地下基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測設(shè)備架構(gòu)設(shè)計與工程實現(xiàn)

廖崧琳，王 露,2，胡 聰，陳 超，曾祥豹,2，文境瀟，王 飛

(1.中電科技集團(tuán)重慶聲光電有限公司,重慶401332；2.中國電子科技集團(tuán)公司第二十六研究所，重慶400060)

0 引言

隨著對智慧城市的深入研究和實踐，近年來，基礎(chǔ)設(shè)施智慧化的研究逐漸增多。但是地下基礎(chǔ)設(shè)施研究相對薄弱，要實現(xiàn)地下基礎(chǔ)設(shè)施智慧化的運行目標(biāo)，首先需要開展一體化監(jiān)測設(shè)備的研究。掌握地下基礎(chǔ)設(shè)施環(huán)境更多維度的信息才能給上層決策和規(guī)劃提供堅實的基礎(chǔ)[1-2]。

不管是針對地鐵隧道還是地下綜合管廊，現(xiàn)有設(shè)備要么對環(huán)境的某一指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測，專一性和針對性強[3-6]，要么環(huán)境適應(yīng)性、參數(shù)指標(biāo)拓展性較差，沒有統(tǒng)一的架構(gòu)設(shè)計，做不到根據(jù)應(yīng)用場景快速增減[7-9]。

因此，針對上述存在的問題，本文對于地下環(huán)境中的參數(shù)指標(biāo)監(jiān)測，設(shè)計了一個傳感器標(biāo)準(zhǔn)化接口、一個即插即用的總線式框架和一個滿足地下環(huán)境穩(wěn)定運行的加固結(jié)構(gòu)。使終端能根據(jù)應(yīng)用需求，任意組合、隨時更換(包括但不限于如下傳感器指標(biāo)：風(fēng)速、風(fēng)向、環(huán)境溫度、相對濕度、環(huán)境氣壓、空氣中的微粒(PM1.0、PM2.5和PM10)、光線強度、噪聲和常見環(huán)境氣體(氨氣、二氧化氮、二氧化硫、氧氣、臭氧、一氧化碳、二氧化碳、甲烷和揮發(fā)性有機物))。

1 系統(tǒng)概要

圖1為一體化監(jiān)測終端系統(tǒng)框圖。由圖可知，地下基礎(chǔ)設(shè)施一體化監(jiān)測終端包括核心處理單元、接口單元和子傳感器單元3部分。核心處理單元負(fù)責(zé)控制調(diào)度邏輯實現(xiàn)，傳感器結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)處理，內(nèi)外信息交互通信實現(xiàn)和終端電源管理等工作；子傳感器單元負(fù)責(zé)對各種傳感器模塊進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化接口封裝，接收核心處理單元的調(diào)度，實現(xiàn)有序數(shù)據(jù)上報、非周期數(shù)據(jù)讀取和靜默休眠等功能；接口單元負(fù)責(zé)連接核心處理單元和子傳感器單元，對接子傳感器的標(biāo)準(zhǔn)化接口。接口單元以母板的形式接入多個子傳感器，給核心處理單元提供接口的物理實現(xiàn)。

圖1 一體化監(jiān)測終端系統(tǒng)框圖

2 總線式系統(tǒng)框架

總線式系統(tǒng)框架(見圖2)主要是指傳感器的獲取、處理和上報由掛載在同一條總線上的設(shè)備來完成。主控單元接收上位機或云平臺的指令或請求，通過總線對所有在線子傳感器進(jìn)行控制、調(diào)度和通信。考慮不同傳感器之間可能會有影響，如顆粒傳感器通過內(nèi)置風(fēng)扇吸入待測氣體，風(fēng)扇的聲音可能會影響噪聲傳感器，出風(fēng)口也可能影響風(fēng)速風(fēng)向傳感器的測量精度。另外，部分氣體傳感器需要預(yù)熱，低功耗過程中不能斷電。所以需要統(tǒng)一進(jìn)行調(diào)度，排除自身傳感器之間的互相干擾，實現(xiàn)最優(yōu)的工作狀態(tài)。

圖2 總線式系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)框架在軟件上基于Real Time Thread(RT-Thread)嵌入式實時操作系統(tǒng)實現(xiàn)。RT-Thread是一款完全由國內(nèi)團(tuán)隊開發(fā)并維護(hù)的嵌入式實時操作系統(tǒng)，具有自主知識產(chǎn)權(quán)，且完全開源。與其他的實時操作系統(tǒng)相比，RT-Thread不僅擁有一個實時內(nèi)核，還具備豐富的中間層組件，對于開發(fā)和數(shù)據(jù)上云都提供了極大的方便。本文基于RT-Thread分別設(shè)計了指示燈線程、數(shù)據(jù)獲取線程、數(shù)據(jù)封裝線程和數(shù)據(jù)上報線程(見圖3)。

