一個隧道智能環境管控系統的設計

張燕　王博　劉來

關鍵詞：HOLTEK單片機；智能；管理；安全風險

中圖分類號： TP311 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）03-0093-04

1 引言

國家政策接連提出“智慧交通”政策，打造智慧交通強國，隧道智能建設屬于智慧交通建設行業的一部分，也是政策推動型產業，政府對智慧交通的投入是推動行業發展的重要因素，“十三五”“十四五”規劃中，都有說明智慧交通對現在國家經濟發展重要性，加快構建交通科技創新體系，有效提升交通運輸數字化、網絡化、智能化水平成為重要需求。在交通隧道方面，高速、山區的公路隧道不斷增多，在隧道快速發展的同時，隧道內發生事故概率也不斷增加。而且隧道發生事故時，若隧道管理部門無法及時處理就會造成二次傷害。提高我國公路隧道的安全，環境監控，運營管理便捷成為迫切需要解決的問題[1-2]。

現有的大多數隧道附屬設備包括避車洞、消防設施、應急通訊和防排水設施，長的隧道還有專門的通風和照明設備，但是沒有專業的檢測設備，不能提前預警事故的發生；隧道機電系統存在感知滯后，報警準確度低，體現不了應急救援業務高時效性需求；缺乏數據分析研判、缺乏突發狀況智能化的處理能力，僅僅依靠人工操作，應急處理慢；各子系統單一、自成體系，多源數據不共享，缺乏全局設施設備聯動；交通管控信息不能快速通達駕駛者，影響司乘安全、正確采取行動；在當前公路隧道管理中，各管理部門之間管理分散，部門之間分工不同，因此在實際工作中任務相對獨立，相互之間缺乏統一的指揮調度體系，要對實際數據及實時數據進行統計分析，難度大、運營數據整理成本高，不利于提升管理水平[3-4]。

2 設計特點

1） 景觀隧道。在隧道內，鋪設視覺景觀，以地域風光、人文風情、城市文化為原色，與自然環境相協調，打造特色人文隧道景觀，構造“車從隧道過、人在畫中行”的風景線，使其成為最具特色的城市名片，同時還能降低過往乘客的視覺疲勞。

2） 采用多種傳感器設備。通過MQ-2煙霧傳感器，超聲波傳感器，一氧化碳傳感器等主要傳感器采集相關數據至合泰單片機，再將此數據通過通信模塊上傳至隧道云平臺，讓監控管理人員實時查看隧道內各種數據情況，第一時間監控隧道，以此減少隧道內安全隱患；同時通過紅外對管檢測模塊來檢測過往車輛并計數，通過車輛進出隧道時間范圍內進行計數，當在一定時間內出隧道和進隧道車輛計數值增大則擁堵，計數值在一定范圍內則暢通，以此判斷隧道內是否擁堵，以此方便了隧道管理人員管理；隧道內較低洼處安裝水位檢測傳感器，通過多個水位傳感器，采集隧道內的水位情況，并將采集到的數據傳輸到云平臺，并求取多個傳感器采集的數據平均值，當采集到的數據異常并將啟動報警裝置，將信號傳輸給云平臺上，供隧道管理員查看與管理[5]。

3） 采用了“互聯網+”物聯網網絡通訊技術，真正實現了隧道監控的集約化、網絡化遠程管理，遠程監測控制；管理人員能夠迅速、直觀地根據云平臺顯示的隧道內情況進行指揮救援，滿足隧道及隧道群管理的一體化、及時性需求，而且隧道內還有緊急求助按鈕，過往乘客能夠觸發按鈕通過單片機的通信模塊與隧道管理人員遠程聯系，解決緊急需求，堅持了以人為本的發展觀。

4） 采用LCD 顯示屏。通過不同傳感器采集數據，與云平臺設定的各個數值的安全值域相比較，將比較結果顯示在LCD顯示屏上，而且還能將過往乘客在隧道內觸發緊急求助按鈕的需求顯示在LCD 顯示屏上，求助現場人員的幫助，以最快方式解決問題；同時能夠在白天或者夜晚提醒過往車輛隧道內一氧化碳濃度，氧氣濃度，火災及水位情況，安全和擁堵情況，同時還能在隧道內發現危險的情況下，提醒馬上進入隧道的車輛，避免隧道內二次傷害。

5） 智能燈光控制功能。通過光敏電阻采集光信號，在隧道內采用多個點進行采集光電值，同時求平均值判斷光的強弱，同時將數據上傳至云平臺，云平臺通過對數據進行分析，從而通過改變燈的PWM的占空比，改變的亮度，直到接收端和發送端的光電平均值一致時，便不再調節PWM的占空比，從而實現自動調節的效果。

