基于GPRS的公路隧道運營環境感知系統設計

馮夢溪, 趙 亮, 錢 超

(1.長安大學 電子與控制工程學院,陜西 西安 710064； 2.中交第一公路勘察設計研究院有限公司,陜西 西安 710061)

0 引 言

公路隧道是一個相對封閉的路段,車輛行駛在隧道中排放的一氧化碳、氮氧化合物等有毒尾氣會嚴重威脅隧道交通安全[1]。為了有效改善隧道洞內環境、保證其運營安全、預防火災和交通事故,需要建設公路隧道環境感知系統,提高公路隧道運營部門的監控力度。

目前,國內隧道運營隧道的監測起步較晚[2],現有監控系統監測項目繁雜,運營數據相互獨立,難以匹配,不能成為隧道預警系統與通風控制系統的數據依據；且現有監控系統通常將監測器直接接入可編程邏輯控制器(programmable logic controller,PLC)控制系統,但廣泛布設采集點會增加設計成本,造成控制系統性能過剩[3]。針對以上問題,國內外許多學者在隧道監測領域做出相關研究,張振海等人[4,5]提出采用無線傳感器網絡(wireless sensor networks,WSNs)組成信息采集網,實現大區域的隧道運營環境監測；Moridi M A等人[6]通過實驗分析驗證了WSNs采集方式的可靠與準確性,這種采集方式省去了布線,充分利用WSNs靈活方便的特性,提高了隧道環境信息監測的實時性；雷旭等人[7～9]將監測信息接入網關上傳服務器或通過協議交換連接光端機上傳監控中心,使監控中心通過B/S模式軟件獲取隧道實時運營數據信息,這種方法運用先進的物聯網概念,實現多監測點信息的實時采集與傳輸,提高隧道監控設施的利用率。以上研究主要是對隧道環境信息采集方式與傳輸方式的設計與開發,對于提高現有監控系統的實時性與全面性具有現實意義,但研究對象相對單一,缺乏全面的運營環境監控系統研究,難以為隧道預警系統和通風控制提供數據支持。

參考國內外學者研究的相關經驗,針對現有環境感知系統的效率低、實時性差等缺點,本文設計基于現代網絡技術、嵌入式系統技術、無線通信技術,在充分考慮系統傳輸效率的基礎上,提出一種公路隧道運營多傳感器監測系統,利用(general packet radio service,GPRS)技術,統一采集、處理傳輸運營環境信息,實現公路隧道運營環境實時感知。

1 系統框架設計

為實現設計任務要求,開發高效實用的公路隧道運營環境監測系統,需要實現對隧道有害氣體、溫度與氣壓、能見度與風速信息的采集,實現環境信息顯示、存儲與上傳等功能。系統包括傳感器節點、數據處理節點與智能網關節點三大模塊。系統框架如圖1所示。

圖1 環境感知系統框架圖

2 系統節點設計

2.1 傳感器節點設計

傳感器節點即隧道監測點,位于隧道出入口及隧道中部、彎道處,考慮采集四類傳感器的環境信息,在微處理器(micro controller unit,MCU)的控制下實現信息的處理與傳輸。為全面、準確地監測有害氣體濃度信息,設計將傳感器節點安裝在隧道邊墻上[10]。但隧道邊墻不便于相關機電設備的安裝與操作員的調試,需要將數據處理節點安裝在接近地面的位置,這使得傳感器節點與數據處理節點之間有一定的距離。

盡管WSNs技術具有諸多優點,但在隧道內,隧道線型、管道結構與隧道內惡劣環境會對信號造成干擾,信號強度也在傳輸過程中不斷地衰減,使WSNs技術在隧道監測領域難以付諸實踐[11]。為保障隧道環境信息的穩定采集,傳感器節點采用RVSP屏蔽線實現傳感器與數據處理節點的有線連接。

2.1.1 有害氣體傳感器單元

根據相關學者研究,氮氧化物是隧道汽車尾氣中的主要成分之一,但人體對NO2產生的毒害作用難以察覺,嚴重威脅隧道內人員的健康[12～14],因此對NO2濃度的監測尤為重要,但目前國內《公路隧道通風設計細則》(JTG/T D70/2-02-2014)[15]仍將NO2監測作為選擇性條款。為全面保障隧道運營安全,本文設計將NO2濃度作為本隧道感知系統的主要控制指標之一。

2.1.2 溫度與氣壓傳感器單元

本單元選用數字傳感器通過I2C總線技術實現對隧道監測點溫度(temperature of monitoring point,TMP)、氣壓(STP)信息的采集。溫度與氣壓信息可以判斷隧道所處海拔,為進一步海拔系數的計算提供依據,使本系統適用于高海拔隧道。

2.1.3 能見度傳感器單元

本單元選用顆粒物數字傳感器實現能見度(visibility,VISIB)的監測,傳感器采用激光散射原理統計單位體積氣體PM2.5顆粒物數目,進一步得出PM2.5顆粒物濃度,并由USART串口上傳PM2.5濃度信息,MCU可根據顆粒物濃度計算隧道實時能見度[16]，K=0.004 7μ。其中，K為能見度,m-1,μ為PM2.5濃度,mg/m3。

