隧道機電設(shè)備狀態(tài)感知終端的研究及其在大數(shù)據(jù)系統(tǒng)中的應(yīng)用

陳智亮 蔣銫琦 吳洪堯 劉海萍

摘要：本文依托大數(shù)據(jù)平臺技術(shù)以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，提出了一種隧道機電狀態(tài)感知終端系統(tǒng)，其輸入連接區(qū)控、風(fēng)機、汽通門、泵房、消防系統(tǒng)，其輸出連接工業(yè)以太網(wǎng)交換機，再將采集到的數(shù)據(jù)上傳至上位機服務(wù)器，為大數(shù)據(jù)平臺提供精確的數(shù)據(jù)支持。

關(guān)鍵詞：隧道機電設(shè)備;智能感知;大數(shù)據(jù)系統(tǒng)

中圖分類號：TP311.13 ? ?文獻標識碼：A ? ?文章編號：1007-9416（2020）06-0000-00

1 隧道機電設(shè)備狀態(tài)感知終端

1.1 終端構(gòu)架設(shè)計

隧道機電設(shè)備感知終端功能強大，接口豐富，并且具有遠程功能。主體包括三個部分電源管理部分、核心處理器部分和數(shù)據(jù)采集部分。電源管理部分由24V專用開關(guān)電源、UPS電池組成。其中專用開關(guān)電源帶斷電檢測。核心處理器部分由微型計算機、FLASH、SDRAM和相關(guān)電子電路組成，具有強大的計算能力和存儲能力，能對采集到的數(shù)據(jù)進行精確處理并保存。數(shù)據(jù)采集部分由和其各對應(yīng)的采集模塊組成，滿足各種類型信號數(shù)據(jù)的采集，并且可以對所有接口同時進行采集，然后通過微型計算機處理后上傳[1]。

1.2 硬件設(shè)計

結(jié)合設(shè)計實際需求，本感知終端的硬件部分設(shè)計有幾點[2]：（1）本感知終端選用高性能、低功耗、小體積的工業(yè)級Cortex-M3系列處理器，主頻高達80MHz，中斷延遲短且調(diào)試成本低。（2）電源模塊選用LM2576和AMS1117芯片提供5V和3.3V電壓為CPU和其他模塊供電。同時，選用B0505S-1WR3模塊為電源模塊提供短路保護和電容保護。（3）DI模塊有8路數(shù)據(jù)量量數(shù)據(jù)通道，支持讀寫操作，外接開關(guān)量信號設(shè)備。（4）AI模塊有10路4-20Ma模擬量數(shù)據(jù)通道，精度為12位，外接模擬量信號設(shè)備。（5）UART模塊選用MAX485芯片實現(xiàn)，外接10k上拉電阻防止干擾信號誤出發(fā)R0（接收器輸出）產(chǎn)生負跳變，使接收端MCU進入接收狀態(tài)。（6）以太網(wǎng)模塊選用DM9000AEP型號的PHY芯片，實現(xiàn)百兆網(wǎng)絡(luò)通訊。（7）本終端有一個TTL電平輸出端子，可輸出MCU的運行信息，便于調(diào)試以及了解其運行狀況。同時，本終端還有指示燈及復(fù)位按鈕等基礎(chǔ)部件。

1.3 軟件及數(shù)據(jù)接口設(shè)計

1.3.1 下位機軟件設(shè)計

考慮到本感知終端設(shè)計功能豐富，采用模塊化設(shè)計。同時，利用Keil5軟件進行程序的編寫和設(shè)計。下位機軟件設(shè)計包括：（1）主程序軟件設(shè)計;（2）數(shù)據(jù)采集功能模塊軟件設(shè)計，包括模擬量數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)字量數(shù)據(jù)采集模塊、RS485串口通訊模塊;（3）PWM時序輸出功能軟件設(shè)計;（4）實現(xiàn)I/O口輸入輸出功能軟件設(shè)計;（5）以太網(wǎng)通訊模塊軟件設(shè)計。

1.3.2 上位機軟件設(shè)計

上位機軟件是專門設(shè)計為本感知終端進行配置調(diào)試使用。其包括：（1）網(wǎng)口設(shè)置，利用以太網(wǎng)通訊的方式通過固定的IP和端口號與指定的感知終端進行連接，然后對其進行操作;（2）參數(shù)配置，在于終端成功連接之后，可對該感知終端進行設(shè)備ID、上位機IP、設(shè)備IP、網(wǎng)關(guān)等一系列基本參數(shù)的設(shè)置;（3）485串口設(shè)置，因為現(xiàn)實場景中，不同的廠家對其產(chǎn)品設(shè)定的通訊協(xié)議各不相同，有環(huán)境監(jiān)測類設(shè)備、振動傳感器類設(shè)備、電表類設(shè)備、溫度傳感器類設(shè)備等等，因此在此選項可根據(jù)系統(tǒng)集成的隧道常用外接設(shè)備選擇不同通訊協(xié)議和波特率，以實現(xiàn)終端與外接設(shè)備之間的通訊;（4）AI量程配置，在此區(qū)塊可根據(jù)不同設(shè)備提供的說明對接入AI模擬量采集口的外接設(shè)備進行量程配置，以確保數(shù)據(jù)的準確性。

