基于物联网的城市轨道交通环境监测系统研究

王 宁 高 朋

西安航天自动化股份有限公司 陕西 西安 710065

引言

轨道交通系统作为一种快速安全的交通方式越来越被广大都市居民认可,在地铁成为人们主要出行工具的同时,人们在地铁车站内逗留的时间也随之增加,在运营高峰时段,地铁站内客流密度大,地铁车站卫生状况对人体健康产生不良影响,这一问题已引起国内外专家学者的广泛关注.本研究针对上海地铁站台综合环境进行了分析,设计了城市轨道交通站台的环境远程监测系统.

1 当前城市轨道交通行车环境安全的主要问题

当前我国城市轨道交通发展迅速,特别在新制式轨道交通全面发展的大背景下,地面和高架形式的线路不断增加,如强风、大雾、暴雨雪、地震等极端天气条件及自然灾害等对轨道交通运行的影响逐渐显著。一旦发生诸如桥梁、车辆在强风等极端天气下失稳等状况,将会危及乘客生命安全。随着极端天气发生的频率越来越高、危害越来越大,对城轨高架线路在强风(尤其是强侧风)、强雨、地震条件下车-线-桥系统危险因素进行监测,量化指标,分级响应,最大限度防范风险、规避灾害、保障列车安全运行成为当前亟需解决的问题。目前我国城市轨道交通地面高架线路目前尚无行车环境安全监测方面的相关标准规范;在极端气象环境下缺乏统一、可行的行车管理规章制度;气象部门提供的气象数据对轨道交通地面高架线路行车安全的辅助作用缺乏针对性,且数据不能满足确保行车安全的实时性要求。

2 物联网的城市轨道交通环境监测系统

2.1 功能设计 本系统功能分为城轨环境数据采集、数据传输、数据存储和数据处理4部分。1)数据采集。部署在监测区域中的传感器节点完成各项城轨周边环境信息的感知和采集,需要采集的环境信息包括:温度、湿度、烟雾浓度、地表沉降和桥梁水平位移状况等。2)数据传输。传感器节点在采集到数据信息后,按照CTP协议的要求,位于基站监控机的节点将自己设为根节点,其他节点通过估计其与邻节点之间的链路质量信息选择下一跳节点,形成到根节点的树状集合。所有节点照此路由将采集到的环境监测信息传送到基站节点。3)数据存储。基站节点首先将汇聚到的所有环境监测信息上传给基站监控机,基站监控机再将数据上传给远程的数据库服务器。数据库服务器存储了全部的系统监测信息。4)数据处理。数据处理又包含监测信息可视化显示和异常告警2部分。通过在基站监控机或终端监控中心上安装的环境信息监控平台,可视化地显示城轨交通环境监测信息,并对采集到的异常数据及时告警。

2.2 采集节点设计 为了适用于不同的站台,本系统采用无线多节点采集环境信息.可以根据不同的站台不同的人流量来布置采集节点的位置,节点数目不限定,使采集的信息更准确.节点主控采用STM32F103C8T6单片机控制,该单片机内置ADC转换用以采集一氧化碳(CO)传感器、烟雾传感器、PM2.5传感器信息.用1根数据IO口读取DHT11的温湿度值.将采集到的数据用1个数组保存,ZigBee芯片采用德州仪器的CC2530芯片.

2.3 城轨环境监测节点节能策略 城轨交通环境监测系统采用k=2的节点覆盖策略,网络中一半数量的节点为冗余节点。由于节点能量的有限性,平时将冗余节点设置为休眠状态,不能将相邻的2个节点同时休眠,以避免网络中覆盖盲区的出现。在网络中出现能量耗尽或失效节点时,冗余节点将代替此节点进行相关数据监测和采集,并通知基站节点失效节点的位置,以及时补充新节点。

2.4 监测单元功能设计 1)主控模块主控模块主要功能包括:时钟控制;其它模块进程控制;远程控制(包括远程重启、电源关闭),报警发布。选择嵌入式芯片,带操作系统下的嵌入式开发。采购主控核心板:选型参考CPU:ARMCORTEX-A17。2)数据采集模块完成对传感器监测信息的采集(表2),要求支持同时采集不少于3种传感器、不同采样频率下的数据。3)数据处理模块完成对采集数据的过滤、数据包封装、报警算法及数据处理等。4)数据转发模块将封装后的数据包发送到数据通信模块。5)数据本地存储模块实现数据本地存储,容量满足30天存储要求,支持最大32G的SD卡,SD卡可热插拔。6)数据通信模块数据通信可采用有线、无线两种方式。其中有线方式是模拟轨道交通中数据通信RJ-45接口直接连接或者远距离光纤传输。有线通信支持1个光口(1000M)、两个电口(100M),光口支持SFP光模块。无线通信方式是模拟轨道交通中2.4G无线通信方式。无线通信采用Wi-Fi模块。(2.4G,至少支持802.11b/g)。

3 结语

利用局部网络或互联网等通信技术把传感器、控制器、机器、人员和物等通过新的方式联在一起,形成人与物、物与物相联,实现信息化、远程管理控制和智能化的网络是未来科技发展的必经之路.物联网作为互联网的延伸,物联网中所有的元素(所有的设备、资源及通信等)都是个性化和私有化的,把传感器和互联网连接是物联网发展的一大方面,该项目希望通过把传感器技术、互联网技术、环境监控三者相互结合,将环境监控问题网络化、智能化、人性化,使人们能够更好的调控所生活的环境.