CN202856796U - 一种隧道环境检测装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型揭示了一种基于物联网和LABVIEW技术的隧道环境检测装置，包括信息采集和传输模块、主控制模块、监控和信息发布模块，所述信息采集和传输模块包括多个无线传感器节点，用于采集隧道内部的温度、湿度、CO浓度以及车流量等信息，主控制模块将搜集到隧道信息传送给监控中心，在出现异常情况下通过已有的短信平台，向管理用户发送响应的路况信息，达到智能交通的目的。本实用新型不但降低了传统隧道环境检测设备使用和维护成本，而且适用了工厂向工业化，规模化，智能化的方向发展。
Description
技术领域
本实用新型涉及环境检测装置，更具体的说，涉及一种基于物联网和LABVIEW技术的隧道环境检测装置。
背景技术
公路隧道属公路特殊构造物，是公路交通的咽喉路段，其运行环境直接影响着隧道所在路段的整体交通状况，关系着交通服务水平的高低。
目前，大部分环境监测通常在通用传感器控制模块上面通过有线串口方式得到环境数据，布线困难、价格较高、不能实时监控。对公路隧道环境因素的检测自动化程度很低，大多通过采用特定的检测仪定点、定时检测来实现。这种方法一方面具有时间上的约束性，不能对公路隧道环境进行24小时的检测；另一方面，需要人工操作，在恶劣环境中则很难完成。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是实现一种用于隧道环境系统监测的装置，提供一种能从数据的本地进行采集，到远程进行实时、准确的数据监测和分析，并通过主控单元根据实际情况合理控制采集时间间隔，从而提高监测效率、监测质量，延长监测网络的使用寿命。
为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为：一种隧道环境检测装置，包括信息采集和传输模块、主控制模块、监控和信息发布模块；
所述的信息采集和传输模块的包括设置于隧道内采集环境数据的环境采集传感器，处理环境数据的MCU处理单元，以及将环境数据发送至主控制模块的发送单元；
所述的主控制模块包括接收环境数据的接收单元，处理总环境数据的主MCU单元，与主MCU单元连接的电源单元、时钟单元、存储单元、显示模块和报警单元，以及将环境数据发送至监控和信息发布模块的GPRS模块单元。
所述的监控和信息发布模块包括移动移动通信网络，Internet网络和手机终端以及监控中心。
所述的GPRS模块单元和监控中心在出现异常情况下自动将隧道环境数据发送至手机终端。
所述的信息采集和传输模块沿隧道设有多个，每个信息采集和传输模块的环境采集传感器包括用于检测温度、湿度、CO浓度以及车流量的传感器。
所述的MCU处理单元为单片机PIC16F883，发送单元由基于2530的DRF1605H模块以及传感器和电源管理模块组成；所述的主MCU单元的处理器与GPRS模块单元采用串口RS232实现数据传输，GPRS模块单元与上位机采用GPRS无线网络实现数据传输，所述的上位机界面由基于LABVIEW的可视化界面构成。
所述的主控制模块中的GPRS模块单元由北京天同诚业科技有限公司提供的WG-8010 GPRS DTU芯片。主控制模块中主MCU单元包括单片机MSP430F149和GPRS—DTU模块，且均设置有通信接口RS232，通信接口RS232之间通过RS232串口线连接。
所述的信息采集和传输模块的电源管理模块采用电池供电，所用电压转换芯片为MAX756。
所述的存储单元（6）为SDK卡存储单元，所述的时钟单元（8）为美国DALLAS公司的DS12887芯片。
本实用新型的优点在于：
1、能准确实时显示温度、湿度、CO浓度以及车流量等环境信息，并根据需要合理控制信息采集的周期和发送频率，保证监控质量的同时提高了检测效率，减小了能量损耗，延长了网络的生命周期；
2、大容量的存储单元：当系统的供电出现问题或者网络发生拥塞时，它能够保存外部采集数据以及用户的设置信息。本实用新型采用基于SD卡读写存储模块，通过主控MCU进行采集数据的存储，使得存储更加方便、存储时间更长、容量更大。
3、隧道内的信息采集网络使用的WSN网络，具有很强的自组织自愈功能，特别适合复杂的交通环境中，增加或者删除节点，节点的位置发生变化，节点发生故障等，网络能够进行自我修复，并对网络的拓扑结构进行相应的调整，无需进行人工干预，保证整个系统仍然能够正常工作。
