隧道环境的多参数无线监测系统设计

张文都

摘 要：本文旨在研究一种低成本的隧道环境多参数监测系统，将CO浓度、光照度等环境参数传输到服务器，实现对隧道高密度全区域的监测。本系统的研发为公路隧道、轨道隧道的运营管理者提供更多现场环境参数，更好地保障隧道内交通参与者的安全。

关键词：隧道;环境监测;监测装置

中图分类号：TP274 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2019）31-0111-02

Design of Multi Parameter Wireless Detection

System in Tunnel Environment

ZHANG Wendu

（College of Rail Transit， Shaanxi College of Communication Technology，Xi'an Shaanxi 710018）

Abstract： The purpose of this paper is to study a low-cost tunnel environment multi parameter monitoring system， which can transmit the environmental parameters such as CO concentration and illuminance to the server， so as to realize the tunnel high-density and whole area monitoring. The research and development of this system provides more on-site environmental parameters for the operation managers of highway tunnel and rail tunnel， and better guarantee the safety of traffic participants in the tunnel.

Keywords： tunnel;environmental monitoring;detection device

隧道是埋置于地层内的工程建筑物，是人类利用地下空间的一种形式。通常，隧道内会存在一些有害气体，不仅影响施工人员的身体健康，而且可能會给隧道工程造成毁灭性灾害。因此，在高速公路或者城市轨道交通运营中，要实时监控隧道内的有害气体浓度。由此，本文设计了一款隧道环境多参数无线监测系统[1]。

1 隧道环境监测系统构成

现阶段，隧道监控仍停留在CCTV视频监控和在个别区域使用COVI监测仪，以对一氧化碳、光照度和温度进行监测。由于COVI监测仪价格非常昂贵，仅仅对个别区域进行监测，无法实现对隧道空间高密度全区域的监测，不能获取大量隧道环境参数，无法准确了解隧道环境状况与交通状况。因此，急需研发隧道环境智能监测系统。

本文设计的隧道环境监测系统由多个监测节点组成，包括若干个多路传感器，等距离分布在隧道内，监测节点基于嵌入式技术，能实现隧道环境的多参数监测，获取大量数据，得到隧道多种维度信息。

本课题研究的隧道有害气体监测装置包括若干个多路气体传感器、报警装置、处理控制器、隧道通风系统、服务器、用户监控端[2]。其中，若干个多路气体传感器等距离分布在隧道内，多路气体传感器与处理控制器、报警装置及新风系统电连接，实现对有害气体的感知。每个模块包含一个独立编号，按一定距离分布于隧道内，传感器模块发送的数据内容包括有害气体数据和编号。通风系统主要包括换气扇和隧道轴流风机。其中，换气扇设置在多路气体传感器位置附近;隧道轴流风机可以实现对隧道内通风的控制，有害气体浓度过高时，相应位置的通风系统启动。处理控制器用于控制通风系统开启和关闭。服务器通过无线传输模块将信号传输至用户监控端，服务器和用户监控端在交通监控中心。服务器中存储着每个现场传感器模块的编码及所对应的位置信息。用户监控端的显示屏幕通过图形化界面显示每个采集点的危险气体数据。

2 硬件设计

2.1 装置整体构造与工作原理

隧道环境智能监测系统的多路气体传感器监测包括氧气、一氧化碳、硫化氢、甲烷以及粉尘的浓度，将监测结果通过电路传输到处理控制器，当某处浓度超过设定阈值时，报警装置中交通信号灯变成红色，报警器发出警报声，处理控制器通过服务器及无线传输模块将信息传输到用户监控端，用户监控端的显示屏上显示多路气体传感器位置分布的绿色圆点会变成红色并且闪烁，以提醒用户该处有害气体浓度超标，同时处理控制器控制该处的新风系统换气扇启动，进行通风换气，当浓度达标时，信号灯变绿，报警器停止报警，显示屏上圆点恢复成绿色且不再闪烁[3]。

该系统中多路气体传感器、控制器和无线传输模块构成监测节点，监测节点为本课题开发重点。

2.2 监测节点硬件设计

监测节点的硬件主要有微控制器、射频电路、电源模块、串口模块、AD数模转换模块和多路传感器等。

2.2.1 微控制器。微控制器为本节点的核心，主要完成程序控制与外部数据采集。由于需要在恶劣条件下长时间工作，本节点选用TI公司（德州仪器）的MSP430F135单片机。该单片机具备稳定性强、功耗低等特性，可以满足本节点的设计要求。

2.2.2 射频通信电路。系统采用433M无线通信模块。该模块的工作频率为316.8MHz，使用声表谐振器SAW稳频，稳定性极高，输出方式为TTL，特别适合在恶劣条件下全天候工作。

2.2.3 电源模块。系统中的MCU使用电源为3.3V，433M无线通信模块的电源为5V，多路传感器的电源为5V，因此，采用ATMEL1117低功耗集成电源芯片，其输入电压最大为8V，输出为5V和3.3V。

2.2.4 串口模块。节点预留485串口控制模块，可以实现对符合485标准工业总线的机电设备如交通信号灯、隧道风机等的控制。

2.2.5 AD转换模块。AD转换模块采用节点采集ADC0809芯片，价格低廉，采用双列直插式封装，维修更换方便。该芯片具备较高的稳定性，同时支持8路模拟量输入，适合多路模拟量传感器的输入采集与监测。

2.2.6 多路传感器。隧道环境监测主要包括CO浓度监测、光照强度监测、温湿度监测等。CO浓度监测采用MQ-7气敏传感器，其抗干扰能力强，水蒸气、烟等对其影响小，且价格低廉，适合大规模、高密度节点的布设。

3 软件设计

系统的软件设计主要包括两部分：MSP430单片机的编程设计和远程主机上位机软件程序设计。

3.1 采集节点装置的单片机程序设计

节点装置的主要作用是对现场环境进行监测。每个节点设置一个编号，采用侦听模式工作，按一定距离分布在隧道内。系统上电后，程序初始化，开始监听是否存在通信中断，当监听到无线通信中断时，接收主机发送的信令，核对信令编号是否为自身编号，如为自身编号，则开始进行多路环境监测数据采集，CO、光照度、温度、湿度等传感器开始采集数据，单片机将数据存储在EPROM中，并发送信号至控制中心主机。节点装置使用RS458串口和现场机电设备进行通信，对现场机电设备如信号灯和隧道风机进行控制[4]。

3.2 控制中心上位机程序设计

控制中心的上位機采用图像化界面设计，使用VB编程，程序可与采集节点装置通信，发送和接收数据，实现现场数据的图形化显示和控制。

4 结语

本课题所设计的隧道环境智能监测系统，具备成本低、稳定性高等特点，节点可以采集CO浓度、湿度、温度、光照度等环境信息。经实验室测试，该系统达到了设计目标。今后，课题还将从继续提高稳定性、可靠性的角度着手，优化研究，将该系统早日运用到实践中。

参考文献：

[1]刘湖平，麦云飞，王静悦.基于Lab VIEW和MSP430的CO气体无线监测系统设计[J].计算机测量与控制，2010（9）：1999-2004.

[2]孙雨耕，张静，孙永进，等.无线自组传感器网络[J].传感器学报，2004（2）：331-335.

[3]陈雄，杜以书，唐国新，等.无线传感器网络的研究现状及发展趋势[J].系统仿真技术，2005（2）：67-73.

[4]金伟，齐世清，王建国.现代监测技术[M].北京：北京邮电大学出版社，2007.