一個(gè)隧道智能環(huán)境管控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張燕　王博　劉來

關(guān)鍵詞：HOLTEK單片機(jī)；智能；管理；安全風(fēng)險(xiǎn)

中圖分類號： TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）03-0093-04

1 引言

國家政策接連提出“智慧交通”政策，打造智慧交通強(qiáng)國，隧道智能建設(shè)屬于智慧交通建設(shè)行業(yè)的一部分，也是政策推動型產(chǎn)業(yè)，政府對智慧交通的投入是推動行業(yè)發(fā)展的重要因素，“十三五”“十四五”規(guī)劃中，都有說明智慧交通對現(xiàn)在國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展重要性，加快構(gòu)建交通科技創(chuàng)新體系，有效提升交通運(yùn)輸數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化水平成為重要需求。在交通隧道方面，高速、山區(qū)的公路隧道不斷增多，在隧道快速發(fā)展的同時(shí)，隧道內(nèi)發(fā)生事故概率也不斷增加。而且隧道發(fā)生事故時(shí)，若隧道管理部門無法及時(shí)處理就會造成二次傷害。提高我國公路隧道的安全，環(huán)境監(jiān)控，運(yùn)營管理便捷成為迫切需要解決的問題[1-2]。

現(xiàn)有的大多數(shù)隧道附屬設(shè)備包括避車洞、消防設(shè)施、應(yīng)急通訊和防排水設(shè)施，長的隧道還有專門的通風(fēng)和照明設(shè)備，但是沒有專業(yè)的檢測設(shè)備，不能提前預(yù)警事故的發(fā)生；隧道機(jī)電系統(tǒng)存在感知滯后，報(bào)警準(zhǔn)確度低，體現(xiàn)不了應(yīng)急救援業(yè)務(wù)高時(shí)效性需求；缺乏數(shù)據(jù)分析研判、缺乏突發(fā)狀況智能化的處理能力，僅僅依靠人工操作，應(yīng)急處理慢；各子系統(tǒng)單一、自成體系，多源數(shù)據(jù)不共享，缺乏全局設(shè)施設(shè)備聯(lián)動；交通管控信息不能快速通達(dá)駕駛者，影響司乘安全、正確采取行動；在當(dāng)前公路隧道管理中，各管理部門之間管理分散，部門之間分工不同，因此在實(shí)際工作中任務(wù)相對獨(dú)立，相互之間缺乏統(tǒng)一的指揮調(diào)度體系，要對實(shí)際數(shù)據(jù)及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，難度大、運(yùn)營數(shù)據(jù)整理成本高，不利于提升管理水平[3-4]。

2 設(shè)計(jì)特點(diǎn)

1） 景觀隧道。在隧道內(nèi)，鋪設(shè)視覺景觀，以地域風(fēng)光、人文風(fēng)情、城市文化為原色，與自然環(huán)境相協(xié)調(diào)，打造特色人文隧道景觀，構(gòu)造“車從隧道過、人在畫中行”的風(fēng)景線，使其成為最具特色的城市名片，同時(shí)還能降低過往乘客的視覺疲勞。

2） 采用多種傳感器設(shè)備。通過MQ-2煙霧傳感器，超聲波傳感器，一氧化碳傳感器等主要傳感器采集相關(guān)數(shù)據(jù)至合泰單片機(jī)，再將此數(shù)據(jù)通過通信模塊上傳至隧道云平臺，讓監(jiān)控管理人員實(shí)時(shí)查看隧道內(nèi)各種數(shù)據(jù)情況，第一時(shí)間監(jiān)控隧道，以此減少隧道內(nèi)安全隱患；同時(shí)通過紅外對管檢測模塊來檢測過往車輛并計(jì)數(shù)，通過車輛進(jìn)出隧道時(shí)間范圍內(nèi)進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)在一定時(shí)間內(nèi)出隧道和進(jìn)隧道車輛計(jì)數(shù)值增大則擁堵，計(jì)數(shù)值在一定范圍內(nèi)則暢通，以此判斷隧道內(nèi)是否擁堵，以此方便了隧道管理人員管理；隧道內(nèi)較低洼處安裝水位檢測傳感器，通過多個(gè)水位傳感器，采集隧道內(nèi)的水位情況，并將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆破脚_，并求取多個(gè)傳感器采集的數(shù)據(jù)平均值，當(dāng)采集到的數(shù)據(jù)異常并將啟動報(bào)警裝置，將信號傳輸給云平臺上，供隧道管理員查看與管理[5]。