2 基于終端構(gòu)建隧道機電大數(shù)據(jù)系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

本系統(tǒng)旨在構(gòu)建一個面向交通機電的設(shè)備管理系統(tǒng)，主要管理高速公路、國省道及隧道、橋梁上的機電設(shè)備。在交通機電系統(tǒng)中引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過在設(shè)備端安裝大數(shù)據(jù)平臺專用的智能數(shù)據(jù)采集及通訊終端，采集設(shè)備的實時運行狀態(tài)及供電情況?，F(xiàn)場的數(shù)據(jù)通過上傳后進入統(tǒng)一的大數(shù)據(jù)系統(tǒng)進行存儲，并在機電設(shè)施大數(shù)據(jù)平臺進行管理和展現(xiàn)。實現(xiàn)遠距離，大范圍的機電設(shè)備監(jiān)控。

2.2 終端數(shù)據(jù)采集應(yīng)用

高速公路隧道的機電設(shè)備種類繁多，本節(jié)以高速公路隧道內(nèi)射流風(fēng)機的實際應(yīng)用為例，來描述終端數(shù)據(jù)采集以及大數(shù)據(jù)平臺在現(xiàn)實場景中的應(yīng)用。在傳統(tǒng)的隧道風(fēng)機控制柜和射流風(fēng)機的基礎(chǔ)上添加一系列相關(guān)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備。主要包括：（1）多功能電表，采集風(fēng)機運行電流、電壓、功率、能耗等等數(shù)據(jù);（2）溫度傳感器，安裝在風(fēng)機的轉(zhuǎn)動軸上;（3）振動傳感器，安裝在風(fēng)機上。同時，在控制柜內(nèi)安裝本機電設(shè)備感知終端，以及將各個采集設(shè)備的通訊口接入到終端的相應(yīng)采集口上。

感知終端通過RS485采集通道與多功能電表進行通訊，根據(jù)指定的通訊協(xié)議來實時獲取風(fēng)機的單相電壓、單相電流、功率、能耗等數(shù)據(jù)。同時，通過AI模擬量采集通道實時采集溫度傳感器和振動傳感的數(shù)據(jù)。本終端的處理器在采集到這些數(shù)據(jù)之后，會對其進行初步處理。然后，通過工業(yè)以太網(wǎng)交換機上傳至上位機服務(wù)器。這些數(shù)據(jù)會先被儲存在特定的數(shù)據(jù)庫內(nèi)，等待大數(shù)據(jù)平臺系統(tǒng)的調(diào)取。在被調(diào)取之前，大數(shù)據(jù)平臺會對這些數(shù)據(jù)進行對比，清洗，轉(zhuǎn)換。當(dāng)數(shù)據(jù)被調(diào)取之后，會進入各算法模型當(dāng)中比如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等[3]。同時，大數(shù)據(jù)平臺也會不斷進行學(xué)習(xí)。經(jīng)過算法計算后的數(shù)據(jù)會被運用于大數(shù)據(jù)系統(tǒng)的各項服務(wù)當(dāng)中。

2.3 大數(shù)據(jù)分析結(jié)果

上述射流風(fēng)機數(shù)據(jù)采集實際應(yīng)用，其感知終端通過多功能電表、溫度傳感器、振動傳感器采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)算法計算分析后結(jié)果如：以射流風(fēng)機1-1為例，其軸溫為24.21℃，X軸振動為14.33mm，Y軸振動為13.66mm，各單相電流為64.19A，各單相電壓為223.74V。其次，軟啟，供電，PLC三個為故障報警信號，0為正常，1為故障。

3 結(jié)語

智能數(shù)據(jù)采集終端作為一款專門針對高速公路機電行業(yè)開發(fā)的多功能路側(cè)設(shè)備，在整個大數(shù)據(jù)平臺的底層設(shè)備數(shù)據(jù)采集中發(fā)揮著關(guān)鍵的作用。本設(shè)備基于高性能Cortex-M3 CPU，采用高可靠的嵌入式系統(tǒng)作為嵌入式應(yīng)用平臺;具備DI、AI、RS485、以太網(wǎng)口等全部主流數(shù)據(jù)輸入輸出接口;集成各類隧道機電設(shè)備主流品牌常用通訊協(xié)議及電力儀表協(xié)議，可直接接入信號自動根據(jù)協(xié)議解析處理數(shù)據(jù)。同時，大數(shù)據(jù)系統(tǒng)的應(yīng)用有助于高速隧道機電設(shè)施數(shù)字化管理，全覆蓋的設(shè)備信息監(jiān)測，智慧化運維管理，大數(shù)據(jù)分析和決策支持，為以后的智慧高速、車路協(xié)同、自動駕駛等服務(wù)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和模型基礎(chǔ)。

參考文獻

[1] 魏偉.智能感知在隧道機電系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].中國交通信息化，2019（9）：128-129+132.

[2] 沈蘭蓀.數(shù)據(jù)采集技術(shù)[M].合肥：中國科技大學(xué)出版社，1990.

[3] 熊堯.多功能高速采集卡的設(shè)計與實現(xiàn)[D].西安：西安工程大學(xué)，2013.

收稿日期：2020-05-06

作者簡介：陳智亮（1995—），男，浙江杭州人，本科，助理工程師，研究方向：電子信息。