综合管廊监控与预警系统研究

王育红 石晶 王飞

摘 要：传统的市政建设中，可以看到密密麻麻的网线、反复开挖的路面、各处的围挡等，这些不仅影响城市的美观，影响城市的公共交通，为了解决这些常见的市政问题，响应智慧城市的号召，促进城市的发展，提升城市的市容环境，方便人们的出行，综合管廊的建设势在必行。本文对综合管廊内部环境参数进行分析，提出一种基于STM32的监控与预警系统，能够有效地帮助工作人员进行安全监测，达到智慧城市的建设标准[1]。

关键词：综合管廊;监控;预警系统

综合管廊在建设过程中，为了保证其安全可靠性，需要建立一套完整的监控系统，包括多个子系统地下管廊环境实时监测系统、红外报警实时视频监测系统、地下管廊管道设备监控系统等[2]。

1 方案设计

1.1 系统架构

本系统研究为了满足系统的功能需求，根据监控的具体需求，确定系统采用3层分布式结构系统，按照下图的框架来实现该功能。

该体系结构按照上图，自下而上分为对应的是数据层、传输层、管理层[3]。3层对应的功能分别如下表1所示。

1.2 主要监测传感器

在该课题的研究内容中，主要是根据国家规范《城市综合管廊工程技术规范》GB50838-2015[4]中的条例，确定了管廊内部环境安全的参数及其安全值的要求。

根据规范中的要求，最终确定了必要的监测是空气的安全性指标，其中就包括O2含量CH4含量，一氧化碳浓度，温度以及湿度。因此管廊的内部需要放置能够监测对应气体含量的传感器。

为了保证数据能够准确无误的传输到区域控制器，本系统确定本地采用CAN总线通信方式、远程采用以太网的工作方式。

2 系统硬件设计

2.1 控制器电路设计与实现

区域控制器是整个3层体系的核心。

（1）控制芯片的选择。本次根据市场上常见的运用成本低、性能高、成熟的单片机嵌入式系统。经过筛选确定了本系统采用的核心芯片是ST公司生产的STM32F103RCT6。

（2）电源模块的选择。结合综合管廊系统内部的供电方式，系统采用交流220/380V的交流电源[5]。但是位于现场的设备需要以及主控芯片的供电电压较小，所以需要电路转换以满足不同的设备供电需求。

（3）系统必不可少的时钟电路和复位电路[6]。

（4）存储模块。结合综合管廊的位置特殊性，距离长、设备多，需要存储所有的实时监测数据，对内存的容量需求比较大，在设计时采用STM32F103RCT6芯片。

2.2 数据采集电路

整个综合管廊的内部环境参数监测，通过底层的传感器实现[7]。

（1）温湿度传感器。采用SHT11芯片监测综合管廊内部的温湿度。为了保证采集数据的准确性，系统采用外部数字温度传感器[8]。

（2）气体数据监测。

（3）火灾探测器。《城市综合管廊工程技术规范》中规定了火灾探测器的设计要求，所有的设备选型要保证其灵敏度高、可靠性强，便于及早发现管廊内部火灾信号[7]。

2.3 显示电路

在综合管廊内部也需要设置采集数据后的显示平台，这样工作人员进入内部检测才能够实时的判断其内部是否正常。除此之外还可以实现历史数据的查询、报警记录查询等维护工作功能[7]。

2.4 报警电路

综合管廊位于地下空间，检修难度大，因此为了能够及时的发现其内部异常状况，一旦监测到的数据有异常情况，报警电路工作，发出报警信号。

2.5 通信模块

在系统的三层结构框架中，根据方案设计采用的通信方式是CAN通信以及RS485通信[7]。选择CAN总线方式能够帮助实现底层数据采集与控制器之间信息传输功能。并且需要设计串口通信来解决传感器接口的问题[5]。区域控制器与远程监测中心之间选用以太网通信模块。

3 系统软件设计

在进行系统硬件电路的设计之后，下位机的软件设计主要由数据采集、CAN接口、现场信息显示、声光报警等任务组成。软件系统是基于搭建好的STM32硬件平台，应用μc/os-Ⅱ操作系统，在基于微控制器软件开发平台Keil uVision5开发软件下[7]，C语言编程，实现以下功能，如表2。