3） 采用了“互聯(lián)網(wǎng)+”物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)，真正實(shí)現(xiàn)了隧道監(jiān)控的集約化、網(wǎng)絡(luò)化遠(yuǎn)程管理，遠(yuǎn)程監(jiān)測控制；管理人員能夠迅速、直觀地根據(jù)云平臺顯示的隧道內(nèi)情況進(jìn)行指揮救援，滿足隧道及隧道群管理的一體化、及時(shí)性需求，而且隧道內(nèi)還有緊急求助按鈕，過往乘客能夠觸發(fā)按鈕通過單片機(jī)的通信模塊與隧道管理人員遠(yuǎn)程聯(lián)系，解決緊急需求，堅(jiān)持了以人為本的發(fā)展觀。

4） 采用LCD 顯示屏。通過不同傳感器采集數(shù)據(jù)，與云平臺設(shè)定的各個(gè)數(shù)值的安全值域相比較，將比較結(jié)果顯示在LCD顯示屏上，而且還能將過往乘客在隧道內(nèi)觸發(fā)緊急求助按鈕的需求顯示在LCD 顯示屏上，求助現(xiàn)場人員的幫助，以最快方式解決問題；同時(shí)能夠在白天或者夜晚提醒過往車輛隧道內(nèi)一氧化碳濃度，氧氣濃度，火災(zāi)及水位情況，安全和擁堵情況，同時(shí)還能在隧道內(nèi)發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)的情況下，提醒馬上進(jìn)入隧道的車輛，避免隧道內(nèi)二次傷害。

5） 智能燈光控制功能。通過光敏電阻采集光信號，在隧道內(nèi)采用多個(gè)點(diǎn)進(jìn)行采集光電值，同時(shí)求平均值判斷光的強(qiáng)弱，同時(shí)將數(shù)據(jù)上傳至云平臺，云平臺通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而通過改變燈的PWM的占空比，改變的亮度，直到接收端和發(fā)送端的光電平均值一致時(shí)，便不再調(diào)節(jié)PWM的占空比，從而實(shí)現(xiàn)自動調(diào)節(jié)的效果。

6） 可視化，便捷化管理。隧道智能環(huán)境管控系統(tǒng)界面可視化，直觀顯示各類設(shè)備的工作狀態(tài)，也可直接找到相應(yīng)設(shè)備進(jìn)行操作，例如：通過單片機(jī)的通信模塊現(xiàn)場與隧道內(nèi)觸發(fā)緊急求助按鈕的人遠(yuǎn)程交流。以此實(shí)現(xiàn)可視化，便捷化管理。

7） 采用多晶硅太陽能電池作為后備能源。其透光性好，成本低：主體是采用鋼化玻璃制作而成，能夠達(dá)到91%以上的透光率，甚至在強(qiáng)光條件下可以達(dá)到100%的透光率，是目前首選的一種電池板材料。當(dāng)隧道內(nèi)因各種原因?qū)е峦ｋ姇r(shí)，多晶硅太陽能板就能短暫供給整體單片機(jī)及各個(gè)設(shè)備的電源供應(yīng)。實(shí)現(xiàn)整套系統(tǒng)持續(xù)工作。

8） 聲光報(bào)警功能。當(dāng)隧道內(nèi)發(fā)生險(xiǎn)情時(shí)，聲光報(bào)警器就會被自動開啟，并且會發(fā)出強(qiáng)烈的聲光報(bào)警信號，從而實(shí)現(xiàn)提醒現(xiàn)場人員注意，謹(jǐn)慎行駛的目的。直至管理員處理完隧道事故過后，方可關(guān)閉聲光報(bào)警器。

3 總體設(shè)計(jì)

