基于GPRS的公路隧道运营环境感知系统设计

冯梦溪, 赵 亮, 钱 超

(1.长安大学 电子与控制工程学院,陕西 西安 710064； 2.中交第一公路勘察设计研究院有限公司,陕西 西安 710061)

0 引 言

公路隧道是一个相对封闭的路段,车辆行驶在隧道中排放的一氧化碳、氮氧化合物等有毒尾气会严重威胁隧道交通安全[1]。为了有效改善隧道洞内环境、保证其运营安全、预防火灾和交通事故,需要建设公路隧道环境感知系统,提高公路隧道运营部门的监控力度。

目前,国内隧道运营隧道的监测起步较晚[2],现有监控系统监测项目繁杂,运营数据相互独立,难以匹配,不能成为隧道预警系统与通风控制系统的数据依据；且现有监控系统通常将监测器直接接入可编程逻辑控制器(programmable logic controller,PLC)控制系统,但广泛布设采集点会增加设计成本,造成控制系统性能过剩[3]。针对以上问题,国内外许多学者在隧道监测领域做出相关研究,张振海等人[4,5]提出采用无线传感器网络(wireless sensor networks,WSNs)组成信息采集网,实现大区域的隧道运营环境监测；Moridi M A等人[6]通过实验分析验证了WSNs采集方式的可靠与准确性,这种采集方式省去了布线,充分利用WSNs灵活方便的特性,提高了隧道环境信息监测的实时性；雷旭等人[7～9]将监测信息接入网关上传服务器或通过协议交换连接光端机上传监控中心,使监控中心通过B/S模式软件获取隧道实时运营数据信息,这种方法运用先进的物联网概念,实现多监测点信息的实时采集与传输,提高隧道监控设施的利用率。以上研究主要是对隧道环境信息采集方式与传输方式的设计与开发,对于提高现有监控系统的实时性与全面性具有现实意义,但研究对象相对单一,缺乏全面的运营环境监控系统研究,难以为隧道预警系统和通风控制提供数据支持。

参考国内外学者研究的相关经验,针对现有环境感知系统的效率低、实时性差等缺点,本文设计基于现代网络技术、嵌入式系统技术、无线通信技术,在充分考虑系统传输效率的基础上,提出一种公路隧道运营多传感器监测系统,利用(general packet radio service,GPRS)技术,统一采集、处理传输运营环境信息,实现公路隧道运营环境实时感知。

1 系统框架设计

为实现设计任务要求,开发高效实用的公路隧道运营环境监测系统,需要实现对隧道有害气体、温度与气压、能见度与风速信息的采集,实现环境信息显示、存储与上传等功能。系统包括传感器节点、数据处理节点与智能网关节点三大模块。系统框架如图1所示。

图1 环境感知系统框架图

2 系统节点设计

2.1 传感器节点设计

传感器节点即隧道监测点,位于隧道出入口及隧道中部、弯道处,考虑采集四类传感器的环境信息,在微处理器(micro controller unit,MCU)的控制下实现信息的处理与传输。为全面、准确地监测有害气体浓度信息,设计将传感器节点安装在隧道边墙上[10]。但隧道边墙不便于相关机电设备的安装与操作员的调试,需要将数据处理节点安装在接近地面的位置,这使得传感器节点与数据处理节点之间有一定的距离。

尽管WSNs技术具有诸多优点,但在隧道内,隧道线型、管道结构与隧道内恶劣环境会对信号造成干扰,信号强度也在传输过程中不断地衰减,使WSNs技术在隧道监测领域难以付诸实践[11]。为保障隧道环境信息的稳定采集,传感器节点采用RVSP屏蔽线实现传感器与数据处理节点的有线连接。

2.1.1 有害气体传感器单元

根据相关学者研究,氮氧化物是隧道汽车尾气中的主要成分之一,但人体对NO2产生的毒害作用难以察觉,严重威胁隧道内人员的健康[12～14],因此对NO2浓度的监测尤为重要,但目前国内《公路隧道通风设计细则》(JTG/T D70/2-02-2014)[15]仍将NO2监测作为选择性条款。为全面保障隧道运营安全,本文设计将NO2浓度作为本隧道感知系统的主要控制指标之一。

2.1.2 温度与气压传感器单元

本单元选用数字传感器通过I2C总线技术实现对隧道监测点温度(temperature of monitoring point,TMP)、气压(STP)信息的采集。温度与气压信息可以判断隧道所处海拔,为进一步海拔系数的计算提供依据,使本系统适用于高海拔隧道。

2.1.3 能见度传感器单元

本单元选用颗粒物数字传感器实现能见度(visibility,VISIB)的监测,传感器采用激光散射原理统计单位体积气体PM2.5颗粒物数目,进一步得出PM2.5颗粒物浓度,并由USART串口上传PM2.5浓度信息,MCU可根据颗粒物浓度计算隧道实时能见度[16]，K=0.004 7μ。其中，K为能见度,m-1,μ为PM2.5浓度,mg/m3。