整个软件系统的实现通过下面的流程进行：底端的传感器采集到的数据通过CAN总线传送给区域控制器，进行一定的处理后，在用以太网进行传输到管理机之间，这样即可实现主机界面的显示，分机的显示作用则是在管廊内部进行显示。

4 系统上位机的设计与实现

综合管廊系统远程监测中心，主要是便于管理室的人员进行数据查询、报警显示、故障记录与查询等多项功能。整个监测系统最上层是控制中心，能够实现信息远程监测与预警。本系统的上位机界面选择组态软件进行开发，使用简单、操作方便、开发周期短，通用性强[9]。本次设计选用MCGS。

4.1 工程设计与实现

在MCGS工程设计中，系统要实现的核心功能是建立和管理实时数据库，建立数据库需要对整个的数据进行定义和设置。所有的模块必须和底层的传感器数据是接口是一一对应的，最终的整个动画界面是要能够达到精确、定位的监测目的。

第一步：在上位机开发软件中，进行变量定义[10]。所有的显示的数据都要进行数据的定义，设置标签参数。

第二步：设计界面。远程监测的目的是直观的反映综合管廊内部是否安全。在监测界面上可以查看到实时的显示数据，同时可以看到气体浓度变化的曲线图[11]。当单个变量值变化很快接近上限时，如果持续一定时间即预警灯亮，可以及时提醒人员去进行检修，排除危险信息。

第三步：動画连接。所有的界面要进行关联，能够实现画面的切换。当需要查看参数时，即可转接到对应的界面[12]。

4.2 软件界面试运行

当打开软件运行界面后，首先需要进行登录，按照设置的不同身份的账号和密码进行输入，进入到综合管廊监控系统管理界面。

在整个系统运行的界面，可以实时看到每一个监测数据的动态值，主要包括温湿度、危险气体浓度[13-14]。界面上显示的数据即正常运行状态下的实时数据，当出现异常时，即监测到的数据超出其安全界限后，會出现相应的报警指示灯。此时可点击界面的实时曲线观察到对应的数据变化。在打开报警窗口后，可以看到对应的报警信息，包括报警的对象、报警值、报警界限和报警描述。

5 结语

论文通过软硬件结合，本地和远程的连接，能够比较完整地实现了综合管廊系统的监测与控制，能够有效地解决后期管理中存在的各项不便，在今后的工作中还需要继续进行研究和系统的完善。

参考文献：

[1]孙小勇.浅谈地下综合管廊的建设[J].建材发展导向（上），2016（12）：1-2.

[2]郭晋.城市地下综合管廊智能弱电系统设计要点[J].建材发展导向（上），2016（12）：1-2.

[3]熊红华.Internet应用培训教程[M].电子工业出版社，2004.

[4]住房城乡建设部.《城市综合管廊工程技术规范》GB50838—2015.

[5]张继辉，赵雨欣.综合管廊与地铁共建之供配电系统设计[J].建筑工程技术与设计，2018（32）：1081-182.

[6]杨雷，郏东耀.一种高可靠性的复位电路[J].电子技术应用，2015（8）：78-80.

[7]王育红.城市地下综合管廊监测与预警系统研究及应用[D].西安：西安建筑科技大学，2017.

[8]陈龙.基于无线传感器网络的数据采集系统的设计与实现[D].兰州理工大学，2019.

[9]孟庆菊.MCGS嵌入版组态软件在道口报警控制系统中的应用[J].铁道勘察，2004（3）：61-62.

[10]忻龙彪，杨晓晴，宋淑彩.一种基于CAN总线的电力抄表系统[J].国外电子测量技术，2005，24（8）：37-38.

[11]张伟.综合管廊规划设计的思考[J].建筑工程技术与设计，2017（18）：38.

[12]谷思威.通信电源分布式监控系统[D].长沙：中南大学，2003.

[13]夏锋，孙优贤.工业以太网应用性能分析[J].电气传动，2004，34（2）：40-43.

[14]包亮，王里奥，陈萌，等.基于GPRS的市政下水道气体安全监测预警系统[J].中国给水排水，2009，25（15）：39-42.

基金项目：陕西铁路工程职业技术学院2018年首批科研基金项目（KY2018-07）

作者简介：王育红（1991— ），女，汉族，陕西蓝田人，硕士，讲师，研究方向：自动控制、建筑电气智能化。