圖3 終端線程設(shè)計

由圖3可知，指示燈線程通過預(yù)先設(shè)計的狀態(tài)機對狀態(tài)進(jìn)行控制并進(jìn)行標(biāo)識，先發(fā)送信號量給其他線程，根據(jù)線程返回的信號，輸出設(shè)備狀態(tài)指示，實現(xiàn)信息的反饋；數(shù)據(jù)獲取線程根據(jù)調(diào)度規(guī)則和數(shù)據(jù)獲取要求對子傳感器按照通信協(xié)議請求數(shù)據(jù)，獲取到各個傳感器的數(shù)據(jù)后發(fā)送到未封裝消息隊列；數(shù)據(jù)封裝線程從未封裝消息隊列中獲取分離的傳感器數(shù)據(jù)后，按照傳感器編碼和云平臺的規(guī)則對數(shù)據(jù)增加設(shè)備編碼、時間戳和位置信息等，完成后發(fā)送到封裝消息隊列；數(shù)據(jù)上報線程從封裝消息隊列獲取數(shù)據(jù)，上報到云平臺。

通過4個線程實現(xiàn)了模塊識別、運行調(diào)度和數(shù)據(jù)采集3個功能。

2.1 傳感器模塊識別

傳感器模塊識別功能實現(xiàn)在指示燈線程中，對新接入的傳感器模塊自動識別，滿足即插即用的要求。

圖4為自動插入識別功能的硬件實現(xiàn)。由圖可知，硬件設(shè)計上，在傳感器接口單元的每個“9”腳都接有一上拉電阻，子傳感器上該引腳下拉到地。當(dāng)有傳感器模組插入接口單元時，微處理器監(jiān)測I/O口電平由高變低，由此判斷該接口上有傳感器接入。然后對該接口單元地址下發(fā)命令，請求上報傳感器模塊類型和數(shù)量。子傳感器回復(fù)后，通信驗證通過，子傳感器處于就緒狀態(tài)，其地址將會被存放到在線池中，該子傳感器就能接收數(shù)據(jù)獲取線程的數(shù)據(jù)請求。

圖4 自動插入識別功能的硬件實現(xiàn)

2.2 傳感器運行調(diào)度

在數(shù)據(jù)獲取線程中實現(xiàn)傳感器運行調(diào)度功能，即基于傳感器本身特性和任務(wù)需求在一個采樣周期內(nèi)對各個傳感器進(jìn)行電源管理、控制指令下發(fā)和數(shù)據(jù)讀取的功能。

傳感器運行調(diào)度需要考慮不同傳感器上電預(yù)熱、數(shù)據(jù)有效時間、能耗管理和交叉影響等問題。不同傳感器獲取數(shù)據(jù)方式不同。

對于氣體類傳感器，由于終端標(biāo)配氣體傳感器采用三電極的電化學(xué)傳感器，設(shè)備要求首次使用前預(yù)熱3 min，完成后才能就緒。溫濕度傳感器采用數(shù)字協(xié)議輸出數(shù)字芯片，可以即時獲取數(shù)據(jù)，上電即進(jìn)入就緒狀態(tài)。顆粒物傳感器由于采用內(nèi)置風(fēng)扇的方式抽取待測氣體，風(fēng)扇的啟動和關(guān)閉都需要一定時間，為了防止對其他傳感器產(chǎn)生影響，需要通過電源控制，實現(xiàn)獨立運行。噪音傳感器運行時需要規(guī)避可能有振動的傳感器運行，如風(fēng)速風(fēng)向傳感器，它采用超聲波的方式實現(xiàn)，這對噪聲傳感器也有一定影響。

因此，傳感器運行調(diào)度如表1所示。考慮是否會影響其他傳感器和是否受其他傳感器影響，利用操作系統(tǒng)的互鎖機制添加禁止同時采集的約束。

表1 傳感器運行特性

另一個需要考慮的因素是不同傳感器數(shù)據(jù)的同時性。每個信息獲取的設(shè)備都存在采樣率問題，對于整個終端，每次所有傳感器數(shù)據(jù)的全部獲取時間間隔可能是分鐘級，寬裕的傳感器數(shù)據(jù)獲取時間，再加上傳感器數(shù)量多，輪詢式獲取傳感器數(shù)據(jù)可能會導(dǎo)致前后時間差。而實際上從更高抽象層次來分析這些不同維度的傳感器數(shù)據(jù)時，希望其時間差越小越好，最好是同一時刻獲取得到(當(dāng)然實際是不可能的)。因此，在實際設(shè)計中，盡可能地避免干擾，但盡量短時間內(nèi)獲取完所有的傳感器數(shù)據(jù)。

2.3 傳感器數(shù)據(jù)采集

在各個子傳感器模塊和傳感器數(shù)據(jù)獲取線程中實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)采集功能，即通過統(tǒng)一的通信協(xié)議逐個對各種傳感器獲取數(shù)據(jù)的過程。從傳感器運行調(diào)度功能中可知，各種傳感器本身外形尺寸、輸出形式及通信協(xié)議均不統(tǒng)一，因此需要為所有傳感器和設(shè)備向外發(fā)送數(shù)據(jù)設(shè)計統(tǒng)一的軟件通信協(xié)議。子傳感器在對形式各樣的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行重新封裝后，接受主控單元的請求完成數(shù)據(jù)的采集。

