隧道机电设备状态感知终端的研究及其在大数据系统中的应用

陈智亮 蒋铯琦 吴洪尧 刘海萍

摘要：本文依托大数据平台技术以及物联网技术，提出了一种隧道机电状态感知终端系统，其输入连接区控、风机、汽通门、泵房、消防系统，其输出连接工业以太网交换机，再将采集到的数据上传至上位机服务器，为大数据平台提供精确的数据支持。

关键词：隧道机电设备;智能感知;大数据系统

中图分类号：TP311.13    文献标识码：A    文章编号：1007-9416（2020）06-0000-00

1 隧道机电设备状态感知终端

1.1 终端构架设计

隧道机电设备感知终端功能强大，接口丰富，并且具有远程功能。主体包括三个部分电源管理部分、核心处理器部分和数据采集部分。电源管理部分由24V专用开关电源、UPS电池组成。其中专用开关电源带断电检测。核心处理器部分由微型计算机、FLASH、SDRAM和相关电子电路组成，具有强大的计算能力和存储能力，能对采集到的数据进行精确处理并保存。数据采集部分由和其各对应的采集模块组成，满足各种类型信号数据的采集，并且可以对所有接口同时进行采集，然后通过微型计算机处理后上传[1]。

1.2 硬件设计

结合设计实际需求，本感知终端的硬件部分设计有几点[2]：（1）本感知终端选用高性能、低功耗、小体积的工业级Cortex-M3系列处理器，主频高达80MHz，中断延迟短且调试成本低。（2）电源模块选用LM2576和AMS1117芯片提供5V和3.3V电压为CPU和其他模块供电。同时，选用B0505S-1WR3模块为电源模块提供短路保护和电容保护。（3）DI模块有8路数据量量数据通道，支持读写操作，外接开关量信号设备。（4）AI模块有10路4-20Ma模拟量数据通道，精度为12位，外接模拟量信号设备。（5）UART模块选用MAX485芯片实现，外接10k上拉电阻防止干扰信号误出发R0（接收器输出）产生负跳变，使接收端MCU进入接收状态。（6）以太网模块选用DM9000AEP型号的PHY芯片，实现百兆网络通讯。（7）本终端有一个TTL电平输出端子，可输出MCU的运行信息，便于调试以及了解其运行状况。同时，本终端还有指示灯及复位按钮等基础部件。

1.3 软件及数据接口设计

1.3.1 下位机软件设计

考虑到本感知终端设计功能丰富，采用模块化设计。同时，利用Keil5软件进行程序的编写和设计。下位机软件设计包括：（1）主程序软件设计;（2）数据采集功能模块软件设计，包括模拟量数据采集模块、数字量数据采集模块、RS485串口通讯模块;（3）PWM时序输出功能软件设计;（4）实现I/O口输入输出功能软件设计;（5）以太网通讯模块软件设计。

1.3.2 上位机软件设计

上位机软件是专门设计为本感知终端进行配置调试使用。其包括：（1）网口设置，利用以太网通讯的方式通过固定的IP和端口号与指定的感知终端进行连接，然后对其进行操作;（2）参数配置，在于终端成功连接之后，可对该感知终端进行设备ID、上位机IP、设备IP、网关等一系列基本参数的设置;（3）485串口设置，因为现实场景中，不同的厂家对其产品设定的通讯协议各不相同，有环境监测类设备、振动传感器类设备、电表类设备、温度传感器类设备等等，因此在此选项可根据系统集成的隧道常用外接设备选择不同通讯协议和波特率，以实现终端与外接设备之间的通讯;（4）AI量程配置，在此区块可根据不同设备提供的说明对接入AI模拟量采集口的外接设备进行量程配置，以确保数据的准确性。

2 基于终端构建隧道机电大数据系统

2.1 系统架构

本系统旨在构建一个面向交通机电的设备管理系统，主要管理高速公路、国省道及隧道、桥梁上的机电设备。在交通机电系统中引入物联网技术，通过在设备端安装大数据平台专用的智能数据采集及通讯终端，采集设备的实时运行状态及供电情况。现场的数据通过上传后进入统一的大数据系统进行存储，并在机电设施大数据平台进行管理和展现。实现远距离，大范围的机电设备监控。

2.2 终端数据采集应用

高速公路隧道的机电设备种类繁多，本节以高速公路隧道内射流风机的实际应用为例，来描述终端数据采集以及大数据平台在现实场景中的应用。在传统的隧道风机控制柜和射流风机的基础上添加一系列相关的数据采集设备。主要包括：（1）多功能电表，采集风机运行电流、电压、功率、能耗等等数据;（2）温度传感器，安装在风机的转动轴上;（3）振动传感器，安装在风机上。同时，在控制柜内安装本机电设备感知终端，以及将各个采集设备的通讯口接入到终端的相应采集口上。

感知终端通过RS485采集通道与多功能电表进行通讯，根据指定的通讯协议来实时获取风机的单相电压、单相电流、功率、能耗等数据。同时，通过AI模拟量采集通道实时采集温度传感器和振动传感的数据。本终端的处理器在采集到这些数据之后，会对其进行初步处理。然后，通过工业以太网交换机上传至上位机服务器。这些数据会先被储存在特定的数据库内，等待大数据平台系统的调取。在被调取之前，大数据平台会对这些數据进行对比，清洗，转换。当数据被调取之后，会进入各算法模型当中比如神经网络算法等[3]。同时，大数据平台也会不断进行学习。经过算法计算后的数据会被运用于大数据系统的各项服务当中。

2.3 大数据分析结果

上述射流风机数据采集实际应用，其感知终端通过多功能电表、温度传感器、振动传感器采集到的数据经算法计算分析后结果如：以射流风机1-1为例，其轴温为24.21℃，X轴振动为14.33mm，Y轴振动为13.66mm，各单相电流为64.19A，各单相电压为223.74V。其次，软启，供电，PLC三个为故障报警信号，0为正常，1为故障。

3 结语

智能数据采集终端作为一款专门针对高速公路机电行业开发的多功能路侧设备，在整个大数据平台的底层设备数据采集中发挥着关键的作用。本设备基于高性能Cortex-M3 CPU，采用高可靠的嵌入式系统作为嵌入式应用平台;具备DI、AI、RS485、以太网口等全部主流数据输入输出接口;集成各类隧道机电设备主流品牌常用通讯协议及电力仪表协议，可直接接入信号自动根据协议解析处理数据。同时，大数据系统的应用有助于高速隧道机电设施数字化管理，全覆盖的设备信息监测，智慧化运维管理，大数据分析和决策支持，为以后的智慧高速、车路协同、自动驾驶等服务提供数据基础和模型基础。

参考文献

[1] 魏伟.智能感知在隧道机电系统中的应用[J].中国交通信息化，2019（9）：128-129+132.

[2] 沈兰荪.数据采集技术[M].合肥：中国科技大学出版社，1990.

[3] 熊尧.多功能高速采集卡的设计与实现[D].西安：西安工程大学，2013.

收稿日期：2020-05-06

作者简介：陈智亮（1995—），男，浙江杭州人，本科，助理工程师，研究方向：电子信息。