2.1.4 風速傳感器單元

現有隧道多采用風杯風速計測量實時風速,但隧道內粉塵容易阻塞傳感器轉軸,從而影響測量精度。為提高監測數據的準確率,本單元選用兩個超聲波發射接收器實現隧道實時風速的檢測,利用時差法來實現風速的測量。由于聲音在空氣中的傳播速度會和風速疊加,在固定的檢測條件下,根據超聲波傳播時間可推算實時風速[17],計算為

d/t1=C+V,d/t2=C-V，V=d(1/t2-1/t1)/2

式中V為風速,d為兩傳感器之間直線距離,C為超聲波聲速,t1為逆風時聲波傳播時間,t2為順風時聲波傳播時間。

2.2 數據處理節點設計

數據處理節點主要是各隧道監測點的軟件設計,程序處理流程如圖2所示。

圖2 數據處理節點工作流程

本節點選用STM32F103控制隧道各監測點環境信息的采集,STM32獲取環境信息后對傳感器節點信息進行顯示與存儲,并與智能網關中無線通信芯片建立連接,此外,MCU單元設置了預警算法,即根據細則中的規定設定閾值,當監測濃度超過閾值時,預警算法會自動向環境信息中添加預警信號,提醒監控中心,設定閾值可參考表1中的各氣體設計濃度。

表1 《JTGT D702-02-2014 公路隧道通風設計細則》設計氣體體積分數表

注：隧道長度為1000m

在處理得到標準單位的隧道環境信息后,將信息顯示在隧道監測點所處位置的TFTLCD屏上,如圖3所示(其中Tunnel Environment Monitor V1.0是標題,WSP是風速,TEMP是溫度,STP是氣壓),并將環境信息存儲在SD中。

圖3 顯示單元界面

2.3 智能網關節點設計

智能網關選用SIM系列通信芯片作為智能網關的數據傳輸處理器,分別與MCU和SIM卡連接,在MCU控制下,將協議打包封裝后的數據傳輸給SIM卡,啟動GPRS傳輸,上傳服務器。無線通信芯片在MCU的AT指令的控制下完成2個線程,AT具體指令見表2。

表2 AT指令表(部分)

1)無線通信芯片接收到的MCU發送的包裝有環境數據的串口數據幀不具有網絡層和傳輸層,無線通信芯片提供的TCP/IP協議棧自動可以實現傳輸層的TCP、UDP通信協議的相關服務,并完成TCP/IP數據幀的封裝與GPRS相關標準的匹配,實現網絡數據幀的封裝。

2)無線通信芯片打開Internet網絡,在獲取隧道監控中心服務器的IP地址后,建立TCP連接,確定連接有效后,將環境信息數據幀進行透明傳輸,并在環境信息數據傳輸完成后關閉網絡。

2.4 其他設計

1)監控中心上位機采用B/S模式,通過訪問瀏覽器獲取上傳服務器的各隧道監測點環境數據,并為相關工作人員或有權限人員提供可視化頁面,如圖4所示,可提高隧道監控中心的監測力度。

圖4 監控中心顯示頁面示意

2)上位機會根據隧道運營環境數據對隧道運營狀態進行判斷,目前的工作是根據表1所示的預警值提醒隧道監控中心根據情況做出處理,必要時可以考慮交通管制,另外,筆者在其他相關設計中將運營環境數據應用于隧道實時需風量計算,實現通風設施的智能化控制。

3 實驗結果

1)為提高隧道環境信息的準確度,實驗選用英思科公司的iBRID MX6氣體檢測儀與TFTLCD屏顯示數據進行對比,并對相應數據處理節點的處理流程進行反復校正,直至誤差小于5 %為止。

2)由于公路隧道環境比較惡劣,系統采用的無線通信信號可能受到各種外界信號或環境的干擾而失真,很難保證信號無線傳輸的可靠性。因此,實驗將系統放置在某隧道內,將其監控中心接收到的GPRS節點數據與數據處理節點SD卡的獲取數據進行對比,對無線傳輸性能進行評估,數據部分結果對比見表3。結果表明數據處理節點數據與上位機數據在誤差允許的范圍內基本一致,證明智能網關的傳輸可靠性較高,可應用于環境較為惡劣的隧道內部環境。

表3 部分數據對比

S代表發送端數據處理節點的數據,R代表監控中心上位機接收端的數據。

4 結 論

基于GPRS的多傳感器公路隧道運營環境感知系統,可以實時高效監測隧道內相關環境信息,實時顯示在隧道各監測點的顯示屏上,同時將信息傳輸至監控中心,為進一步的隧道安全預警與實時通風計算提供數據支持。相比于傳統的監控方式,本系統集成隧道運營環境信息于一體,便于后期數據分析與處理,增強了運營信息的利用率；采用無線移動網絡實現各感知節點與監控中心的通信,減少隧道機電系統布線,減少數據誤報率。實驗證明,采集數據與實際數據基本吻合,運行穩定,具有良好的實用性,