城市轨道交通站级数据采集物联网设计

李巍 刘振 张思琪 季鹏鹏

【摘 要】本文针对城市轨道交通中机电设备数据采集监测问题进行分析，针对轨道交通地下车站的结构和特点，设计一种低成本、易实施的轨道交通站级数据采集物联网架构及协议方案，解决多种设备数据采集、环境数据采集的联网需求问题。该系统由物联从机（IOT）、物联主机（IOT）、站级控制单元（SCU）、上位机管理终端四个部分组成。具有7x24不间断数据采集监测、自动预警、物联上报和信息化管理等功能。

【关键词】轨道交通;ARM嵌入式系统;物联网;协议栈;

1引言

近年来，物联网正在飞速发展，从智能家居到智慧城市，无处不有他的身影。在轨道交通逐渐成为了城市交通的运输主力时，物联网也大量运用到轨道交通运营建设中。

目前轨道交通在建设及运营过程当中，位于中心城区的线路基本设在地下隧道内，整个軌道交通系统中机电设备数量众多、种类复杂，同时因为环境潮湿、设备老化等因素，需要不间断采集设备数据，监控设备运行状态，并采取人工维护等必要手段，保障轨道行车安全。当下常用的两种解决方案有人工巡检和设备自动化运行。然而这两种方案仍面临以下问题：

1.人工巡检依靠天窗期，巡检工程量大，存在漏检等情况，一般情况下只能等到设备出现明显故障时才可发现处理。

2.设备自动化运行方案中，不同种类的机电设备虽可独立自动化运行，但无法做到统一监测管理，无法形成网络体系。

3.两种方案都无法实现对设备状态的监测和分析，提前预测设备状态，及时处理。

因此，需要设计出一款适用于轨道交通行业的轨道交通站级数据采集系统，实现7x24数据采集监测、自动预警、物联上报和信息化管理等功能。

2.系统架构

本系统由物联从机、物联主机、站级控制单元SCU、上位机管理终端四个部分（如图2-1）构成。物联从机与机电设备安装在基坑处，为单机机电设备提供物联网接口并采集上传设备数据，物联主机安装在车站之间，通过网路连接各物联从机，对上传数据进行汇总，执行分发SCU下达的指令。站级控制单元SCU安装在车站控制中心，负责连接物联主机与光纤环网交换机，并分析处理数据。而后管理员和维护员可通过多终端提供的操作交互界面，进行调试、配置和维护设备，并接收设备预警信息。

本系统主要用于提供给轨道交通管理人员进行机电设备实时监控、设备远程操作以及数据分析。其中涉及的系统角色主要包括管理员、维护员、物联网设备以及受控设备，它们在系统运作中的作用如表2-2所示：

2.2硬件设计

本系统硬件由物联网模块（IOT）与车站控制单元（SCU）两大模块组成，根据不同的场景进行模块拼接使用。

2.2.1 物联网模块（IOT）

物联网模块（IOT）主要用于与安装在隧道各处（坑基）的单机设备（如转辙机排水设备）的连接，其主要通过UART接口与受控机电设备连接，为搭建底层物联网提供硬件基础。

物联网模块分为主机和从机两种类型，其结构完全相同。从机的主要业务包括：数据读取、配置下发、透明传输、设备入网、断网重连等。通过在使用过程中跳线M/S进行功能转换和区分。

主机在从机的基础上，还安装有RS485模块能够与SCU直连。IOT模块结构如图2-3所示：

物联网模块（IOT）由如下几个模块组成：

1）STM32：低功耗模块处理器，对采集数据进行处理并向相应的端口发送控制数据。

2）RAM存储器：作为运算存储空间。

3）RTC时钟芯片：提供时钟信号，保证模块时间与上位机进行同步。

4）I/O引脚：对引脚进行了引出预留，为后期安装设备留出升级空间。

5）M/S主从转换跳线：用于对模块的主机与从机两种模式进行切换。

6）RS485接口：用于主机与车站控制单元的有线连接通讯（适用于长距离，强干扰环境）。

7）Lora433Mhz数传模块：用于主机与从机间的无线通信（适用于短距离、低干扰环境）。

8）UART串口接口：主要用于为受控设备提供物联网接口，便于后期维护和调试。

9）蓝牙接口：用于物联网模块与手机的连接，与手机app进行通信获取详细数据。

2.2.2 车站控制单元（SCU）

车站控制单元作为上位机设备，与下位机IOT模块进行连接。

车站控制单元（SUC）能够接收主机传递的各类数据信息，并能发送各类控制指令（时间校准、强制排水等），同时作为具备输入与显示的交互设备，为管理人员提供可视化操作平台与数据监控窗口，并具备数据记录分析与故障预警的功能。