3.1 工作原理

如圖1 所示：隧道智能環(huán)境控制系統(tǒng)采用HT32F52352芯片為主要控制元件，該系統(tǒng)主要由煙霧、火焰、一氧化碳等傳感器，紅外對管傳感器，燈光設(shè)備，光敏電阻，傾斜儀，LCD顯示屏，通信模塊，監(jiān)測中心等核心部件組成，各種傳感器實(shí)時(shí)檢測環(huán)境的各種數(shù)據(jù)上傳到云平臺并展示到隧道顯示屏上，當(dāng)某項(xiàng)數(shù)值觸發(fā)安全條件或最大值時(shí)，系統(tǒng)將自動做出相應(yīng)的設(shè)定命令。隧道管理人員可在云平臺查看每天的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，歷史操作，當(dāng)前設(shè)備狀態(tài)等，也可以通過云平臺對設(shè)備下達(dá)各種指令，如打開燈光、打開風(fēng)扇等操作。通過系統(tǒng)能夠?qū)λ淼肋M(jìn)行便捷地查看和管理，極大地降低了隧道安全事故的發(fā)生概率。

3.2 功能

1） 緊急報(bào)警救助功能

在隧道內(nèi)每隔一百米設(shè)置緊急報(bào)警救助按鈕，當(dāng)過往的車輛需要緊急救助時(shí)，可觸發(fā)緊急報(bào)警救助按鈕，單片機(jī)就會緊急報(bào)警求助的消息上傳至云平臺，同時(shí)將緊急求助的消息顯示在隧道入口的LCD屏幕上，提醒現(xiàn)場中是否有人可以提供幫助。

2） 隧道擁堵檢測功能

在隧道進(jìn)出口分別放置紅外對管傳感器，由HT32F52352單片機(jī)接收由紅外對管傳感器采集到的數(shù)據(jù)來進(jìn)行判斷，通過車輛進(jìn)出隧道時(shí)間范圍內(nèi)進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)在一定時(shí)間內(nèi)出隧道和進(jìn)隧道車輛計(jì)數(shù)值增大則擁堵，計(jì)數(shù)值在一定范圍內(nèi)則暢通。當(dāng)擁堵時(shí)，隧道外LCD屏提示隧道內(nèi)擁堵，同時(shí)單片機(jī)將擁堵的信息上傳至云平臺，便于隧道管理人員監(jiān)控與管理。

3） 煙霧報(bào)警控制功能

通過煙霧傳感器，分段采集數(shù)據(jù)，并將采集的數(shù)據(jù)通過HT單片機(jī)傳至通信模塊發(fā)送到云平臺，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，當(dāng)煙霧傳感器被觸發(fā)，將會將數(shù)據(jù)發(fā)送云平臺，云平臺分析數(shù)據(jù)是否觸發(fā)報(bào)警條件，當(dāng)結(jié)果觸發(fā)報(bào)警條件時(shí)，將結(jié)果紅色顯示的云平臺界面上。

4） 智能燈光控制功能

通過光敏電阻采集光信號，在隧道內(nèi)采用多個(gè)點(diǎn)進(jìn)行采集光電值，同時(shí)求平均值判斷光的強(qiáng)弱，同時(shí)將數(shù)據(jù)上傳至單片機(jī)，單片機(jī)通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而通過改變燈的PWM 的占空比，改變的亮度，直到接收端和發(fā)送端的光電平均值一致時(shí)，便不再調(diào)節(jié)PWM 的占空比，從而實(shí)現(xiàn)自動調(diào)節(jié)的效果，同時(shí)達(dá)到節(jié)約用電的作用。

5） 隧道空氣檢測功能

通過煙霧傳感器和一氧化碳傳感器，采集隧道內(nèi)的CO濃度和氧氣濃度，并將采集到的數(shù)據(jù)求取平均值，同時(shí)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆破脚_，當(dāng)一氧化碳濃過高或氧氣濃度過低將會觸發(fā)報(bào)警裝置，同時(shí)系統(tǒng)自動開啟隧道內(nèi)排風(fēng)扇，將有害氣體排除在隧道外，同時(shí)加快氣體流通的速度。

