尹其暢+史曉燕+段玲

摘 要：將ZigBee技術(shù)與PLC控制技術(shù)、變頻技術(shù)相互融合，提出了基于ZigBee技術(shù)的隧道通風(fēng)自動控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由隧道環(huán)境檢測系統(tǒng)和隧道通風(fēng)控制系統(tǒng)組成。環(huán)境檢測系統(tǒng)以CC2430為核心，負(fù)責(zé)采集隧道內(nèi)的環(huán)境數(shù)據(jù)，并將該數(shù)據(jù)通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)傳送給通風(fēng)控制系統(tǒng)的控制器；通風(fēng)控制系統(tǒng)以PLC為核心，可接收環(huán)境檢測系統(tǒng)所采集的環(huán)境數(shù)據(jù)，并將其與預(yù)先設(shè)定值進(jìn)行比較，同時輸出信號來控制變頻器的輸出頻率，從而控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)隧道自動通風(fēng)的目的。測試結(jié)果表明：該系統(tǒng)整體工作穩(wěn)定，操作界面友好，同時驗證了無線傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：ZigBee；PLC；無線傳感網(wǎng)絡(luò)；變頻器

中圖分類號：TP389 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2014）08-0042-03

0 引 言

近年來，隨著我國交通基礎(chǔ)建設(shè)規(guī)模的逐步擴(kuò)大，公路隧道在公路建設(shè)中的地位愈來愈顯示出重要作用，良好的隧道施工作業(yè)環(huán)境是保證隧道工程質(zhì)量、提高施工效率、維護(hù)施工者身心健康、實現(xiàn)工廠化施工的重要條件。隧道的作業(yè)環(huán)境[1]主要指：光（亮度）；氣（空氣質(zhì)量）；塵（粉塵）；聲（噪聲）；電（雜散電流）；水（濕度、涌水）。如何保證洞內(nèi)整個作業(yè)環(huán)境能夠控制在標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)及環(huán)境之下，是當(dāng)前發(fā)展和改善施工技術(shù)的一個重要出發(fā)點。因此，本文提出了一種全新的隧道施工過程中作業(yè)環(huán)境的檢測與通風(fēng)系統(tǒng)，基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的隧道施工過程中的環(huán)境檢測系統(tǒng)，將ZigBee技術(shù)與隧道施工過程中的環(huán)境檢測技術(shù)融合在一起，充分利用的ZigBee技術(shù)的特點[2]：低功耗、成本低、時延短、網(wǎng)絡(luò)容量大、可靠、自組網(wǎng)、安全。不僅擴(kuò)大了監(jiān)測系統(tǒng)的覆蓋范圍，而且避免的因布設(shè)線路帶來的不便，避免了對檢測人員的潛在危害。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

隧道的通風(fēng)自動控制系統(tǒng)由兩大部分組成，分別為隧道環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)和通風(fēng)控制系統(tǒng)。隧道環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)由各種氣體傳感器、風(fēng)速傳感器、ZigBee節(jié)點（包括ZigBee從節(jié)點、ZigBee中繼節(jié)點和ZigBee匯總節(jié)點）、上位機(jī)等設(shè)備組成。通風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)由上位機(jī)、通風(fēng)機(jī)、通風(fēng)管道、PLC和變頻器等設(shè)備組成。傳感器定期對隧道內(nèi)的環(huán)境進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，將所采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給ZigBee從節(jié)點，ZigBee從節(jié)點將所得到的數(shù)據(jù)通過ZigBee中繼節(jié)點發(fā)送給ZigBee匯節(jié)點，匯節(jié)點將所得數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)，上位機(jī)將數(shù)據(jù)進(jìn)行分析之后，將相對應(yīng)的指令數(shù)據(jù)傳送給PLC，PLC將對應(yīng)的指令傳送給變頻器，通過變頻器最終對風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1 硬件設(shè)計