通信方式采用通用RS485總線式通信協(xié)議，所有傳感器子模塊均連接到同一條總線上。RS485采用差分信號傳輸，抗干擾能力強，由主控單元主動下發(fā)指令獲取傳感器數(shù)據(jù)。主控單元下發(fā)的命令格式如表2所示。子傳感器上報的幀格式如表3所示。

表2 主控單元下發(fā)的幀格式

表3 子傳感器上報的幀格式

3 標(biāo)準(zhǔn)化接口設(shè)計

針對氣體類傳感器尺寸比較接近的現(xiàn)狀，考慮終端部署現(xiàn)場，受光線和部署位置的影響，同時氣體類傳感器存在有效期問題，為便于更換，本文設(shè)計了一種“盲插”結(jié)構(gòu)。

如圖5所示，PCB板設(shè)計為1/4缺口圓，將9個插針孔引腳分布在二、三和四象限，插針直接固定在PCB板上，形成公頭。

圖5 1/4缺口圓PCB板

子傳感器模塊結(jié)構(gòu)上搭配的滑槽結(jié)構(gòu)如圖6所示。拔插時，只需將子傳感器模塊插入下方的卡座中，通過旋轉(zhuǎn)模塊，當(dāng)滑槽結(jié)構(gòu)對準(zhǔn)時，內(nèi)置的9個引腳即對準(zhǔn)，直接插入即可完成安裝。

圖6 “盲插”滑槽結(jié)構(gòu)

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計

考慮終端主要應(yīng)用環(huán)境是在地鐵、隧道等地下環(huán)境中，振動、噪聲、粉塵、甚至漏水等破壞性因素較多，工作環(huán)境惡劣，因此對產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性要求也更嚴(yán)苛。同時，本產(chǎn)品還可以擴展推廣到智慧城市、智慧環(huán)保、智慧農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。因此，針對一體化監(jiān)測設(shè)備預(yù)計所面臨的環(huán)境(如雨水、粉塵、高溫、嚴(yán)寒、雷擊、冰雹等氣候環(huán)境、振動等機械環(huán)境及腐蝕等生物環(huán)境)作用，提出了以下復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)性加固技術(shù)：

1) 一體化監(jiān)測設(shè)備機身采用增強型ABS塑料(其中，A為丙烯腈， B為丁二烯，S為苯乙烯三元聚合物)，該材料具有堅固、抗腐蝕、輕巧等特點，能增強對設(shè)備在腐蝕、冰雹等環(huán)境作用下的適應(yīng)能力。

2) 設(shè)備內(nèi)部和連接器上使用可阻擋沙塵、水的密封系統(tǒng)。

3) 考慮內(nèi)部內(nèi)置大量氣體傳感器，在防水防塵的同時又不能阻隔待測氣體的進(jìn)出，因此將終端底部密集做孔，增加進(jìn)氣通道。

4) 加速生命周期測試，確保設(shè)備能夠承受溫度和震動的極端變化。

通過以上幾點加固技術(shù)，能滿足對一體化監(jiān)測設(shè)備環(huán)境適應(yīng)性的要求，提高了設(shè)備的整體可靠性。圖7為加固式結(jié)構(gòu)設(shè)計。

圖7 加固式結(jié)構(gòu)設(shè)計

5 實驗結(jié)果與現(xiàn)場示范

圖8為地鐵示范點實拍圖。圖9為數(shù)據(jù)展示頁面。

圖8 地鐵示范點

圖9 云平臺展示頁面

從部署情況來看，在數(shù)據(jù)可靠性方面，所有傳感器參數(shù)均通過了第三方權(quán)威機構(gòu)進(jìn)行測試，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。數(shù)據(jù)穩(wěn)定性方面，自主無任何干預(yù)下，穩(wěn)定上報11種傳感器5個月數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)丟包率為2.51%。目前上報周期為10 min，每天上報144條數(shù)據(jù)，即每天平均丟失約3.6條數(shù)據(jù)。考慮數(shù)據(jù)通信鏈路穩(wěn)定性等問題，數(shù)據(jù)穩(wěn)定性符合預(yù)期。

6 結(jié)束語

本文設(shè)計了一個應(yīng)用于地下基礎(chǔ)設(shè)施復(fù)雜環(huán)境下多參數(shù)傳感器數(shù)據(jù)采集、處理和上報的監(jiān)測終端。通過設(shè)計統(tǒng)一的通信協(xié)議，將所有的子傳感器進(jìn)行統(tǒng)一封裝，基于RT-Thread設(shè)計系統(tǒng)框架，以及搭配“盲插”式結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)傳感器的即插即用，隨時拓展。通過實際的地鐵現(xiàn)場示范應(yīng)用，驗證了設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性。今后，我們將在多參數(shù)的傳感器數(shù)據(jù)分析和融合方面繼續(xù)展開研究。