基于ZigBee的隧道CO2氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘 要：在西寧至成都鐵路的海東南山特長(zhǎng)隧道的初步設(shè)計(jì)、施工階段發(fā)現(xiàn)，西寧盆地白堊系砂礫巖地層中含逸散氣，局部可能存在小型高壓氣囊，在開(kāi)挖過(guò)程中可能會(huì)產(chǎn)生靠近高壓氣囊的巖體傾覆及CO2氣體外泄的風(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)該問(wèn)題，采用ZigBee短距離無(wú)線通信技術(shù)與傳感器技術(shù)，結(jié)合GPRS無(wú)線技術(shù)，開(kāi)發(fā)了一套隧道內(nèi)CO2氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)隧道內(nèi)的CO2氣體體積分?jǐn)?shù)與壓力，并通過(guò)無(wú)線通信技術(shù)將數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)測(cè)中心。當(dāng)參數(shù)在正常范圍時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)行周期性上報(bào)；當(dāng)參數(shù)異常時(shí)，系統(tǒng)會(huì)向負(fù)責(zé)人發(fā)送短信提示。研究結(jié)果表明：該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠有效監(jiān)測(cè)隧道內(nèi)的高壓氣體情況，確保施工安全。

關(guān)鍵詞：西成高鐵；CO2氣體傳感器；監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；ZigBee通信；GPRS；隧道

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2024）09-00-03

DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2024.09.013

0 引 言

通過(guò)對(duì)區(qū)域資料的分析以及對(duì)地表和部分鉆探工程的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，西寧盆地白堊系砂礫巖地層中含逸散氣，局部可能存在小型高壓氣囊，在隧道開(kāi)挖過(guò)程中可能產(chǎn)生靠近高壓氣囊的巖體傾覆及CO2氣體外泄引起隧道施工人員傷亡的風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)前期的研究，對(duì)白堊系地層CO2氣體的來(lái)源及賦存規(guī)律已有一定的了解，但不可能通過(guò)勘探手段完全查明白堊系地層CO2氣體的分布特征。

鑒于此，需要在施工期間建立以CO2的壓力和體積分?jǐn)?shù)等指標(biāo)為主要對(duì)象的CO2監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，提出合適的CO2風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警方案與措施，為隧道內(nèi)CO2氣體專項(xiàng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)設(shè)計(jì)提供技術(shù)支撐。

考慮當(dāng)前基本情況，本文設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee無(wú)線通信技術(shù)的隧道CO2氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道中CO2氣體的監(jiān)測(cè)。當(dāng)CO2氣體的壓力和體積分?jǐn)?shù)均在閾值范圍內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)行周期性上報(bào)；當(dāng)壓力或體積分?jǐn)?shù)超過(guò)閾值時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)發(fā)送短信的形式立即上報(bào)信息到指定負(fù)責(zé)人的手機(jī)上，便于負(fù)責(zé)人及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并整改。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)要求

隧道經(jīng)過(guò)CO2高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)時(shí)須嚴(yán)格遵守先排后挖的施工順序，即先排除或者降低有害氣體風(fēng)險(xiǎn)，然后才能進(jìn)行隧道開(kāi)挖。針對(duì)CO2高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的監(jiān)測(cè)主要包括：掌子面超前探孔監(jiān)測(cè)、隧道內(nèi)有害氣體實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，如圖1所示。

風(fēng)險(xiǎn)防控方案主要包括：隧道內(nèi)高效通風(fēng)措施、有害氣體超限預(yù)警與應(yīng)急措施、施工過(guò)程中高壓氣體防護(hù)與處理措施等。詳細(xì)介紹如下：

（1）掌子面前方地層中CO2的超前探測(cè)

沿隧道推進(jìn)方向設(shè)置超前探孔進(jìn)行全過(guò)程探測(cè)，探明CO2壓力、體積分?jǐn)?shù)等賦存參數(shù)。超前探孔監(jiān)測(cè)的氣體壓力和體積分?jǐn)?shù)不超過(guò)限定值時(shí)，每天向施工方管理人員上報(bào)一次監(jiān)測(cè)結(jié)果，施工方管理人員隨即在信息平臺(tái)上發(fā)布監(jiān)測(cè)結(jié)果；氣體壓力或者體積分?jǐn)?shù)超過(guò)限定值時(shí)，隨時(shí)隨地向主管領(lǐng)導(dǎo)電話上報(bào)監(jiān)測(cè)結(jié)果。

（2）隧道內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

自洞口監(jiān)測(cè)控制室至隧道洞內(nèi)掌子面，每間隔100 m安裝一組傳感器和氣體體積分?jǐn)?shù)超限報(bào)警設(shè)備。洞口監(jiān)測(cè)控制室設(shè)置氣體監(jiān)控結(jié)果的顯示系統(tǒng)，由專人負(fù)責(zé)查看顯示終端的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并填寫(xiě)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行記錄。

（3）閾值設(shè)定

CO2體積分?jǐn)?shù)的預(yù)警值設(shè)置為0.15%，停工閾值設(shè)置為0.5%；CO2壓力的預(yù)警值設(shè)置為0.2 MPa，停工閾值設(shè)置為

0.8 MPa。

1.2 設(shè)計(jì)方案

針對(duì)設(shè)計(jì)要求，本文設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee的隧道內(nèi)CO2監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)由CO2監(jiān)測(cè)傳感器、ZigBee無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)、上位機(jī)軟件等多個(gè)子系統(tǒng)組成，如圖2所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

