匡正，何國(guó)東，李立明

摘要：近年來(lái)，地鐵的迅速發(fā)展使其成為城市交通的主要工具之一，然而地鐵系統(tǒng)復(fù)雜的環(huán)境體系對(duì)人體的健康和行車的安全存在一定的隱患。隨著無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，wifi也在上海的地鐵系統(tǒng)中普及，這意味著大量數(shù)據(jù)的在線交互更為便捷和廉價(jià)，對(duì)地鐵系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)成為了可能。本文就此問(wèn)題設(shè)計(jì)了基于wifi環(huán)境的軌道交通環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以stm32單片機(jī)為核心，mq系列傳感器、PM2.5傳感器等收集環(huán)境數(shù)據(jù)，esp8266模塊連接wifi傳輸數(shù)據(jù)，電腦主機(jī)接收并處理數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)軌道交通環(huán)境的監(jiān)測(cè)。

關(guān)鍵詞：環(huán)境監(jiān)測(cè)；物聯(lián)網(wǎng)；多節(jié)點(diǎn)采集系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：X83 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2017）48-0072-02

城市軌道交通目前已成為了各大城市市民出行的首選公共交通方式，以其準(zhǔn)時(shí)、舒適、安全和便宜等特點(diǎn)極大方便了人們的出行。wifi的普及使得我們能夠及時(shí)監(jiān)測(cè)地鐵運(yùn)行時(shí)的各種環(huán)境數(shù)據(jù)，從而能夠讓我們快速發(fā)現(xiàn)各種問(wèn)題，避免潛在的危險(xiǎn)。大量數(shù)據(jù)的積累也許能為后期的研究提供經(jīng)驗(yàn)。

一、軌道交通環(huán)境現(xiàn)狀分析

據(jù)研究，上海地鐵站臺(tái)以溫濕度為代表的微氣候狀況良好，甲醛和CO濃度較低，部分站臺(tái)CO2濃度過(guò)高。顆粒物濃度過(guò)高是上海地鐵站臺(tái)中存在的主要問(wèn)題，PM10為372±209μg/m3，PM2.5為293±193μg/m3[1]。而地鐵運(yùn)行時(shí)各種能量轉(zhuǎn)化成熱能排出，使區(qū)間隧道內(nèi)的環(huán)境十分復(fù)雜，溫濕度以及氣壓并不穩(wěn)定[2]。大量乘客致使車輛內(nèi)部的空氣調(diào)節(jié)成為問(wèn)題。列車運(yùn)行時(shí)的噪聲問(wèn)題并未得到足夠重視，機(jī)件狀態(tài)也難以得到實(shí)時(shí)的檢測(cè)，有一定的安全隱患。

本文設(shè)計(jì)的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)針對(duì)地鐵系統(tǒng)復(fù)雜的環(huán)境，將節(jié)點(diǎn)平臺(tái)化，安裝于站臺(tái)、車廂、隧道區(qū)間等各個(gè)需要進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)的地方。環(huán)境數(shù)據(jù)可用于調(diào)節(jié)通風(fēng)系統(tǒng)從而節(jié)約能源，發(fā)現(xiàn)異常信息也可及時(shí)報(bào)警，為地鐵系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支持，以便創(chuàng)造一個(gè)更舒適、安全的運(yùn)行環(huán)境。

二、系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

（一）系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

由于采用了wifi進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，因而并不需要再進(jìn)行諸如藍(lán)牙或zigbee之類的組網(wǎng)工作，每個(gè)采集節(jié)點(diǎn)可直接向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)。整個(gè)系統(tǒng)為采集節(jié)點(diǎn)——服務(wù)器，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸。采集節(jié)點(diǎn)包括stm32單片機(jī)（數(shù)據(jù)處理），各種類型傳感器（數(shù)據(jù)采集），esp8266 wifi模塊（數(shù)據(jù)傳輸），顯示屏（數(shù)據(jù)顯示），服務(wù)器運(yùn)行程序（接收并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)）。

每個(gè)節(jié)點(diǎn)開(kāi)機(jī)后自動(dòng)搜索wifi信號(hào)，連接wifi成果后開(kāi)始采集并發(fā)送數(shù)據(jù)，同時(shí)也在顯示屏上顯示，如果不能連接wifi，則將數(shù)據(jù)暫時(shí)保存在SD卡中。電腦服務(wù)器為每一個(gè)節(jié)點(diǎn)打開(kāi)一個(gè)端口接收數(shù)據(jù)并處理、保存。由于使用平臺(tái)化的采集節(jié)點(diǎn)，并且mq系列的通用性十分強(qiáng)大，在特定環(huán)境下可以安裝特定型號(hào)傳感器，即插即用。

