王育紅 石晶 王飛

摘 要：傳統(tǒng)的市政建設(shè)中，可以看到密密麻麻的網(wǎng)線、反復開挖的路面、各處的圍擋等，這些不僅影響城市的美觀，影響城市的公共交通，為了解決這些常見的市政問題，響應(yīng)智慧城市的號召，促進城市的發(fā)展，提升城市的市容環(huán)境，方便人們的出行，綜合管廊的建設(shè)勢在必行。本文對綜合管廊內(nèi)部環(huán)境參數(shù)進行分析，提出一種基于STM32的監(jiān)控與預警系統(tǒng)，能夠有效地幫助工作人員進行安全監(jiān)測，達到智慧城市的建設(shè)標準[1]。

關(guān)鍵詞：綜合管廊;監(jiān)控;預警系統(tǒng)

綜合管廊在建設(shè)過程中，為了保證其安全可靠性，需要建立一套完整的監(jiān)控系統(tǒng)，包括多個子系統(tǒng)地下管廊環(huán)境實時監(jiān)測系統(tǒng)、紅外報警實時視頻監(jiān)測系統(tǒng)、地下管廊管道設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)等[2]。

1 方案設(shè)計

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

本系統(tǒng)研究為了滿足系統(tǒng)的功能需求，根據(jù)監(jiān)控的具體需求，確定系統(tǒng)采用3層分布式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，按照下圖的框架來實現(xiàn)該功能。

該體系結(jié)構(gòu)按照上圖，自下而上分為對應(yīng)的是數(shù)據(jù)層、傳輸層、管理層[3]。3層對應(yīng)的功能分別如下表1所示。

1.2 主要監(jiān)測傳感器

在該課題的研究內(nèi)容中，主要是根據(jù)國家規(guī)范《城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范》GB50838-2015[4]中的條例，確定了管廊內(nèi)部環(huán)境安全的參數(shù)及其安全值的要求。

根據(jù)規(guī)范中的要求，最終確定了必要的監(jiān)測是空氣的安全性指標，其中就包括O2含量CH4含量，一氧化碳濃度，溫度以及濕度。因此管廊的內(nèi)部需要放置能夠監(jiān)測對應(yīng)氣體含量的傳感器。

為了保證數(shù)據(jù)能夠準確無誤的傳輸?shù)絽^(qū)域控制器，本系統(tǒng)確定本地采用CAN總線通信方式、遠程采用以太網(wǎng)的工作方式。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 控制器電路設(shè)計與實現(xiàn)

區(qū)域控制器是整個3層體系的核心。

（1）控制芯片的選擇。本次根據(jù)市場上常見的運用成本低、性能高、成熟的單片機嵌入式系統(tǒng)。經(jīng)過篩選確定了本系統(tǒng)采用的核心芯片是ST公司生產(chǎn)的STM32F103RCT6。

（2）電源模塊的選擇。結(jié)合綜合管廊系統(tǒng)內(nèi)部的供電方式，系統(tǒng)采用交流220/380V的交流電源[5]。但是位于現(xiàn)場的設(shè)備需要以及主控芯片的供電電壓較小，所以需要電路轉(zhuǎn)換以滿足不同的設(shè)備供電需求。

（3）系統(tǒng)必不可少的時鐘電路和復位電路[6]。

（4）存儲模塊。結(jié)合綜合管廊的位置特殊性，距離長、設(shè)備多，需要存儲所有的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，對內(nèi)存的容量需求比較大，在設(shè)計時采用STM32F103RCT6芯片。

2.2 數(shù)據(jù)采集電路

整個綜合管廊的內(nèi)部環(huán)境參數(shù)監(jiān)測，通過底層的傳感器實現(xiàn)[7]。

（1）溫濕度傳感器。采用SHT11芯片監(jiān)測綜合管廊內(nèi)部的溫濕度。為了保證采集數(shù)據(jù)的準確性，系統(tǒng)采用外部數(shù)字溫度傳感器[8]。

（2）氣體數(shù)據(jù)監(jiān)測。

（3）火災探測器?！冻鞘芯C合管廊工程技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定了火災探測器的設(shè)計要求，所有的設(shè)備選型要保證其靈敏度高、可靠性強，便于及早發(fā)現(xiàn)管廊內(nèi)部火災信號[7]。

2.3 顯示電路

在綜合管廊內(nèi)部也需要設(shè)置采集數(shù)據(jù)后的顯示平臺，這樣工作人員進入內(nèi)部檢測才能夠?qū)崟r的判斷其內(nèi)部是否正常。除此之外還可以實現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)的查詢、報警記錄查詢等維護工作功能[7]。

2.4 報警電路

綜合管廊位于地下空間，檢修難度大，因此為了能夠及時的發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部異常狀況，一旦監(jiān)測到的數(shù)據(jù)有異常情況，報警電路工作，發(fā)出報警信號。

