高速公路隧道無線物聯(lián)網(wǎng)測控系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

韋界華

(廣西新發(fā)展交通集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530029)

0 引言

隧道采用現(xiàn)代綜合信息控制工程技術(shù),設(shè)置了交通、照明、通風(fēng)、給排水、消防、除濕系統(tǒng)、電力系統(tǒng)等設(shè)施。而隧道監(jiān)控管理作為監(jiān)控中心的一個重要管理業(yè)務(wù),在設(shè)計時要充分考慮實(shí)現(xiàn)共享干線資源,減少管理人員,降低管理運(yùn)營成本。

然而目前使用的區(qū)域PLC控制器存在接線口匹配難,不能遠(yuǎn)程升級等維護(hù)難度大、施工成本高的缺點(diǎn)。所以,設(shè)計一套新型的、無線組網(wǎng)測控器及軟件系統(tǒng),以進(jìn)一步提高隧道內(nèi)機(jī)電測控系統(tǒng)穩(wěn)定性,提高施工效率、降低建設(shè)維修成本是有必要的[1]。

基于LORA MESH的無線物聯(lián)網(wǎng)測控器系統(tǒng)方案,相對傳統(tǒng)PLC測控方案具有以下優(yōu)勢:在施工安裝時,無須專業(yè)電氣人員即可安裝,調(diào)試過程簡單;每個設(shè)備相互獨(dú)立,控制接線簡單;設(shè)備出現(xiàn)故障時,只影響故障設(shè)備,對區(qū)域的控制無影響,系統(tǒng)穩(wěn)定性高;后期維修簡單,只需對維修人員進(jìn)行簡單培訓(xùn)即可。

1 LORAMESH無線物聯(lián)網(wǎng)測控系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計

本系統(tǒng)是根據(jù)隧道工程的實(shí)際需求,從軟件功能、硬件結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行了個性化設(shè)計的一種數(shù)據(jù)采集和控制執(zhí)行裝置。其系統(tǒng)主要由LORA無線物聯(lián)網(wǎng)測控器、LORA無線物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)、主控匯聚觸摸屏、路網(wǎng)監(jiān)控中心軟件等組成,如圖1所示。

圖1 無線物聯(lián)網(wǎng)測控器系統(tǒng)架構(gòu)圖

系統(tǒng)總體架構(gòu)是在各變電所設(shè)置LORA無線物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān),在隧道內(nèi)各類設(shè)備處安裝LORA無線物聯(lián)網(wǎng)測控器,物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備通過自身900 MHz的LORA無線總線網(wǎng)絡(luò)無縫融合自組網(wǎng),將隧道現(xiàn)場各類設(shè)備狀態(tài)及控制信息匯總到變電所無線網(wǎng)關(guān),無線物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)通過網(wǎng)口實(shí)現(xiàn)與主控匯聚觸摸屏通信,數(shù)據(jù)經(jīng)匯聚處理后,通過工業(yè)以太網(wǎng)三層交換機(jī)實(shí)現(xiàn)與監(jiān)控中心軟件通信,實(shí)現(xiàn)與隧道現(xiàn)場設(shè)備的無縫融合測控[2]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計方案

2.1 無線測控器設(shè)計原理

硬件部分主要由LORA無線測控器、LORA無線物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)、主控PLC、觸摸顯示屏組成。關(guān)鍵的測控器為自行設(shè)計,其電路原理如圖2所示。

圖2 硬件設(shè)計原理圖

無線測控器CPU選用STM32F750,其ARM內(nèi)核+最大主頻216 MHz可以保障系統(tǒng)程序運(yùn)行的高效性。輸出8路開關(guān)量信號對設(shè)備進(jìn)行控制、8路開關(guān)量信號和4路模擬量信號的輸入檢測。485串口轉(zhuǎn)無線網(wǎng)絡(luò)傳輸,能夠完成與無線物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)通信。此外,在測控器和網(wǎng)關(guān)上設(shè)計了ESP8266無線模塊,可方便地通過手持終端上APP軟件設(shè)置和控制該設(shè)備,完成無線監(jiān)測、無線控制、遠(yuǎn)程維護(hù)、遠(yuǎn)程升級、故障診斷等功能。

