基于物聯網的城市軌道交通環境監測系統研究

王 寧 高 朋

西安航天自動化股份有限公司 陜西 西安 710065

引言

軌道交通系統作為一種快速安全的交通方式越來越被廣大都市居民認可,在地鐵成為人們主要出行工具的同時,人們在地鐵車站內逗留的時間也隨之增加,在運營高峰時段,地鐵站內客流密度大,地鐵車站衛生狀況對人體健康產生不良影響,這一問題已引起國內外專家學者的廣泛關注.本研究針對上海地鐵站臺綜合環境進行了分析,設計了城市軌道交通站臺的環境遠程監測系統.

1 當前城市軌道交通行車環境安全的主要問題

當前我國城市軌道交通發展迅速,特別在新制式軌道交通全面發展的大背景下,地面和高架形式的線路不斷增加,如強風、大霧、暴雨雪、地震等極端天氣條件及自然災害等對軌道交通運行的影響逐漸顯著。一旦發生諸如橋梁、車輛在強風等極端天氣下失穩等狀況,將會危及乘客生命安全。隨著極端天氣發生的頻率越來越高、危害越來越大,對城軌高架線路在強風(尤其是強側風)、強雨、地震條件下車-線-橋系統危險因素進行監測,量化指標,分級響應,最大限度防范風險、規避災害、保障列車安全運行成為當前亟需解決的問題。目前我國城市軌道交通地面高架線路目前尚無行車環境安全監測方面的相關標準規范;在極端氣象環境下缺乏統一、可行的行車管理規章制度;氣象部門提供的氣象數據對軌道交通地面高架線路行車安全的輔助作用缺乏針對性,且數據不能滿足確保行車安全的實時性要求。

2 物聯網的城市軌道交通環境監測系統

2.1 功能設計 本系統功能分為城軌環境數據采集、數據傳輸、數據存儲和數據處理4部分。1)數據采集。部署在監測區域中的傳感器節點完成各項城軌周邊環境信息的感知和采集,需要采集的環境信息包括:溫度、濕度、煙霧濃度、地表沉降和橋梁水平位移狀況等。2)數據傳輸。傳感器節點在采集到數據信息后,按照CTP協議的要求,位于基站監控機的節點將自己設為根節點,其他節點通過估計其與鄰節點之間的鏈路質量信息選擇下一跳節點,形成到根節點的樹狀集合。所有節點照此路由將采集到的環境監測信息傳送到基站節點。3)數據存儲。基站節點首先將匯聚到的所有環境監測信息上傳給基站監控機,基站監控機再將數據上傳給遠程的數據庫服務器。數據庫服務器存儲了全部的系統監測信息。4)數據處理。數據處理又包含監測信息可視化顯示和異常告警2部分。通過在基站監控機或終端監控中心上安裝的環境信息監控平臺,可視化地顯示城軌交通環境監測信息,并對采集到的異常數據及時告警。

2.2 采集節點設計 為了適用于不同的站臺,本系統采用無線多節點采集環境信息.可以根據不同的站臺不同的人流量來布置采集節點的位置,節點數目不限定,使采集的信息更準確.節點主控采用STM32F103C8T6單片機控制,該單片機內置ADC轉換用以采集一氧化碳(CO)傳感器、煙霧傳感器、PM2.5傳感器信息.用1根數據IO口讀取DHT11的溫濕度值.將采集到的數據用1個數組保存,ZigBee芯片采用德州儀器的CC2530芯片.

2.3 城軌環境監測節點節能策略 城軌交通環境監測系統采用k=2的節點覆蓋策略,網絡中一半數量的節點為冗余節點。由于節點能量的有限性,平時將冗余節點設置為休眠狀態,不能將相鄰的2個節點同時休眠,以避免網絡中覆蓋盲區的出現。在網絡中出現能量耗盡或失效節點時,冗余節點將代替此節點進行相關數據監測和采集,并通知基站節點失效節點的位置,以及時補充新節點。

2.4 監測單元功能設計 1)主控模塊主控模塊主要功能包括:時鐘控制;其它模塊進程控制;遠程控制(包括遠程重啟、電源關閉),報警發布。選擇嵌入式芯片,帶操作系統下的嵌入式開發。采購主控核心板:選型參考CPU:ARMCORTEX-A17。2)數據采集模塊完成對傳感器監測信息的采集(表2),要求支持同時采集不少于3種傳感器、不同采樣頻率下的數據。3)數據處理模塊完成對采集數據的過濾、數據包封裝、報警算法及數據處理等。4)數據轉發模塊將封裝后的數據包發送到數據通信模塊。5)數據本地存儲模塊實現數據本地存儲,容量滿足30天存儲要求,支持最大32G的SD卡,SD卡可熱插拔。6)數據通信模塊數據通信可采用有線、無線兩種方式。其中有線方式是模擬軌道交通中數據通信RJ-45接口直接連接或者遠距離光纖傳輸。有線通信支持1個光口(1000M)、兩個電口(100M),光口支持SFP光模塊。無線通信方式是模擬軌道交通中2.4G無線通信方式。無線通信采用Wi-Fi模塊。(2.4G,至少支持802.11b/g)。

3 結語

利用局部網絡或互聯網等通信技術把傳感器、控制器、機器、人員和物等通過新的方式聯在一起,形成人與物、物與物相聯,實現信息化、遠程管理控制和智能化的網絡是未來科技發展的必經之路.物聯網作為互聯網的延伸,物聯網中所有的元素(所有的設備、資源及通信等)都是個性化和私有化的,把傳感器和互聯網連接是物聯網發展的一大方面,該項目希望通過把傳感器技術、互聯網技術、環境監控三者相互結合,將環境監控問題網絡化、智能化、人性化,使人們能夠更好的調控所生活的環境.