2.5 通信模塊

在系統(tǒng)的三層結(jié)構(gòu)框架中，根據(jù)方案設(shè)計采用的通信方式是CAN通信以及RS485通信[7]。選擇CAN總線方式能夠幫助實現(xiàn)底層數(shù)據(jù)采集與控制器之間信息傳輸功能。并且需要設(shè)計串口通信來解決傳感器接口的問題[5]。區(qū)域控制器與遠程監(jiān)測中心之間選用以太網(wǎng)通信模塊。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

在進行系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計之后，下位機的軟件設(shè)計主要由數(shù)據(jù)采集、CAN接口、現(xiàn)場信息顯示、聲光報警等任務(wù)組成。軟件系統(tǒng)是基于搭建好的STM32硬件平臺，應(yīng)用μc/os-Ⅱ操作系統(tǒng)，在基于微控制器軟件開發(fā)平臺Keil uVision5開發(fā)軟件下[7]，C語言編程，實現(xiàn)以下功能，如表2。

整個軟件系統(tǒng)的實現(xiàn)通過下面的流程進行：底端的傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過CAN總線傳送給區(qū)域控制器，進行一定的處理后，在用以太網(wǎng)進行傳輸?shù)焦芾頇C之間，這樣即可實現(xiàn)主機界面的顯示，分機的顯示作用則是在管廊內(nèi)部進行顯示。

4 系統(tǒng)上位機的設(shè)計與實現(xiàn)

綜合管廊系統(tǒng)遠程監(jiān)測中心，主要是便于管理室的人員進行數(shù)據(jù)查詢、報警顯示、故障記錄與查詢等多項功能。整個監(jiān)測系統(tǒng)最上層是控制中心，能夠?qū)崿F(xiàn)信息遠程監(jiān)測與預警。本系統(tǒng)的上位機界面選擇組態(tài)軟件進行開發(fā)，使用簡單、操作方便、開發(fā)周期短，通用性強[9]。本次設(shè)計選用MCGS。

4.1 工程設(shè)計與實現(xiàn)

在MCGS工程設(shè)計中，系統(tǒng)要實現(xiàn)的核心功能是建立和管理實時數(shù)據(jù)庫，建立數(shù)據(jù)庫需要對整個的數(shù)據(jù)進行定義和設(shè)置。所有的模塊必須和底層的傳感器數(shù)據(jù)是接口是一一對應(yīng)的，最終的整個動畫界面是要能夠達到精確、定位的監(jiān)測目的。

第一步：在上位機開發(fā)軟件中，進行變量定義[10]。所有的顯示的數(shù)據(jù)都要進行數(shù)據(jù)的定義，設(shè)置標簽參數(shù)。

第二步：設(shè)計界面。遠程監(jiān)測的目的是直觀的反映綜合管廊內(nèi)部是否安全。在監(jiān)測界面上可以查看到實時的顯示數(shù)據(jù)，同時可以看到氣體濃度變化的曲線圖[11]。當單個變量值變化很快接近上限時，如果持續(xù)一定時間即預警燈亮，可以及時提醒人員去進行檢修，排除危險信息。

第三步：動畫連接。所有的界面要進行關(guān)聯(lián)，能夠?qū)崿F(xiàn)畫面的切換。當需要查看參數(shù)時，即可轉(zhuǎn)接到對應(yīng)的界面[12]。

4.2 軟件界面試運行

當打開軟件運行界面后，首先需要進行登錄，按照設(shè)置的不同身份的賬號和密碼進行輸入，進入到綜合管廊監(jiān)控系統(tǒng)管理界面。

在整個系統(tǒng)運行的界面，可以實時看到每一個監(jiān)測數(shù)據(jù)的動態(tài)值，主要包括溫濕度、危險氣體濃度[13-14]。界面上顯示的數(shù)據(jù)即正常運行狀態(tài)下的實時數(shù)據(jù)，當出現(xiàn)異常時，即監(jiān)測到的數(shù)據(jù)超出其安全界限后，會出現(xiàn)相應(yīng)的報警指示燈。此時可點擊界面的實時曲線觀察到對應(yīng)的數(shù)據(jù)變化。在打開報警窗口后，可以看到對應(yīng)的報警信息，包括報警的對象、報警值、報警界限和報警描述。

5 結(jié)語

論文通過軟硬件結(jié)合，本地和遠程的連接，能夠比較完整地實現(xiàn)了綜合管廊系統(tǒng)的監(jiān)測與控制，能夠有效地解決后期管理中存在的各項不便，在今后的工作中還需要繼續(xù)進行研究和系統(tǒng)的完善。

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基金項目：陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學院2018年首批科研基金項目（KY2018-07）

作者簡介：王育紅（1991— ），女，漢族，陜西藍田人，碩士，講師，研究方向：自動控制、建筑電氣智能化。