4、本主控模块采用LED点阵进行显示，通过主控MCU——MSP430向LED控制卡发送显示信息和信息显示配置信息，LED控制卡上的STM32芯片通过译码器和移位寄存器控制LED的显示。
5、多种模式并存，本系统采用支持 GPRS/GSM的WG-8010 GPRS DTU模块: 该方案的优点是当需要进行正常的采集数据传输时通过GPRS/Internet传输至上位机，当检测到异常情况时还必须通过GSM的SMS进行传送，采用GPRS/ GSM 混合通讯可以保证数据传输的完整性与实时性同时节省通信成本、提高了监控的效率和质量。
附图说明
下面对本实用新型说明书中每幅附图表达的内容及图中的标记作简要说明：
图1为隧道环境检测装置结构框图；
图2 主控制模块的电路结构图；
图3为图1中信息采集和传输模块的电路结构图；
图4 为图1中信息采集和传输模块的电源供给模块原理图；
图 5 系统框架结构图；
上述图中的标记均为：1、环境采集传感器；2、MCU处理单元；3、发送单元；4、接收模块；5、主MCU单元；6、存储单元；7、显示模块和报警单元；8、时钟单元；9、电源单元；10、GPRS模块单元；11、移动通信网络；12、Internet网络；13、监控中心；14、手机终端；
具体实施方式
下面对照附图，通过对实施例的描述，本实用新型的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理、制造工艺及操作使用方法等，作进一步详细的说明，以帮助本领域技术人员对本实用新型的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。
本实用新型是一种基于物联网和LABVIEW技术的隧道环境检测装置，其对公路隧道环境可以进行全天候检测区域温度、湿度以及CO浓度、车流量等具有代表性的若干影响因素信息，使管理者可以采取一定的措施来减小隧道内交通事故的发生概率并积极应对各类突发事件，同时可通过Internet和移动网发布该隧道路况信息为智能交通提供信息支持。具体参见图1可知，隧道环境检测装置，包括信息采集和传输模块、主控制模块、监控和信息发布模块。
信息采集和传输模块的包括环境采集传感器1、 MCU处理单元2和发送单元3，隧道环境检测装置中的信息采集和传输模块沿隧道设有多个，实行点信号采集，每个信息采集和传输模块的环境采集传感器1包括用于检测温度、湿度、CO浓度以及车流量的传感器, 环境采集传感器1将采集的信号输送至MCU处理单元2，经其处理后输送至发送单元3，由发送单元3将隧道该点环境信息发送至主控制模块。
主控制模块为总的信号处理装置，其收集隧道环境检测装置布置在隧道内各点的信息采集和传输模块的环境信息并加以分析。其包括接收单元4、主MCU单元5、电源单元9、时钟单元8、存储单元6、显示模块和报警单元7以及GPRS模块单元10。接收单元4用于接收各个信息采集和传输模块的发送单元3发出的隧道环境信息，再将采集信号输送至主MCU单元5进行处理；电源单元9、时钟单元8、存储单元6、显示模块和报警单元7以及GPRS模块单元10均与主MCU单元5连接。GPRS模块单元10是通过无线网络向外发出环境信号的。时钟单元8提供的精准时钟同时结合隧道实际的通行量对信息采集节点授权在不同的时间段（如白天和夜晚）自动切换不同的采集频率；存储单元6使用了基于SD卡读写大容量存储模块，当系统的供电出现问题或者网络发生拥塞时，它能够保存外部采集数据以及用户的设置信息；显示模块和报警单元7的显示模块用显示主控制模块采集到的信息；电源单元9为整个主控制模块供电。
监控和信息发布模块的GPRS模块单元包括接收数据信号的移动通信网络11，移动通信网络11将信号发送至Internet网络12，也同时发发送至监控中心13，监控中心13将隧道环境数据发送至手机终端14，供客户使用。移动通信网络11为移动移动通信网络（GPRS/GSM）。
下面对整个装置的各个模块结构进行说明：