本系統(tǒng)給出了環(huán)境檢測節(jié)點的硬件設(shè)計和通風(fēng)自動控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計。環(huán)境檢測節(jié)點的硬件設(shè)計主要包括無線發(fā)送節(jié)點的設(shè)計、傳感器采集節(jié)點的設(shè)計和電源模塊的設(shè)計；通風(fēng)自動控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計主要包括PLC和變頻器的選型、系統(tǒng)的電氣連接。

（1）環(huán)境監(jiān)測節(jié)點的設(shè)計

隧道內(nèi)檢測節(jié)點的原理框圖如圖2所示。環(huán)境檢測節(jié)點以CC2430為核心，由傳感器模塊、電源模塊、調(diào)試接口和無線通信模塊組成。無線通信模塊以CC2430完結(jié)簡單的外圍電路組成。傳感器模塊通常有CO傳感器、溫濕度傳感器、氧氣傳感器、粉塵傳感器等。本系統(tǒng)選用日本費(fèi)加羅公司的TGS 5042一氧化碳傳感器來進(jìn)行測試，其他傳感器同樣可以進(jìn)行工作。

（2）風(fēng)機(jī)自動控制系統(tǒng)的設(shè)計

隧道施工通風(fēng)控制系統(tǒng)由PLC、變頻器、交流電機(jī)、風(fēng)速傳感器組成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。如圖3所示。

其中，環(huán)境檢測節(jié)點檢測隧道的環(huán)境，將檢測到的環(huán)境數(shù)據(jù)，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換模塊之后傳給ZigBee節(jié)點，ZigBee節(jié)點將傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)平均，得到隧道掌子面的一氧化碳濃度，PLC將得到的一氧化碳濃度和預(yù)設(shè)的一氧化碳極限值進(jìn)行比較、判斷，最后得到一個對應(yīng)頻率的電壓值（0～10V），由PLC的擴(kuò)展模塊EM235將該電壓值傳給變頻器的模擬量輸入端，由變頻器輸出所得頻率的電流給交流電機(jī)，最后實現(xiàn)對風(fēng)機(jī)的變頻調(diào)速。

1.2 軟件設(shè)計

本文給出了ZigBee節(jié)點的軟件和風(fēng)機(jī)控制部分的軟件實現(xiàn)。ZigBee節(jié)點的軟件實現(xiàn)，分別為采集節(jié)點、中繼節(jié)點和匯節(jié)點的軟件實現(xiàn)；通風(fēng)自動控制部分的軟件實現(xiàn)，主要包括PLC的軟件流程圖。

（1）ZigBee節(jié)點軟件實現(xiàn)

ZigBee節(jié)點軟件部分主要包括四個部分，即Tiny OS系統(tǒng)的啟動順序、采集節(jié)點的程序設(shè)計、中繼節(jié)點的程序設(shè)計、匯節(jié)點的程序設(shè)計。

（2）主程序流程圖

主程序的流程圖如圖4所示。主程序用來控制風(fēng)機(jī)的啟動、停止、子程序的調(diào)用、中斷時間的設(shè)置和中斷子程序的調(diào)用、一氧化碳濃度超限報警、風(fēng)機(jī)故障報警、變頻器故障報警等功能。PLC主程序在執(zhí)行時，先判斷風(fēng)機(jī)是否可以正常開啟，若風(fēng)機(jī)不能正常啟動，則調(diào)用子程序1進(jìn)行風(fēng)機(jī)檢修。若風(fēng)機(jī)正常開啟則調(diào)用子程序0檢查PLC模擬量擴(kuò)展模塊EM235是否正常，若EM235有錯誤，則主程序結(jié)束，直到連接正常之后再重新啟動主程序。若EM235連接正常，則檢查變頻器是否正常，若變頻器不正常，則開啟變頻器故障報警，并進(jìn)行檢修；若變頻器正常，則設(shè)定中斷時間，本系統(tǒng)中設(shè)定的中斷定時時間為300 s，即5 min進(jìn)行一次風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。若CO濃度超限則CO濃度報警燈開啟，并執(zhí)行子程序2。若CO濃度在正常范圍，則變頻器輸出相應(yīng)的頻率對風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。最后，PLC主程序結(jié)束。