6） 可視化，便捷化管理。隧道智能環境管控系統界面可視化，直觀顯示各類設備的工作狀態，也可直接找到相應設備進行操作，例如：通過單片機的通信模塊現場與隧道內觸發緊急求助按鈕的人遠程交流。以此實現可視化，便捷化管理。

7） 采用多晶硅太陽能電池作為后備能源。其透光性好，成本低：主體是采用鋼化玻璃制作而成，能夠達到91%以上的透光率，甚至在強光條件下可以達到100%的透光率，是目前首選的一種電池板材料。當隧道內因各種原因導致停電時，多晶硅太陽能板就能短暫供給整體單片機及各個設備的電源供應。實現整套系統持續工作。

8） 聲光報警功能。當隧道內發生險情時，聲光報警器就會被自動開啟，并且會發出強烈的聲光報警信號，從而實現提醒現場人員注意，謹慎行駛的目的。直至管理員處理完隧道事故過后，方可關閉聲光報警器。

3 總體設計

3.1 工作原理

如圖1 所示：隧道智能環境控制系統采用HT32F52352芯片為主要控制元件，該系統主要由煙霧、火焰、一氧化碳等傳感器，紅外對管傳感器，燈光設備，光敏電阻，傾斜儀，LCD顯示屏，通信模塊，監測中心等核心部件組成，各種傳感器實時檢測環境的各種數據上傳到云平臺并展示到隧道顯示屏上，當某項數值觸發安全條件或最大值時，系統將自動做出相應的設定命令。隧道管理人員可在云平臺查看每天的實時數據，歷史操作，當前設備狀態等，也可以通過云平臺對設備下達各種指令，如打開燈光、打開風扇等操作。通過系統能夠對隧道進行便捷地查看和管理，極大地降低了隧道安全事故的發生概率。

3.2 功能

1） 緊急報警救助功能

在隧道內每隔一百米設置緊急報警救助按鈕，當過往的車輛需要緊急救助時，可觸發緊急報警救助按鈕，單片機就會緊急報警求助的消息上傳至云平臺，同時將緊急求助的消息顯示在隧道入口的LCD屏幕上，提醒現場中是否有人可以提供幫助。

2） 隧道擁堵檢測功能

在隧道進出口分別放置紅外對管傳感器，由HT32F52352單片機接收由紅外對管傳感器采集到的數據來進行判斷，通過車輛進出隧道時間范圍內進行計數，當在一定時間內出隧道和進隧道車輛計數值增大則擁堵，計數值在一定范圍內則暢通。當擁堵時，隧道外LCD屏提示隧道內擁堵，同時單片機將擁堵的信息上傳至云平臺，便于隧道管理人員監控與管理。

3） 煙霧報警控制功能

通過煙霧傳感器，分段采集數據，并將采集的數據通過HT單片機傳至通信模塊發送到云平臺，實現實時監控，當煙霧傳感器被觸發，將會將數據發送云平臺，云平臺分析數據是否觸發報警條件，當結果觸發報警條件時，將結果紅色顯示的云平臺界面上。

4） 智能燈光控制功能

通過光敏電阻采集光信號，在隧道內采用多個點進行采集光電值，同時求平均值判斷光的強弱，同時將數據上傳至單片機，單片機通過對數據進行分析，從而通過改變燈的PWM 的占空比，改變的亮度，直到接收端和發送端的光電平均值一致時，便不再調節PWM 的占空比，從而實現自動調節的效果，同時達到節約用電的作用。

5） 隧道空氣檢測功能

通過煙霧傳感器和一氧化碳傳感器，采集隧道內的CO濃度和氧氣濃度，并將采集到的數據求取平均值，同時將數據傳輸到云平臺，當一氧化碳濃過高或氧氣濃度過低將會觸發報警裝置，同時系統自動開啟隧道內排風扇，將有害氣體排除在隧道外，同時加快氣體流通的速度。

6） 煙霧排氣控制功能

通過煙霧傳感器，分段采集數據，當云平臺觸發報警條件時，同時將會啟動隧道內的大馬力排風扇及時將氣體排除在隧道外，減少氣體對人的身體造成傷害。

7） 火焰檢測功能

通過火焰傳感器檢測火焰，當傳感器檢測到火焰時，系統自動鳴叫，同時上傳至監測中心并在LCD顯示屏上提醒過往乘客隧道內禁止通行。

8） 隧道水位檢測功能

通過多個水位傳感器，采集隧道內的水位情況，并將采集到的數據傳輸到云平臺，并求取多個傳感器采集的數據平均值，當采集到的數據異常并將啟動報警裝置，將信號傳輸給云平臺上，供隧道管理員查看與管理。

9） 變形監測功能

通過導輪式固定測斜儀來監測隧道圍巖的傾斜狀態，通過超聲測距儀來監測隧道圍巖內部是否變形，通過裂縫計來監測隧道表面的裂縫開合度。通過三個設備來監測隧道的變形，對后期的隧道運維有著非常大的作用。