2.2 模擬量、開關(guān)量信號測控技術(shù)

提高通信穩(wěn)定性的關(guān)鍵是接口隔離:模擬量AI點(diǎn)位和開關(guān)量DI接口輸入分別經(jīng)過隔離器1和2接入單片機(jī)進(jìn)行處理;開關(guān)量輸出信號由單片機(jī)模塊控制輸出經(jīng)過繼電器隔離,再由DO口輸出外接設(shè)備。DO采用繼電器隔離,4-20mA模擬量輸入采用光耦隔離,如圖3所示。

圖3 I/O控制系統(tǒng)框圖

2.3 LORA無線網(wǎng)關(guān)的組網(wǎng)方式設(shè)計

LORA無線通信技術(shù)具備傳輸距離遠(yuǎn)、穿透性良好、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn),但是也存在斷網(wǎng)重連延時長、高通信速率低等缺點(diǎn)。因此,為解決上述問題,設(shè)計了專門針對隧道環(huán)境使用的傳輸方案,采用專用900 Mhz的FHSS(Frequency-Hopping Spread Spectrum)跳頻數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、Digital MESH數(shù)字無中心自組網(wǎng)技術(shù),使用128-AES數(shù)據(jù)空中加密,跳頻對碼的通信方式,對無線通信中非常注重的抗同頻干擾、空中劫持和防黑客攻擊有很強(qiáng)的對抗能力[3]。

另外,由于系統(tǒng)使用的是專用的900 MHz工業(yè)無線頻段,在高速公路設(shè)備監(jiān)控環(huán)境上,不會受到2.4 GHz、5.8 GHz的無線信號干擾,也不會受到430 MHz民用對講機(jī)的鄰頻干擾,所以傳輸距離及傳輸可靠性得到明顯的提高。

由于LORA無線設(shè)備安裝環(huán)境靈活,對管理和施工方面非常友好,如現(xiàn)場布線簡單,后期維護(hù)方便,前期投入節(jié)約等。該設(shè)計采用LORA無線FHSS MESH網(wǎng)絡(luò)支持多信道協(xié)商、自適應(yīng)信道分配、轉(zhuǎn)發(fā)路由、空中加密、跳頻等多種通信方式。其數(shù)據(jù)傳輸類似于漁網(wǎng)結(jié)構(gòu),主要是多點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸方式,設(shè)置一個FHSS MESH無線物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān),在現(xiàn)場設(shè)備旁設(shè)置另一個FHSS MESH無線物聯(lián)網(wǎng)耦合器,無線物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備會自動尋找最優(yōu)通信節(jié)點(diǎn),自適應(yīng)現(xiàn)場的無線信道、信號強(qiáng)度、網(wǎng)絡(luò)延時等參數(shù),然后將數(shù)據(jù)傳輸?shù)紽HSS MESH無線物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。組網(wǎng)拓?fù)鋱D如圖4所示。

圖4 LORA MESH網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

LORA MESH相較于傳統(tǒng)LORA WAN組網(wǎng)方式具有超遠(yuǎn)通信距離,超強(qiáng)系統(tǒng)擴(kuò)展性的技術(shù)優(yōu)勢。有別于LORA WAN的星形組網(wǎng)方式,其混合組網(wǎng)具有更高的系統(tǒng)穩(wěn)定性。采用分時通信,節(jié)點(diǎn)中繼,實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的終端接入。

當(dāng)節(jié)點(diǎn)間通信或某一個副節(jié)點(diǎn)通信不暢時,其能自動跳轉(zhuǎn)到其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,從而實(shí)現(xiàn)無線冗余環(huán)網(wǎng)功能。由于可以實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)通信,因此在縱深較大、距離較長的隧道空間內(nèi),可減少故障發(fā)生的機(jī)會,提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2.3.1 時延容忍的高可靠網(wǎng)絡(luò)