车站控制单元（SUC）组成如图2-4：

各模块作用如图下：

1）树莓派3B：作为车站控制单元模块的处理器，同时为软件程序提供基础运行环境。

2）RAM存储器：作为运算存储空间。

3）SD卡：提供更多存储空间进行数据储存。

4）LCD液晶显示接口：为图像显示设备提供接口，显示基本采集信息。

5）RJ45网络接口：使物联网系统能够连接至光纤环网。

6）485有线通讯接口：与下位机进行有线的通讯连接。

7）蓝牙接口：用于与手机的通讯连接，通过app进行相关信息查看

3物联网连接方案

物联网模块设备、车站控制单元与光纤环网的网络连接通讯采取有线与无线相结合的方式（如图3-1）。

站点同一端的IOT从机与主机之间由于距离相隔不远，通过无线网络进行连接。在有楼层阻隔且距离较远的IOT设备与SCU之间，选择直接通过总线接口，使用有线连接的方式接通IOT主机。而SCU则通过网线接入光纤环网交换机。

4测试与验证

4.1通讯信号测试

本部分测试是针对于物联网系统在地下车站运行时的通讯信号是否可靠而展开的，测试包含以下几个方面的内容：

a）复杂钢筋混凝土建筑结构空间对无线网络信号的影响。测试内容包括无线物联节点的可靠信号覆盖区、ping延时、ping抖动、ping丢包率等数据并进行记录。

b）有线物联网通信能力。通过轨道交通站点现有的预留通信线缆，测试总线节点的负载能力、稳定性以及通信速率等指标。

c）通过将以上两测试得到的各项数据进行对比，寻找一个能够在站点保证通讯能力范围的情况下可靠稳定运行的物联组网方案。

测试结果：站点同端设备之间能够进行稳定通信。车站两端之间有线信号通信稳定良好，无线信号通信不稳定。IOT主设备与SCU进行通信，在100米的有线通信距离下，通讯信号稳定可靠。

4.2系统测试

本部分测试是对物联网系统的上位机功能进行测试，在安装完相关软件后，对各个模块进行功能测试。

4.2.1 IOT从机功能测试

本部分测试包含以下三个功能点的测试：

1）数据读取功能

受控设备准备待读取数据后，IOT从机向受控设备发送指令，受控设备接收到指令后，将数据发送至IOT从机接收。

2）配置设备功能

IOT从机发送配置设备命令至受控设备，并接收受控设备的返回数据信息。

3）透明传输功能

IOT从机准备待读取数据后采用透明传输的方式发送数据至受控设备，受控设备接收到数据后返回数据至IOT从机。

4.2.2 IOT主机功能测试

1）物联组网功能

IOT主机广播信标，从机扫描主机广播的信标并接收，将接收到的信标打印至串口。

2）数据采集功能

IOT主机发送数据采集的指令至从机，从机收到指令后将待读数据返回至IOT主机。

3）透明传输功能

IOT主机准备待读取数据后采用透明传输的方式发送数据至IOT从机，IOT从机接收到数据后返回数据至IOT主机。

4.2.3 SCU功能测试

1）数据采集功能

SCU发送数据采集指令至IOT主机，IOT主机接收到指令后将待读取数据返回至SCU。

2）上传数据功能

SCU将待读取数据上传至PC端，PC端打印数据帧。

3）状态显示功能

SCU发送数据采集指令至IOT主机，IOT主机接收到指令后返回待读取数据，操作人员通过SCU软件界面查看期望的数据信息。

测试结果：在对上位机软件功能进行测试后，测试实际结果包含预期结果，功能测试全部通过。

5总结

通过在站点实地测试各类网络信号通信情况，本项目最终选择了在实验条件下最为稳定的布线方案进行物联网系统的组件，保证了网络传输的可靠性。软件功能测试满足需求。

综上所述，本系统是一种低成本、易实施的站级数据采集物联网架构及协议方案，能够解决多种设备数据采集、环境数据采集的联网需求问题。

（作者单位：1.江汉大学人工智能學院;2.武汉地铁集团有限公司）