2.1.4 风速传感器单元

现有隧道多采用风杯风速计测量实时风速,但隧道内粉尘容易阻塞传感器转轴,从而影响测量精度。为提高监测数据的准确率,本单元选用两个超声波发射接收器实现隧道实时风速的检测,利用时差法来实现风速的测量。由于声音在空气中的传播速度会和风速叠加,在固定的检测条件下,根据超声波传播时间可推算实时风速[17],计算为

d/t1=C+V,d/t2=C-V，V=d(1/t2-1/t1)/2

式中V为风速,d为两传感器之间直线距离,C为超声波声速,t1为逆风时声波传播时间,t2为顺风时声波传播时间。

2.2 数据处理节点设计

数据处理节点主要是各隧道监测点的软件设计,程序处理流程如图2所示。

图2 数据处理节点工作流程

本节点选用STM32F103控制隧道各监测点环境信息的采集,STM32获取环境信息后对传感器节点信息进行显示与存储,并与智能网关中无线通信芯片建立连接,此外,MCU单元设置了预警算法,即根据细则中的规定设定阈值,当监测浓度超过阈值时,预警算法会自动向环境信息中添加预警信号,提醒监控中心,设定阈值可参考表1中的各气体设计浓度。

表1 《JTGT D702-02-2014 公路隧道通风设计细则》设计气体体积分数表

注：隧道长度为1000m

在处理得到标准单位的隧道环境信息后,将信息显示在隧道监测点所处位置的TFTLCD屏上,如图3所示(其中Tunnel Environment Monitor V1.0是标题,WSP是风速,TEMP是温度,STP是气压),并将环境信息存储在SD中。

图3 显示单元界面

2.3 智能网关节点设计

智能网关选用SIM系列通信芯片作为智能网关的数据传输处理器,分别与MCU和SIM卡连接,在MCU控制下,将协议打包封装后的数据传输给SIM卡,启动GPRS传输,上传服务器。无线通信芯片在MCU的AT指令的控制下完成2个线程,AT具体指令见表2。

表2 AT指令表(部分)

1)无线通信芯片接收到的MCU发送的包装有环境数据的串口数据帧不具有网络层和传输层,无线通信芯片提供的TCP/IP协议栈自动可以实现传输层的TCP、UDP通信协议的相关服务,并完成TCP/IP数据帧的封装与GPRS相关标准的匹配,实现网络数据帧的封装。

2)无线通信芯片打开Internet网络,在获取隧道监控中心服务器的IP地址后,建立TCP连接,确定连接有效后,将环境信息数据帧进行透明传输,并在环境信息数据传输完成后关闭网络。

2.4 其他设计

1)监控中心上位机采用B/S模式,通过访问浏览器获取上传服务器的各隧道监测点环境数据,并为相关工作人员或有权限人员提供可视化页面,如图4所示,可提高隧道监控中心的监测力度。

图4 监控中心显示页面示意

2)上位机会根据隧道运营环境数据对隧道运营状态进行判断,目前的工作是根据表1所示的预警值提醒隧道监控中心根据情况做出处理,必要时可以考虑交通管制,另外,笔者在其他相关设计中将运营环境数据应用于隧道实时需风量计算,实现通风设施的智能化控制。

3 实验结果

1)为提高隧道环境信息的准确度,实验选用英思科公司的iBRID MX6气体检测仪与TFTLCD屏显示数据进行对比,并对相应数据处理节点的处理流程进行反复校正,直至误差小于5 %为止。

2)由于公路隧道环境比较恶劣,系统采用的无线通信信号可能受到各种外界信号或环境的干扰而失真,很难保证信号无线传输的可靠性。因此,实验将系统放置在某隧道内,将其监控中心接收到的GPRS节点数据与数据处理节点SD卡的获取数据进行对比,对无线传输性能进行评估,数据部分结果对比见表3。结果表明数据处理节点数据与上位机数据在误差允许的范围内基本一致,证明智能网关的传输可靠性较高,可应用于环境较为恶劣的隧道内部环境。

表3 部分数据对比

S代表发送端数据处理节点的数据,R代表监控中心上位机接收端的数据。

4 结 论

基于GPRS的多传感器公路隧道运营环境感知系统,可以实时高效监测隧道内相关环境信息,实时显示在隧道各监测点的显示屏上,同时将信息传输至监控中心,为进一步的隧道安全预警与实时通风计算提供数据支持。相比于传统的监控方式,本系统集成隧道运营环境信息于一体,便于后期数据分析与处理,增强了运营信息的利用率；采用无线移动网络实现各感知节点与监控中心的通信,减少隧道机电系统布线,减少数据误报率。实验证明,采集数据与实际数据基本吻合,运行稳定,具有良好的实用性,