2 系統(tǒng)測試

在上位機(jī)用VC6.0 編寫了監(jiān)控界面，分別對一氧化碳和溫度、濕度進(jìn)行實時監(jiān)測。顯示當(dāng)前測量的并進(jìn)行保存，根據(jù)保存的測量值畫出歷史數(shù)據(jù)曲線圖。監(jiān)控界面如圖5所示。本系統(tǒng)的主要測試內(nèi)容如下：

（1） 依次開啟一氧化碳傳感器、溫濕度傳感器，觀察新開啟的傳感器節(jié)點能否正常加入觀已有的無線傳感網(wǎng)絡(luò)。觀察一段時間，看是否正常工作，然后再觀察上位機(jī)界面所顯示的溫度值、濕度值是否正常。其結(jié)果如圖6所示。

（2） 改變所測環(huán)境的一氧化碳濃度，觀察上位機(jī)界面的一氧化碳濃度值是否變化，當(dāng)一氧化碳濃度值超過極限濃度100時，危險燈是否正常亮起。其結(jié)果如圖7所示。

（3） 改變所測環(huán)境的溫度，觀察上位機(jī)界面的溫度值是否變化，當(dāng)溫度值超過極限溫度30 ℃時，危險燈是否正常亮起。其溫度變化結(jié)果如圖8所示。

（4） 改變所測環(huán)境的濕度，觀察上位機(jī)界面的濕度值是否變化，當(dāng)濕度值超過極限濕度60時，危險燈是否正常亮起。其濕度變化結(jié)果如圖9所示。

當(dāng)系統(tǒng)檢測危險燈亮?xí)r，就會輸出一個控制信號，控制變頻器的輸出頻率，由變頻器控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，從而控制室內(nèi)環(huán)境狀況，如當(dāng)環(huán)境溫度過高時，風(fēng)機(jī)在轉(zhuǎn)動，此次隧道模型采用實驗室的隧道機(jī)電模型進(jìn)行模擬。

通過觀察發(fā)現(xiàn)，整個系統(tǒng)運(yùn)行良好，上位機(jī)監(jiān)控界面可以正常地觀察到傳感器采集到的數(shù)據(jù)，并且當(dāng)數(shù)據(jù)超過預(yù)設(shè)的極限值時，危險報警燈會亮起，進(jìn)行提示?？梢噪S時在已有的無線網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中加入新的節(jié)點，滿足了隧道施工過程當(dāng)中，無線傳感網(wǎng)絡(luò)動態(tài)變化的要求，系統(tǒng)滿足可以滿足隧道施工過程當(dāng)中實時、準(zhǔn)確的監(jiān)控要求。

3 結(jié) 語

本文提出了一種新型的基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的隧道施工通風(fēng)自動控制系統(tǒng)。研究了隧道施工過程中需要檢測環(huán)境指標(biāo)，需要檢測氧氣濃度、有害氣體。9研究了無線傳感網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，具體研究了ZigBee技術(shù)并敘述了ZigBee的實現(xiàn)方案。完成了無線傳感網(wǎng)絡(luò)平臺的搭建，完成了傳感器采集節(jié)點、中繼/轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點、匯節(jié)點的軟件設(shè)計，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了傳感器數(shù)據(jù)的采集。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺的基礎(chǔ)上，對傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)健型進(jìn)行了驗證，并完成上位機(jī)監(jiān)控界面的制作，驗證了該系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸具有穩(wěn)健性。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]瞿雷，劉盛德，胡咸斌.ZigBee技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

[2]黃成光.公路隧道施工[M].北京：人民交通出版社，2001.

[3]中國交通技術(shù)網(wǎng)[EB/OL]. http：//www.tranbbs.com

[4]陳建勛，馬建秦.隧道工程試驗檢測技術(shù)[M].北京：人民交通出版社，2005.

[5]關(guān)寶樹.隧道工程施工要點集[M].北京：人民交通出版社，2003.

