綜合管廊監控與預警系統研究

王育紅 石晶 王飛

摘 要：傳統的市政建設中，可以看到密密麻麻的網線、反復開挖的路面、各處的圍擋等，這些不僅影響城市的美觀，影響城市的公共交通，為了解決這些常見的市政問題，響應智慧城市的號召，促進城市的發展，提升城市的市容環境，方便人們的出行，綜合管廊的建設勢在必行。本文對綜合管廊內部環境參數進行分析，提出一種基于STM32的監控與預警系統，能夠有效地幫助工作人員進行安全監測，達到智慧城市的建設標準[1]。

關鍵詞：綜合管廊;監控;預警系統

綜合管廊在建設過程中，為了保證其安全可靠性，需要建立一套完整的監控系統，包括多個子系統地下管廊環境實時監測系統、紅外報警實時視頻監測系統、地下管廊管道設備監控系統等[2]。

1 方案設計

1.1 系統架構

本系統研究為了滿足系統的功能需求，根據監控的具體需求，確定系統采用3層分布式結構系統，按照下圖的框架來實現該功能。

該體系結構按照上圖，自下而上分為對應的是數據層、傳輸層、管理層[3]。3層對應的功能分別如下表1所示。

1.2 主要監測傳感器

在該課題的研究內容中，主要是根據國家規范《城市綜合管廊工程技術規范》GB50838-2015[4]中的條例，確定了管廊內部環境安全的參數及其安全值的要求。

根據規范中的要求，最終確定了必要的監測是空氣的安全性指標，其中就包括O2含量CH4含量，一氧化碳濃度，溫度以及濕度。因此管廊的內部需要放置能夠監測對應氣體含量的傳感器。

為了保證數據能夠準確無誤的傳輸到區域控制器，本系統確定本地采用CAN總線通信方式、遠程采用以太網的工作方式。

2 系統硬件設計

2.1 控制器電路設計與實現

區域控制器是整個3層體系的核心。

（1）控制芯片的選擇。本次根據市場上常見的運用成本低、性能高、成熟的單片機嵌入式系統。經過篩選確定了本系統采用的核心芯片是ST公司生產的STM32F103RCT6。

（2）電源模塊的選擇。結合綜合管廊系統內部的供電方式，系統采用交流220/380V的交流電源[5]。但是位于現場的設備需要以及主控芯片的供電電壓較小，所以需要電路轉換以滿足不同的設備供電需求。

（3）系統必不可少的時鐘電路和復位電路[6]。

（4）存儲模塊。結合綜合管廊的位置特殊性，距離長、設備多，需要存儲所有的實時監測數據，對內存的容量需求比較大，在設計時采用STM32F103RCT6芯片。

2.2 數據采集電路

整個綜合管廊的內部環境參數監測，通過底層的傳感器實現[7]。

（1）溫濕度傳感器。采用SHT11芯片監測綜合管廊內部的溫濕度。為了保證采集數據的準確性，系統采用外部數字溫度傳感器[8]。

（2）氣體數據監測。

（3）火災探測器。《城市綜合管廊工程技術規范》中規定了火災探測器的設計要求，所有的設備選型要保證其靈敏度高、可靠性強，便于及早發現管廊內部火災信號[7]。

2.3 顯示電路

在綜合管廊內部也需要設置采集數據后的顯示平臺，這樣工作人員進入內部檢測才能夠實時的判斷其內部是否正常。除此之外還可以實現歷史數據的查詢、報警記錄查詢等維護工作功能[7]。

2.4 報警電路

綜合管廊位于地下空間，檢修難度大，因此為了能夠及時的發現其內部異常狀況，一旦監測到的數據有異常情況，報警電路工作，發出報警信號。

2.5 通信模塊

在系統的三層結構框架中，根據方案設計采用的通信方式是CAN通信以及RS485通信[7]。選擇CAN總線方式能夠幫助實現底層數據采集與控制器之間信息傳輸功能。并且需要設計串口通信來解決傳感器接口的問題[5]。區域控制器與遠程監測中心之間選用以太網通信模塊。

3 系統軟件設計

在進行系統硬件電路的設計之后，下位機的軟件設計主要由數據采集、CAN接口、現場信息顯示、聲光報警等任務組成。軟件系統是基于搭建好的STM32硬件平臺，應用μc/os-Ⅱ操作系統，在基于微控制器軟件開發平臺Keil uVision5開發軟件下[7]，C語言編程，實現以下功能，如表2。