6） 煙霧排氣控制功能

通過煙霧傳感器，分段采集數(shù)據(jù)，當(dāng)云平臺觸發(fā)報(bào)警條件時(shí)，同時(shí)將會啟動隧道內(nèi)的大馬力排風(fēng)扇及時(shí)將氣體排除在隧道外，減少氣體對人的身體造成傷害。

7） 火焰檢測功能

通過火焰?zhèn)鞲衅鳈z測火焰，當(dāng)傳感器檢測到火焰時(shí)，系統(tǒng)自動鳴叫，同時(shí)上傳至監(jiān)測中心并在LCD顯示屏上提醒過往乘客隧道內(nèi)禁止通行。

8） 隧道水位檢測功能

通過多個(gè)水位傳感器，采集隧道內(nèi)的水位情況，并將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆破脚_，并求取多個(gè)傳感器采集的數(shù)據(jù)平均值，當(dāng)采集到的數(shù)據(jù)異常并將啟動報(bào)警裝置，將信號傳輸給云平臺上，供隧道管理員查看與管理。

9） 變形監(jiān)測功能

通過導(dǎo)輪式固定測斜儀來監(jiān)測隧道圍巖的傾斜狀態(tài)，通過超聲測距儀來監(jiān)測隧道圍巖內(nèi)部是否變形，通過裂縫計(jì)來監(jiān)測隧道表面的裂縫開合度。通過三個(gè)設(shè)備來監(jiān)測隧道的變形，對后期的隧道運(yùn)維有著非常大的作用。

10） LCD屏顯示功能。

通過傳感器采集的數(shù)據(jù)至單片機(jī)處理，再上傳至隧道云平臺，同時(shí)將上傳數(shù)值與云平臺設(shè)定的數(shù)值比較，將結(jié)果顯示在LCD顯示屏上，提醒過路車輛隧道內(nèi)一氧化碳濃度，氧氣濃度，火災(zāi)及水位情況。

11） 景觀隧道功能。

在隧道內(nèi)，鋪設(shè)視覺景觀，以地域風(fēng)光、人文風(fēng)情、城市文化為原色，與自然環(huán)境相協(xié)調(diào)，打造特色人文隧道景觀，構(gòu)造“車從隧道過、人在畫中行”的風(fēng)景線，使其成為最具特色的城市名片，同時(shí)還能降低過往乘客的視覺疲勞。同時(shí)還可以在隧道內(nèi)架設(shè)廣告，改變隧道單一的盈利模式。

3.3 硬件設(shè)計(jì)

隧道智能環(huán)境管控系統(tǒng)采用HT32F52352單片機(jī)作為主控芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)。主要通過控制系統(tǒng)控制傳感系統(tǒng)和其他設(shè)備的檢測給單片機(jī)輸入信號。

單片機(jī)再對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，然后輸出相應(yīng)的控制信號給傳感系統(tǒng)、其他設(shè)備。

3.3.1 控制系統(tǒng)

單片機(jī)HT32F52352：控制其余硬件，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)邏輯。

通信模塊由4G模塊構(gòu)成，通過4G模塊實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與監(jiān)控中心之間遠(yuǎn)程的通信。同時(shí)能與阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺進(jìn)行通信。

3.3.2 傳感系統(tǒng)

煙霧傳感器：用于監(jiān)測隧道內(nèi)煙霧的濃度。

水位傳感器：用于檢測隧道內(nèi)的水位信號。

二氧化碳傳感器：用于監(jiān)測隧道內(nèi)的濃度。

一氧化碳傳感器：用于監(jiān)測隧道內(nèi)一氧化碳的濃度。

火焰?zhèn)鞲衅鳎河糜谔綔y火源或其他一些波長在700 納米～1000 納米范圍內(nèi)的熱源實(shí)現(xiàn)火災(zāi)防范。

紅外對管傳感器：紅外對管檢測模塊用于檢測過往車輛并計(jì)數(shù)。

固定測斜儀：監(jiān)測隧道圍巖內(nèi)部是否變形，通過裂縫計(jì)來監(jiān)測隧道表面的裂縫開合度。

光敏電阻：檢測隧道內(nèi)外的環(huán)境光信號。

3.3.3 其他設(shè)備

LCD顯示屏：用于顯示隧道內(nèi)各種情況，提醒過往車輛。

多晶硅太陽能電池：備用電源，用于隧道內(nèi)因各種原因?qū)е峦ｋ姇r(shí)，短暫供給整體單片機(jī)及各個(gè)設(shè)備的電源供應(yīng)。