[6]楊立新.現(xiàn)代隧道施工通風(fēng)技術(shù)[M].北京：人民交通出版社，2012.

[7]胡根有.長大對到施工通風(fēng)技術(shù)研究[D] 成都：西南交通大學(xué)，2006.

[8]交通部重慶公路科學(xué)研究所.公路隧道施工技術(shù)規(guī)范 JTJ 042-94：附條文說明/ [S].北京：人民交通出版社，1995：50

[9]道客巴巴. 隧道施工通風(fēng)技術(shù)要點集[Z/OL]. http：//www.doc88.com/p-964199828447.html.

（2） 改變所測環(huán)境的一氧化碳濃度，觀察上位機(jī)界面的一氧化碳濃度值是否變化，當(dāng)一氧化碳濃度值超過極限濃度100時，危險燈是否正常亮起。其結(jié)果如圖7所示。

（3） 改變所測環(huán)境的溫度，觀察上位機(jī)界面的溫度值是否變化，當(dāng)溫度值超過極限溫度30 ℃時，危險燈是否正常亮起。其溫度變化結(jié)果如圖8所示。

（4） 改變所測環(huán)境的濕度，觀察上位機(jī)界面的濕度值是否變化，當(dāng)濕度值超過極限濕度60時，危險燈是否正常亮起。其濕度變化結(jié)果如圖9所示。

當(dāng)系統(tǒng)檢測危險燈亮?xí)r，就會輸出一個控制信號，控制變頻器的輸出頻率，由變頻器控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，從而控制室內(nèi)環(huán)境狀況，如當(dāng)環(huán)境溫度過高時，風(fēng)機(jī)在轉(zhuǎn)動，此次隧道模型采用實驗室的隧道機(jī)電模型進(jìn)行模擬。

通過觀察發(fā)現(xiàn)，整個系統(tǒng)運(yùn)行良好，上位機(jī)監(jiān)控界面可以正常地觀察到傳感器采集到的數(shù)據(jù)，并且當(dāng)數(shù)據(jù)超過預(yù)設(shè)的極限值時，危險報警燈會亮起，進(jìn)行提示?？梢噪S時在已有的無線網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中加入新的節(jié)點，滿足了隧道施工過程當(dāng)中，無線傳感網(wǎng)絡(luò)動態(tài)變化的要求，系統(tǒng)滿足可以滿足隧道施工過程當(dāng)中實時、準(zhǔn)確的監(jiān)控要求。

3 結(jié) 語

本文提出了一種新型的基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的隧道施工通風(fēng)自動控制系統(tǒng)。研究了隧道施工過程中需要檢測環(huán)境指標(biāo)，需要檢測氧氣濃度、有害氣體。9研究了無線傳感網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，具體研究了ZigBee技術(shù)并敘述了ZigBee的實現(xiàn)方案。完成了無線傳感網(wǎng)絡(luò)平臺的搭建，完成了傳感器采集節(jié)點、中繼/轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點、匯節(jié)點的軟件設(shè)計，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了傳感器數(shù)據(jù)的采集。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺的基礎(chǔ)上，對傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)健型進(jìn)行了驗證，并完成上位機(jī)監(jiān)控界面的制作，驗證了該系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸具有穩(wěn)健性。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]瞿雷，劉盛德，胡咸斌.ZigBee技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

[2]黃成光.公路隧道施工[M].北京：人民交通出版社，2001.

[3]中國交通技術(shù)網(wǎng)[EB/OL]. http：//www.tranbbs.com

[4]陳建勛，馬建秦.隧道工程試驗檢測技術(shù)[M].北京：人民交通出版社，2005.

[5]關(guān)寶樹.隧道工程施工要點集[M].北京：人民交通出版社，2003.

[6]楊立新.現(xiàn)代隧道施工通風(fēng)技術(shù)[M].北京：人民交通出版社，2012.

[7]胡根有.長大對到施工通風(fēng)技術(shù)研究[D] 成都：西南交通大學(xué)，2006.