（二）采集節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

節(jié)點(diǎn)采用stm32 f103系列單片機(jī)作為控制器，具有足夠多的IO口和ADC接口來(lái)擴(kuò)展外圍電路。ADC轉(zhuǎn)換可直接讀取mq系列傳感器等模塊輸出的模擬電壓值，IO口可以用于讀取DHT11的溫濕度值以及esp8266 wifi模塊的數(shù)據(jù)傳輸。

ESP8266模塊作為目前新興的WIFI網(wǎng)絡(luò)解決方案，擁有強(qiáng)大的WIFI網(wǎng)絡(luò)功能，甚至可以承擔(dān)WIFI適配器的任務(wù)。由于采用和串口輸出相似的接口，可以將其置于幾乎所有單片機(jī)中，比如本設(shè)計(jì)采用的stm32系列，通過(guò)SPI/SDIO接口就能連接（幾乎所有單片機(jī)都有這種接口）。ESP8266集成度非常高，所需的外圍電路很少，減少了很多空間占用。

Mq系列傳感器：Mq系列傳感器采用高溫循環(huán)檢測(cè)的方式[3]。傳感器中的金屬氧化物半導(dǎo)體被加熱到一定溫度后，遇到相應(yīng)的還原性氣體會(huì)改變其阻值。通過(guò)簡(jiǎn)單的外圍電路，傳感器將輸出相應(yīng)的電壓模擬量數(shù)值。本系統(tǒng)所要采用的Mq系列傳感器有：Mq-2，Mq-7，Mq-135。DHT11溫濕度傳感器：品質(zhì)卓越、造價(jià)低廉、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比極高。采用單總線傳輸，數(shù)據(jù)處理同樣十分簡(jiǎn)便。PM2.5傳感器GP2Y1010AUOF：這是由夏普公司設(shè)計(jì)的一款光學(xué)空氣質(zhì)量傳感器，能檢測(cè)細(xì)微顆粒如煙草煙霧，通常在空氣凈化系統(tǒng)中應(yīng)用，本設(shè)計(jì)中將其與MQ-2或MQ-135配合，用于采集顆粒物和空氣污染數(shù)據(jù)。該傳感器輸出為電壓模擬量，其值與粉塵濃度成正比。上述傳感器分別為氣體傳感器、溫濕度傳感器和粉塵傳感器，然而視情況不同我們?nèi)钥梢蕴砑悠渌煌膫鞲衅饕员O(jiān)測(cè)環(huán)境數(shù)據(jù)，比如聲音傳感器（監(jiān)測(cè)噪聲）。畢竟環(huán)境污染是多種多樣的，只要傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)電壓模擬量的輸出，即可適用。

節(jié)點(diǎn)外圍電路方面，采用電池供電和插口直流供電雙重供電方案以滿足具體場(chǎng)景需求。同時(shí)外殼采用壁掛式設(shè)計(jì)，方便通過(guò)屏幕讀取信息（當(dāng)然也可以平放固定）。

三、節(jié)點(diǎn)與服務(wù)器軟件設(shè)計(jì)

節(jié)點(diǎn)的軟件程序包括環(huán)境數(shù)據(jù)采集程序、wifi模塊發(fā)送程序以及顯示程序，采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，編譯器為keil v5。STM32F103內(nèi)部自帶ADC模塊，用以采集模擬信號(hào)。屏幕顯示信息不僅包含各個(gè)傳感器的當(dāng)前數(shù)據(jù)，還有時(shí)間顯示，數(shù)據(jù)曲線顯示。對(duì)于某些場(chǎng)景下的傳感器異常讀數(shù)，可以提供報(bào)警聲，并在發(fā)送的數(shù)據(jù)中顯示。服務(wù)器主要用于接收數(shù)據(jù)并保存。服務(wù)器對(duì)每一個(gè)節(jié)點(diǎn)開(kāi)放一個(gè)端口用以建立連接，收到數(shù)據(jù)后處理并保存于硬盤(pán)中。

四、結(jié)語(yǔ)

互聯(lián)網(wǎng)自誕生直至發(fā)展至今，逐漸滲透入了生活的各個(gè)部分，成為現(xiàn)代生活不可分割的存在?；ヂ?lián)網(wǎng)的精神是開(kāi)放、平等、協(xié)作、快速、分享。基于這種精神，我們通過(guò)不懈努力讓生活變得更美好。傳感器、控制器、機(jī)械、電子，這些時(shí)空上相互獨(dú)立分離的存在在互聯(lián)網(wǎng)之下變成一個(gè)整體。本文所設(shè)計(jì)的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)正是這個(gè)不斷擴(kuò)張、完善的整體中的微小一員?；诨ヂ?lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程管理和智能化物聯(lián)網(wǎng)是未來(lái)信息化發(fā)展的必經(jīng)道路。

參考文獻(xiàn)：

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