FHSS MESH網(wǎng)絡(luò)在物理層優(yōu)先滿足低功耗和遠(yuǎn)距離,在鏈路層通過協(xié)議保證高可靠性。Gossip協(xié)議具有一定的可靠性,但會降低網(wǎng)絡(luò)容量。LORA MESH協(xié)議通過跳頻、消息匯聚、鏈路層應(yīng)答、網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)等協(xié)議技術(shù)將網(wǎng)絡(luò)端到端的可靠性提升到90%以上,如圖5所示。

圖5 FHSS MESH網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)鏈路圖

2.3.2 消息聚合

Gossip協(xié)議極易造成消息碰撞,導(dǎo)致消息轉(zhuǎn)發(fā)效率降低。消息聚合將多個小消息合并成一條大消息發(fā)送,從而減少消息發(fā)送頻次,有效降低消息碰撞概率。如圖6所示,消息合并減少了由于載波偵聽退讓的隨機(jī)間隔時間,可有效提高信息利用率。

圖6 消息聚合發(fā)送示意圖

3 LORA無線物聯(lián)網(wǎng)測控系統(tǒng)軟件設(shè)計

WiFi是一種基于IEEE802.11系列協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)的無線通信技術(shù),相對于藍(lán)牙技術(shù),其具有傳輸距離遠(yuǎn)、傳輸速率快的優(yōu)勢。目前已通過無線WiFi配置手機(jī)APP實(shí)現(xiàn)了隧道車道指示器和交通信號燈控制等功能,手持端控制軟件如圖7所示。

圖7 WiFi控制APP軟件界面圖

4 LORA無線物聯(lián)網(wǎng)測控系統(tǒng)的工程應(yīng)用

本系統(tǒng)在廣西天峨(黔桂界)至北海高速公路(巴馬至平果段)高速公路光明山隧道進(jìn)行了試點(diǎn)安裝,接入控制交通信號燈、車道指示器、風(fēng)機(jī)、防火門、隧道環(huán)境參數(shù)CO/VI等設(shè)備,并對該系統(tǒng)的控制響應(yīng)時間、狀態(tài)反饋時間、模擬量AI、組網(wǎng)穩(wěn)定性以及斷網(wǎng)重連等性能進(jìn)行了試驗(yàn),測試結(jié)果如表1、表2所示。

表1 性能可靠性測試結(jié)果表

表2 通信穩(wěn)定性測試結(jié)果表

測試結(jié)果表明,該系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性均達(dá)到了預(yù)期的指標(biāo)。通過使用LORA無線物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)提高隧道機(jī)電部署效率,給機(jī)電運(yùn)維提供更穩(wěn)定管理方案和更便捷的后期維修方式,提高運(yùn)行維護(hù)水平,并可對各分系統(tǒng)設(shè)備根據(jù)隧道運(yùn)行需要實(shí)行自動化控制,與各系統(tǒng)設(shè)備聯(lián)動,協(xié)同作業(yè),以實(shí)現(xiàn)智能化、自動化設(shè)備運(yùn)行的需要。同時可以極大地提升高速公路的服務(wù)水平,提升高速運(yùn)營的整體品牌形象。

5 結(jié)語

本文結(jié)合當(dāng)前公路隧道區(qū)域控制器調(diào)試專業(yè)難度大、施工成本以及維護(hù)成本高等問題進(jìn)行分析,以LORA MESH無線通信為基礎(chǔ),設(shè)計出一套無線物聯(lián)網(wǎng)測控系統(tǒng),很好地解決了上述問題。最后通過實(shí)際應(yīng)用測試證明,該系統(tǒng)便于管理,節(jié)省運(yùn)維人力,且其智能化、自動化理念符合智慧公路的設(shè)計要求。