10） LCD屏顯示功能。

通過傳感器采集的數據至單片機處理，再上傳至隧道云平臺，同時將上傳數值與云平臺設定的數值比較，將結果顯示在LCD顯示屏上，提醒過路車輛隧道內一氧化碳濃度，氧氣濃度，火災及水位情況。

11） 景觀隧道功能。

在隧道內，鋪設視覺景觀，以地域風光、人文風情、城市文化為原色，與自然環境相協調，打造特色人文隧道景觀，構造“車從隧道過、人在畫中行”的風景線，使其成為最具特色的城市名片，同時還能降低過往乘客的視覺疲勞。同時還可以在隧道內架設廣告，改變隧道單一的盈利模式。

3.3 硬件設計

隧道智能環境管控系統采用HT32F52352單片機作為主控芯片進行設計。主要通過控制系統控制傳感系統和其他設備的檢測給單片機輸入信號。

單片機再對采集到的數據進行分析處理，然后輸出相應的控制信號給傳感系統、其他設備。

3.3.1 控制系統

單片機HT32F52352：控制其余硬件，實現基礎邏輯。

通信模塊由4G模塊構成，通過4G模塊實現單片機與監控中心之間遠程的通信。同時能與阿里云物聯網平臺進行通信。

3.3.2 傳感系統

煙霧傳感器：用于監測隧道內煙霧的濃度。

水位傳感器：用于檢測隧道內的水位信號。

二氧化碳傳感器：用于監測隧道內的濃度。

一氧化碳傳感器：用于監測隧道內一氧化碳的濃度。

火焰傳感器：用于探測火源或其他一些波長在700 納米～1000 納米范圍內的熱源實現火災防范。

紅外對管傳感器：紅外對管檢測模塊用于檢測過往車輛并計數。

固定測斜儀：監測隧道圍巖內部是否變形，通過裂縫計來監測隧道表面的裂縫開合度。

光敏電阻：檢測隧道內外的環境光信號。

3.3.3 其他設備

LCD顯示屏：用于顯示隧道內各種情況，提醒過往車輛。

多晶硅太陽能電池：備用電源，用于隧道內因各種原因導致停電時，短暫供給整體單片機及各個設備的電源供應。

緊急報警求助按鈕：用于隧道內需要緊急求助的人觸發按鈕與云平臺的隧道管理人員聯系。

3.4 軟件部分

采用嵌入式軟件設計，主要是通過對各類傳感器輸入和監測，完成其控制功能。設備上電后，各類傳感器將采集到的值傳給單片機，經程序判斷處理，完成對各個設備的控制。軟件控制流程簡圖如圖2 所示。

4 測試方法和步驟

1） 連接好系統與各個模塊，接通電源，開始調試

2） 操作過程

（1） 打開單片機后，檢查單片機是否有零件脫落。

（2） 把各個硬件連接起來，運用程序點亮各個硬件。

（3） 測試車輛通過模擬隧道時，紅外對管是否能夠感應到，其他傳感器設備是否正常運行。

（4） 實時監測室內的環境，數據上傳至隧道平臺，在平臺上觀察數據。

3） 測試結果

通過系統測試后的結果表明：系統的各個模塊運行正常。

當車輛通過模擬隧道：紅外對管檢測到數量，達到一定數值時且并未被隧道出口感應到，LED顯示屏會提示隧道內處于擁堵情況。

當煙霧傳感器檢測的濃度達到超過設定數值，系統會自動啟動風扇排除煙霧。

當火焰傳感器檢測到隧道發生火情，系統蜂鳴器會自動報警，顯示屏會顯示隧道內發生火情，并立刻上報至監控中心。

當水位傳感器檢測到水位超過設定值，會自動將水情上報至監控中心同時，蜂鳴器響起。

當一氧化碳和二氧化碳傳感器檢測到隧道內各數值超過設定數值，會在顯示屏上顯示并加大風扇的轉速。

當光敏電阻模塊檢測到隧道內光強低于外界光照時，會加強LED燈亮度。

當緊急求助按鈕被觸發時，系統將求助信息顯示在顯示屏上，并上傳至監控中心求助。

基于HOLTEK單片機的隧道智能環境管控系統研制成功。

5 結束語

隨著信息技術的發展，隧道智能環境管控模式將成為提升隧道管控的重要手段，通過提升隧道智能環境的發展速度，可以顯著增強交通運輸基礎設施的整體能力，人們需要積極地創新和完善交通運輸生產形式和服務形式，改進交通發展方式，指導其他行業的發展，使其保持一個良好的發展狀態。為了更好地滿足行車安全、提高行車效率、保護行車安全、構建和諧行車環境的運營管理以及滿足服務需要，建設數字化、綜合化、智能化的公路隧道信息系統勢在必行[6]。