是根據(jù)表1所示的預(yù)警值提醒隧道監(jiān)控中心根據(jù)情況做出處理,必要時可以考慮交通管制,另外,筆者在其他相關(guān)設(shè)計中將運營環(huán)境數(shù)據(jù)應(yīng)用于隧道實時需風(fēng)量計算,實現(xiàn)通風(fēng)設(shè)施的智能化控制。

3 實驗結(jié)果

1)為提高隧道環(huán)境信息的準(zhǔn)確度,實驗選用英思科公司的iBRID MX6氣體檢測儀與TFTLCD屏顯示數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,并對相應(yīng)數(shù)據(jù)處理節(jié)點的處理流程進(jìn)行反復(fù)校正,直至誤差小于5 %為止。

2)由于公路隧道環(huán)境比較惡劣,系統(tǒng)采用的無線通信信號可能受到各種外界信號或環(huán)境的干擾而失真,很難保證信號無線傳輸?shù)目煽啃?。因?實驗將系統(tǒng)放置在某隧道內(nèi),將其監(jiān)控中心接收到的GPRS節(jié)點數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)處理節(jié)點SD卡的獲取數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,對無線傳輸性能進(jìn)行評估,數(shù)據(jù)部分結(jié)果對比見表3。結(jié)果表明數(shù)據(jù)處理節(jié)點數(shù)據(jù)與上位機(jī)數(shù)據(jù)在誤差允許的范圍內(nèi)基本一致,證明智能網(wǎng)關(guān)的傳輸可靠性較高,可應(yīng)用于環(huán)境較為惡劣的隧道內(nèi)部環(huán)境。

表3 部分?jǐn)?shù)據(jù)對比

S代表發(fā)送端數(shù)據(jù)處理節(jié)點的數(shù)據(jù),R代表監(jiān)控中心上位機(jī)接收端的數(shù)據(jù)。

4 結(jié) 論

基于GPRS的多傳感器公路隧道運營環(huán)境感知系統(tǒng),可以實時高效監(jiān)測隧道內(nèi)相關(guān)環(huán)境信息,實時顯示在隧道各監(jiān)測點的顯示屏上,同時將信息傳輸至監(jiān)控中心,為進(jìn)一步的隧道安全預(yù)警與實時通風(fēng)計算提供數(shù)據(jù)支持。相比于傳統(tǒng)的監(jiān)控方式,本系統(tǒng)集成隧道運營環(huán)境信息于一體,便于后期數(shù)據(jù)分析與處理,增強(qiáng)了運營信息的利用率；采用無線移動網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)各感知節(jié)點與監(jiān)控中心的通信,減少隧道機(jī)電系統(tǒng)布線,減少數(shù)據(jù)誤報率。實驗證明,采集數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)基本吻合,運行穩(wěn)定,具有良好的實用性,