基于ARM處理器的隧道監控系統的實現

中國石油天然氣管道工程有限公司 陳光景

國網山西省電力公司物資分公司 荊文毅

基于ARM處理器的隧道監控系統的實現

中國石油天然氣管道工程有限公司 陳光景

國網山西省電力公司物資分公司 荊文毅

ARM處理器具有性能高、成本低和能耗低等諸多優點，提出一種基于模塊化設計的ARM隧道區域控制器的硬件設計方案，與上位機組態軟件組成一套監控系統，通過工業以太網來實現上位機和多個ARM之間的通信，增強了整個系統的可靠性。

隧道監控；組態軟件；ARM區域控制器

引言

近年來，隨著國家經濟和工控技術的發展，國家加快了高速公路及隧道公路的建設步伐。因隧道屬于半封閉環境、車流量大、光線較暗、地理環境特殊等特點，與普通路段相比，交通事故頻發，危險性較大，如何提高隧道內的交通安全逐漸成為隧道建設和運營單位關注的焦點。因此，建立完善的監控系統設施，降低事故率，提高隧道能見度，延長隧道的使用年限，對隧道的行車安全具有非常重要的意義。

建設完善的隧道監控系統是十分必要的，尤其針對中長隧道，高可靠的高速公路隧道監控系統設計研究將成為重點中的重點。

圖1 隧道控制系統結構圖

此外，目前國內外廣泛應用的公路隧道監控系統大多以可編程邏輯控制器PLC作為現場控制器，控制隧道內各個系統及設備，建立完整的監控系統。這種實現方案具有技術成熟、應用廣泛、可靠性高等優點，但對于較長的公路隧道，由于需要設置的節點數量較多，區域控制器PLC價格昂貴，大大提高工程造價，因此在現場控制器的選擇上，國外項目已開始大量采用基于ARM微控器的嵌入式系統，它具有高擴展性的接口，可靠的片上資源，低功耗，因此已應用于各類監控系統中。但國內基于ARM控制器的隧道監控系統尚未出現。

1 隧道監控系統結構組成

隧道監控系統主要通過對隧道的各種硬件設備的控制來實現對隧道內交通的管制，并通過檢測和監視傳感器的實施上傳數據分析、處理、判斷現場情況，并調用合理的控制預案，作出對事故或火災的迅速響應。根據設備的功能和分類，隧道監控系統分為交通管制系統、照明控制系統、風機控制系統、視頻監視系統、火災消防系統、緊急電話系統等。

整個系統采用了廣泛應用的分布式控制模式來進行區域控制分布式控制的結構組成分為3層：第一層為軟件層，由監控中心的計算機組成，第二層為網絡層，是由光纖環網組成的工業以太網，第三層為控制層，分布在現場的區域控制器。隧道控制系統結構圖如圖1所示。

本系統采用的力控Forcecontrol 6.1組態軟件作為上位機，下位機采用高性能ARM處理器STM32103ZET6組成的區域控制器，進行管理和控制隧道內的現場設備。通信方式采用工業以太網模式。

圖3 STM32f103ZET6核心原理圖

2 下位機區域控制器設計

系統檢測模塊需要對現場傳感器采集的環境數據進行處理，要求控制芯片有可靠的數據分析計算能力，因此，選用嵌入式芯片STM32F103，該芯片使用ARM先進架構的Cortex—M3內核，CPU頻率可達72MHz，具有兩個16位ADC用于高速采集，32個I/O端口用于連接外部設備。I/O端口作為輸入口讀取控制設備的反饋量數據以及風速、洞外亮度儀、COVI的模擬信號采集，作為輸出端口用于控制照明、風機、車道指示器和交通信號燈的開關量控制。芯片具有速度快、功耗低、可靠性高、實時性強等優點。

本系統區域控制器選用了意法半導體(STMicroelectronics)推出的ARM處理器STM32103ZET6。它主要由CPU模塊、網絡通訊模塊、數字輸出模塊、數字輸入模塊、模擬量采集模塊等分別做成相應的電路板或模塊。ARM控制系統圖如圖2所示。