本文采用TI公司出品的CC2530芯片，它不僅成本低、功耗低，而且技術(shù)成熟、性能穩(wěn)定[1]。它內(nèi)部集成開(kāi)源的ZigBee無(wú)線通信協(xié)議[2]，大大縮短了開(kāi)發(fā)與維護(hù)的周期。

本系統(tǒng)采用CO2體積分?jǐn)?shù)傳感器MG811與壓力傳感器XGZP6847A來(lái)完成監(jiān)測(cè)工作。MG811傳感器的工作電壓為5 V，可以雙路輸出信號(hào)，對(duì)CO2具有很高的靈敏度[3-4]。XGZP6847A傳感器是一種表壓傳感器，采用類DIP封裝形式，PCB板的兩面分別安裝有SOP封裝的壓力傳感器與信號(hào)處理電路芯片，對(duì)傳感器的偏移、靈敏度、溫漂和非線性進(jìn)行數(shù)字補(bǔ)償，以供電電壓為參考，產(chǎn)生一個(gè)經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)、溫度補(bǔ)償后的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)[5-6]。

ZigBee數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)硬件包括：傳感器、CC2530控制器、無(wú)線射頻部分、電源轉(zhuǎn)換電路、按鍵與串口調(diào)試等，其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

2.2 ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

ZigBee協(xié)調(diào)器是整個(gè)系統(tǒng)的控制中心，除了組建與管理ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)外，還負(fù)責(zé)通過(guò)串口連接SIM900模塊[7-8]。SIM900模塊是一款GSM/GPRS模塊，工作頻率為850/900/

1 800 MHz，可以低功耗實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音播報(bào)、短信發(fā)送（SMS）、數(shù)據(jù)傳輸?shù)葮I(yè)務(wù)。SIM900模塊負(fù)責(zé)將ZigBee協(xié)調(diào)器收到的超過(guò)閾值的報(bào)警信息以短信的形式發(fā)送到指定負(fù)責(zé)人手機(jī)上，它通過(guò)AT指令進(jìn)行激活與聯(lián)網(wǎng)從而發(fā)送短信。ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)的中心控制節(jié)點(diǎn)，其上電系統(tǒng)初始化完成后，便開(kāi)始在指定的信道上啟動(dòng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)，并周期性發(fā)送允許終端傳感器節(jié)點(diǎn)加入的消息；當(dāng)有無(wú)線傳感器終端節(jié)點(diǎn)加入到ZigBee網(wǎng)絡(luò)后，協(xié)調(diào)器便向其分配一個(gè)16位短地址[9-10]，終端節(jié)點(diǎn)在距離協(xié)調(diào)器較遠(yuǎn)且信號(hào)覆蓋不到的情況下，可以借助路由節(jié)點(diǎn)延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)木嚯x。協(xié)調(diào)器軟件工作流程如圖5所示。

3.2 無(wú)線傳感器終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

在ZigBee協(xié)調(diào)器網(wǎng)絡(luò)搭建完成后，無(wú)線傳感器終端節(jié)點(diǎn)上電完成初始化，然后開(kāi)始進(jìn)行信道掃描，請(qǐng)求加入網(wǎng)絡(luò)。若入網(wǎng)不成功，則重新掃描信道。加入網(wǎng)絡(luò)成功后，終端節(jié)點(diǎn)調(diào)用傳感器數(shù)據(jù)采集程序，開(kāi)始進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，若是超過(guò)閾值，則立即上報(bào)給協(xié)調(diào)器；若是在閾值范圍內(nèi)，則采取周期性上報(bào)的方式報(bào)給協(xié)調(diào)器。無(wú)線傳感器終端節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集程序流程如圖6所示。

4 系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果

當(dāng)終端傳感器加入?yún)f(xié)調(diào)器生成的網(wǎng)絡(luò)后，便開(kāi)始進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。上位機(jī)數(shù)據(jù)終端展示效果如圖7所示。

當(dāng)出現(xiàn)預(yù)警時(shí)，手機(jī)上將會(huì)以短信的形式顯示預(yù)警信息，短信預(yù)警效果如圖8所示。

5 結(jié) 語(yǔ)

在隧道開(kāi)挖過(guò)程中需要對(duì)隧道里的CO2體積分?jǐn)?shù)和壓力進(jìn)行仔細(xì)探測(cè)與分析。為此，本文對(duì)隧道開(kāi)挖過(guò)程中的CO2體積分?jǐn)?shù)與壓力情況進(jìn)行了分析，結(jié)合無(wú)線傳輸技術(shù)與傳感器技術(shù)搭建ZigBee無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道中CO2體積分?jǐn)?shù)和壓力的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為隧道監(jiān)控的實(shí)現(xiàn)提供了一種新的途徑。采用ZigBee進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單快速的優(yōu)勢(shì)，可廣泛應(yīng)用于鐵路、公路的監(jiān)測(cè)與事故預(yù)防。

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收稿日期：2023-09-15 修回日期：2023-10-16

基金項(xiàng)目：成都工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院2023年課程思政專項(xiàng)課題（KCSZ202304）；鐵一院重點(diǎn)研究項(xiàng)目：西寧至成都鐵路海東南山特長(zhǎng)隧道高壓氣體專項(xiàng)研究（222018YH310912）；鐵一院科研項(xiàng)目：西成鐵路隧道高壓氣體安全厚度及突出風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估（院科19-08）

作者簡(jiǎn)介：季 美（1986—），男，湖北監(jiān)利人，碩士，助理講師，研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)。

季 備（1984—），男，湖北監(jiān)利人，碩士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)閹r土工程、水利工程。