[8]交通部重慶公路科學(xué)研究所.公路隧道施工技術(shù)規(guī)范 JTJ 042-94：附條文說明/ [S].北京：人民交通出版社，1995：50

[9]道客巴巴. 隧道施工通風(fēng)技術(shù)要點集[Z/OL]. http：//www.doc88.com/p-964199828447.html.

（2） 改變所測環(huán)境的一氧化碳濃度，觀察上位機(jī)界面的一氧化碳濃度值是否變化，當(dāng)一氧化碳濃度值超過極限濃度100時，危險燈是否正常亮起。其結(jié)果如圖7所示。

（3） 改變所測環(huán)境的溫度，觀察上位機(jī)界面的溫度值是否變化，當(dāng)溫度值超過極限溫度30 ℃時，危險燈是否正常亮起。其溫度變化結(jié)果如圖8所示。

（4） 改變所測環(huán)境的濕度，觀察上位機(jī)界面的濕度值是否變化，當(dāng)濕度值超過極限濕度60時，危險燈是否正常亮起。其濕度變化結(jié)果如圖9所示。

當(dāng)系統(tǒng)檢測危險燈亮?xí)r，就會輸出一個控制信號，控制變頻器的輸出頻率，由變頻器控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，從而控制室內(nèi)環(huán)境狀況，如當(dāng)環(huán)境溫度過高時，風(fēng)機(jī)在轉(zhuǎn)動，此次隧道模型采用實驗室的隧道機(jī)電模型進(jìn)行模擬。

通過觀察發(fā)現(xiàn)，整個系統(tǒng)運(yùn)行良好，上位機(jī)監(jiān)控界面可以正常地觀察到傳感器采集到的數(shù)據(jù)，并且當(dāng)數(shù)據(jù)超過預(yù)設(shè)的極限值時，危險報警燈會亮起，進(jìn)行提示?？梢噪S時在已有的無線網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中加入新的節(jié)點，滿足了隧道施工過程當(dāng)中，無線傳感網(wǎng)絡(luò)動態(tài)變化的要求，系統(tǒng)滿足可以滿足隧道施工過程當(dāng)中實時、準(zhǔn)確的監(jiān)控要求。

3 結(jié) 語

本文提出了一種新型的基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的隧道施工通風(fēng)自動控制系統(tǒng)。研究了隧道施工過程中需要檢測環(huán)境指標(biāo)，需要檢測氧氣濃度、有害氣體。9研究了無線傳感網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，具體研究了ZigBee技術(shù)并敘述了ZigBee的實現(xiàn)方案。完成了無線傳感網(wǎng)絡(luò)平臺的搭建，完成了傳感器采集節(jié)點、中繼/轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點、匯節(jié)點的軟件設(shè)計，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了傳感器數(shù)據(jù)的采集。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺的基礎(chǔ)上，對傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)健型進(jìn)行了驗證，并完成上位機(jī)監(jiān)控界面的制作，驗證了該系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸具有穩(wěn)健性。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]瞿雷，劉盛德，胡咸斌.ZigBee技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

[2]黃成光.公路隧道施工[M].北京：人民交通出版社，2001.

[3]中國交通技術(shù)網(wǎng)[EB/OL]. http：//www.tranbbs.com

[4]陳建勛，馬建秦.隧道工程試驗檢測技術(shù)[M].北京：人民交通出版社，2005.

[5]關(guān)寶樹.隧道工程施工要點集[M].北京：人民交通出版社，2003.

[6]楊立新.現(xiàn)代隧道施工通風(fēng)技術(shù)[M].北京：人民交通出版社，2012.

[7]胡根有.長大對到施工通風(fēng)技術(shù)研究[D] 成都：西南交通大學(xué)，2006.

[8]交通部重慶公路科學(xué)研究所.公路隧道施工技術(shù)規(guī)范 JTJ 042-94：附條文說明/ [S].北京：人民交通出版社，1995：50

[9]道客巴巴. 隧道施工通風(fēng)技術(shù)要點集[Z/OL]. http：//www.doc88.com/p-964199828447.html.