緊急報(bào)警求助按鈕：用于隧道內(nèi)需要緊急求助的人觸發(fā)按鈕與云平臺的隧道管理人員聯(lián)系。

3.4 軟件部分

采用嵌入式軟件設(shè)計(jì)，主要是通過對各類傳感器輸入和監(jiān)測，完成其控制功能。設(shè)備上電后，各類傳感器將采集到的值傳給單片機(jī)，經(jīng)程序判斷處理，完成對各個(gè)設(shè)備的控制。軟件控制流程簡圖如圖2 所示。

4 測試方法和步驟

1） 連接好系統(tǒng)與各個(gè)模塊，接通電源，開始調(diào)試

2） 操作過程

（1） 打開單片機(jī)后，檢查單片機(jī)是否有零件脫落。

（2） 把各個(gè)硬件連接起來，運(yùn)用程序點(diǎn)亮各個(gè)硬件。

（3） 測試車輛通過模擬隧道時(shí)，紅外對管是否能夠感應(yīng)到，其他傳感器設(shè)備是否正常運(yùn)行。

（4） 實(shí)時(shí)監(jiān)測室內(nèi)的環(huán)境，數(shù)據(jù)上傳至隧道平臺，在平臺上觀察數(shù)據(jù)。

3） 測試結(jié)果

通過系統(tǒng)測試后的結(jié)果表明：系統(tǒng)的各個(gè)模塊運(yùn)行正常。

當(dāng)車輛通過模擬隧道：紅外對管檢測到數(shù)量，達(dá)到一定數(shù)值時(shí)且并未被隧道出口感應(yīng)到，LED顯示屏?xí)崾舅淼纼?nèi)處于擁堵情況。

當(dāng)煙霧傳感器檢測的濃度達(dá)到超過設(shè)定數(shù)值，系統(tǒng)會自動啟動風(fēng)扇排除煙霧。

當(dāng)火焰?zhèn)鞲衅鳈z測到隧道發(fā)生火情，系統(tǒng)蜂鳴器會自動報(bào)警，顯示屏?xí)@示隧道內(nèi)發(fā)生火情，并立刻上報(bào)至監(jiān)控中心。

當(dāng)水位傳感器檢測到水位超過設(shè)定值，會自動將水情上報(bào)至監(jiān)控中心同時(shí)，蜂鳴器響起。

當(dāng)一氧化碳和二氧化碳傳感器檢測到隧道內(nèi)各數(shù)值超過設(shè)定數(shù)值，會在顯示屏上顯示并加大風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速。

當(dāng)光敏電阻模塊檢測到隧道內(nèi)光強(qiáng)低于外界光照時(shí)，會加強(qiáng)LED燈亮度。

當(dāng)緊急求助按鈕被觸發(fā)時(shí)，系統(tǒng)將求助信息顯示在顯示屏上，并上傳至監(jiān)控中心求助。

基于HOLTEK單片機(jī)的隧道智能環(huán)境管控系統(tǒng)研制成功。

5 結(jié)束語

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，隧道智能環(huán)境管控模式將成為提升隧道管控的重要手段，通過提升隧道智能環(huán)境的發(fā)展速度，可以顯著增強(qiáng)交通運(yùn)輸基礎(chǔ)設(shè)施的整體能力，人們需要積極地創(chuàng)新和完善交通運(yùn)輸生產(chǎn)形式和服務(wù)形式，改進(jìn)交通發(fā)展方式，指導(dǎo)其他行業(yè)的發(fā)展，使其保持一個(gè)良好的發(fā)展?fàn)顟B(tài)。為了更好地滿足行車安全、提高行車效率、保護(hù)行車安全、構(gòu)建和諧行車環(huán)境的運(yùn)營管理以及滿足服務(wù)需要，建設(shè)數(shù)字化、綜合化、智能化的公路隧道信息系統(tǒng)勢在必行[6]。