圖2 隧道區域控制器結構圖

2.1 CPU模塊

CPU模塊是整個控制系統的核心，主要通過通訊協議實現上位機和下位機的通信，主要有控制信號的發出、反饋的信號的輸入以及現場傳感器的模擬信號精確采集。CPU模塊裝有3.2寸LCD液晶顯示屏，采用可變靜態存儲控制器FSMC驅動LCD。FSMC可以配置成與多種圖形LCD控制器實現無縫連接，它支持Intel 8080和Motorola 6800的模式，并能夠靈活的與特定的LCD接口，使用這個LCD并行接口可以很方便地構建簡易的圖形應用環境。LCD液晶屏上顯示I/O口的輸入和輸出狀態。STM32f103ZET6核心原理圖如圖3所示。

2.2 網絡通訊模塊

HLK-RM04是海凌科電子新推出的低成本嵌入式 UARTETH-WIFI(串口-以太網-無線網)模塊。通過HLK-RM04模塊，傳統的串口設備無需更改任何配置，即可通過Internet網絡傳輸自己的數據。為用戶的串口設備通過網絡傳輸數據提供完整快速的解決方案。串口轉以太網模型如圖4所示。

本設計串口通訊協議采用Modbus串行口通信協議，該協議在ARM處理器中編寫。

圖4 串口轉以太網模型

2.3 數字輸出模塊

數字輸出模塊將STM32的GPIO口輸出電壓0或3.3V通過光耦隔離轉換成0或24V繼電器工作電壓，通過光耦隔離，有效避免外部設備過壓損壞STM32主控制芯片，每一路輸出信號都有LED顯示I/O狀態。

2.4 數字輸入模塊

數字輸入模塊將繼電器輸入電壓0或24V通過光耦隔離轉換成0或3.3V主控芯片STM32工作電壓，通過光耦隔離，有效避免外部設備過壓損壞STM32主控制芯片，每一路輸入信號都有LED顯示I/O狀態。

2.5 模擬輸入模塊

模擬輸入模塊將風速、洞外亮度、COVI傳感器的輸入4～20ma電流信號轉換成0.66V～3.3V主控芯片STM32的AD采樣工作電壓，其有3路共16通道的12位高精度AD采樣通道。由于STM32103ZET6內部具有A/D轉換功能模塊，所以在電路設計的時候就不需要其它的A/D轉換芯片。本電路設計時，采用了BAV99作為AD轉換時的保護電路。同時為了降低噪聲在AD的輸入端連接了一個低通濾波器，電路如圖5所示。

圖5 模擬輸入保護電路圖

3 隧道監控系統上位機軟件設計

基于力控Forcecontrol 6.1組態軟件的上位機的設計。力控Force Control 6.1組態軟件提供良好的工業控制解決方案，其強大的通訊接口，具有數據通訊和采集的功能，內部嵌入了各種下位控制設備的軟件模塊，并兼容所有的通訊協議。

力控監控組態軟件的主要程序組件包括：工程管理器、人機界面VIEW、數據庫組態、I/O設備管理、通訊模塊配置以及數據服務和Windows擴展組件，其中嵌入的實時數據庫是組態軟件的核心。系統主界面能夠實時顯示隧道內各種設備的分布概況，同時可以動態顯示環境檢測值（風速風向檢測值、CO/VI檢測值、光照度檢測值等）以及所有設備的運行狀態，能夠及時將隧道內的交通狀況反饋給運行人員，以便及時掌握現場信息。

4 結論

本文選取高性能的ARM嵌入式處理器作為區域控制器和力控Forcecontrol 6.1組態軟件相結合的方式來開發隧道監控系統，極大地降低了成本并提高了系統的開發效率，對傳統PLC是一個極大的挑戰。其中使用光纖環網來實現上位機和多個ARM之間的通信，增強了整個系統的可靠性。監控系統實現了數據監測、設備狀態監控、歷史數據查詢、報警預案管理等功能。上位機軟件人機界面布局合理、系統運行流暢穩定，易于安裝、操作和維護，系統設置的多種預案為監控中心提供了合理的選擇，為車輛的安全運行以及處理突發事故提供了強有利的保障。在一定程度上可以替代傳統的PLC控制器。此外，該系統亦可應用與其它多種工業控制領域。

目前高速公路隧道監控系統技術相對成熟，智能化、集成化已成為未來發展的方向。 ARM處理器高性價比和高兼容性為開發者帶來前所未有的機遇。

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