整個軟件系統的實現通過下面的流程進行：底端的傳感器采集到的數據通過CAN總線傳送給區域控制器，進行一定的處理后，在用以太網進行傳輸到管理機之間，這樣即可實現主機界面的顯示，分機的顯示作用則是在管廊內部進行顯示。

4 系統上位機的設計與實現

綜合管廊系統遠程監測中心，主要是便于管理室的人員進行數據查詢、報警顯示、故障記錄與查詢等多項功能。整個監測系統最上層是控制中心，能夠實現信息遠程監測與預警。本系統的上位機界面選擇組態軟件進行開發，使用簡單、操作方便、開發周期短，通用性強[9]。本次設計選用MCGS。

4.1 工程設計與實現

在MCGS工程設計中，系統要實現的核心功能是建立和管理實時數據庫，建立數據庫需要對整個的數據進行定義和設置。所有的模塊必須和底層的傳感器數據是接口是一一對應的，最終的整個動畫界面是要能夠達到精確、定位的監測目的。

第一步：在上位機開發軟件中，進行變量定義[10]。所有的顯示的數據都要進行數據的定義，設置標簽參數。

第二步：設計界面。遠程監測的目的是直觀的反映綜合管廊內部是否安全。在監測界面上可以查看到實時的顯示數據，同時可以看到氣體濃度變化的曲線圖[11]。當單個變量值變化很快接近上限時，如果持續一定時間即預警燈亮，可以及時提醒人員去進行檢修，排除危險信息。

第三步：動畫連接。所有的界面要進行關聯，能夠實現畫面的切換。當需要查看參數時，即可轉接到對應的界面[12]。

4.2 軟件界面試運行

當打開軟件運行界面后，首先需要進行登錄，按照設置的不同身份的賬號和密碼進行輸入，進入到綜合管廊監控系統管理界面。

在整個系統運行的界面，可以實時看到每一個監測數據的動態值，主要包括溫濕度、危險氣體濃度[13-14]。界面上顯示的數據即正常運行狀態下的實時數據，當出現異常時，即監測到的數據超出其安全界限后，會出現相應的報警指示燈。此時可點擊界面的實時曲線觀察到對應的數據變化。在打開報警窗口后，可以看到對應的報警信息，包括報警的對象、報警值、報警界限和報警描述。

5 結語

論文通過軟硬件結合，本地和遠程的連接，能夠比較完整地實現了綜合管廊系統的監測與控制，能夠有效地解決后期管理中存在的各項不便，在今后的工作中還需要繼續進行研究和系統的完善。

參考文獻：

[1]孫小勇.淺談地下綜合管廊的建設[J].建材發展導向（上），2016（12）：1-2.

[2]郭晉.城市地下綜合管廊智能弱電系統設計要點[J].建材發展導向（上），2016（12）：1-2.

[3]熊紅華.Internet應用培訓教程[M].電子工業出版社，2004.

[4]住房城鄉建設部.《城市綜合管廊工程技術規范》GB50838—2015.

[5]張繼輝，趙雨欣.綜合管廊與地鐵共建之供配電系統設計[J].建筑工程技術與設計，2018（32）：1081-182.

[6]楊雷，郟東耀.一種高可靠性的復位電路[J].電子技術應用，2015（8）：78-80.

[7]王育紅.城市地下綜合管廊監測與預警系統研究及應用[D].西安：西安建筑科技大學，2017.

[8]陳龍.基于無線傳感器網絡的數據采集系統的設計與實現[D].蘭州理工大學，2019.

[9]孟慶菊.MCGS嵌入版組態軟件在道口報警控制系統中的應用[J].鐵道勘察，2004（3）：61-62.

[10]忻龍彪，楊曉晴，宋淑彩.一種基于CAN總線的電力抄表系統[J].國外電子測量技術，2005，24（8）：37-38.

[11]張偉.綜合管廊規劃設計的思考[J].建筑工程技術與設計，2017（18）：38.

[12]谷思威.通信電源分布式監控系統[D].長沙：中南大學，2003.

[13]夏鋒，孫優賢.工業以太網應用性能分析[J].電氣傳動，2004，34（2）：40-43.

[14]包亮，王里奧，陳萌，等.基于GPRS的市政下水道氣體安全監測預警系統[J].中國給水排水，2009，25（15）：39-42.

基金項目：陜西鐵路工程職業技術學院2018年首批科研基金項目（KY2018-07）

作者簡介：王育紅（1991— ），女，漢族，陜西藍田人，碩士，講師，研究方向：自動控制、建筑電氣智能化。