参见图2可知，主控制模块中的GPRS模块单元由北京天同诚业科技有限公司提供WG-8010 GPRS DTU芯片。主MCU单元5由单片机MSP430F149和GPRS—DTU模块构成，其均设置有通信接口RS232，通信接口RS232之间通过RS232串口线连接。具体的说，主控制模块有芯片由U4、U5、U6 、U7、U8、U9和 U10及外围电路构成，U5通过U4接收到WSN搜集到的信息进行相关的处理，在时钟芯片的配合下将数据写入到U6模块，同时对于特殊情况的信息除了通过GPRS/INTERNET上传到上位机还通过SMS服务发送到相关人员的手机终端14。
参见图3可知， MCU处理单元2为单片机PIC16F883、发送单元3由单元为基于2530的DRF1605H模块以及各种信息传感器和电源管理模块组成。具体的说，信息采集和传输模块由芯片U1、U2和U3及外围电路构成，芯片U2为PIC16F883，芯片U3的型号为CC2530。U1为各种形式的传感器，U1的与U2的26和25引脚相连接，实现信息数据的的采集。芯片U2的18引脚、17引脚与芯片U3的TX(16)及RX(17)相连接。实现单片机与路由芯片的数据通信。芯片U1的16引脚、15引脚与芯片U3的15及14相连接，实现单片机与路由芯片的实现数据传送前的准备和检测功能。
本方案中的信息采集中的无线通信模块采用 Chipcon 公 司生 产的符 合 ZigBee 技 术的2. 4 GHz射频芯片CC2530。CC2530在单个芯片上整合了 ZigBee 射频前端、 内存和微控制器, 使用1 个8 位 MCU ( 8051) , 具有 32/ 64/ 128 KB 的可编程内存和 8 KB 的RAM, 还包括模拟数字转换器、定时器、AES128 协同处理器、看门狗定时器、32 kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路、 掉电检测电路, 以及21个可编程I/ O 引脚。
无线传感器网络的电池一般不易更换，因此电源模块设计的依据是考虑低功耗，电源单元本身应要尽可能少的消耗电池能量，为了充分利用电池能量，这就必须要提高电源的转换效率，所以电池选择非常关键，DC-DC转换效率也至关重要。参见图4可知，本装置的无线传感器网络的电池模块中的电压转换芯片使用的是MAXIM公司的DC-DC电压转换芯片MAX756。所述的DC/DC电路的输入电压为大于等于2.0V，经过MAX756后提供给采集电路中的MCU芯片 PIC16F883和DRF1605H稳定的3.3V电源电压。
参见图5可知，本系统上位机界面采用基于Labview开发环境进行软件的开发。软件主要包括信息管理和GPRS连接两大模块。信息管理由注册、登录、参数设定、查询、报警、打印报表等功能组成; GPRS连接包括 GPRS模块的参数设置、 信息的接收和发送。注册管理可以现用户的添加、 删除和权限管理; 参数设定可以设置不同的隧道环境参数值以适应不同情况下的安全交通; 数据查询和打印报表可以选择当前数据、每天数据、每周数据以及每月数据分别操作;当隧道环境参数值超出设定值, 启动故障报警和短信服务功能。
本系统采用支持 GPRS/GSM的WG-8010 GPRS DTU模块，当需要进行正常的采集数据传输时通过GPRS/Internet传输至上位机，当检测到异常情况时还必须通过GSM的SMS进行传送，采用GPRS/ GSM 混合通讯可以保证数据传输的完整性与实时性同时节省通信成本、提高了监控的效率和质量。且上位机界面由基于LABVIEW的可视化界面构成。
上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本实用新型具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本实用新型的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种隧道环境检测装置，包括信息采集和传输模块、主控制模块、监控和信息发布模块；
所述的信息采集和传输模块包括设置于隧道内采集环境数据的环境采集传感器（1），处理环境数据的MCU处理单元（2），以及将环境数据发送至主控制模块的发送单元（3）；
所述的主控制模块包括接收环境数据的接收单元（4），处理总环境数据的主MCU单元（5），与主MCU单元（5）连接的电源单元（9）、时钟单元（8）、存储单元（6）、显示模块和报警单元（7），以及将环境数据发送至监控和信息发布模块的GPRS模块单元（10），
所述的监控和信息发布模块包括移动移动通信网络（11），Internet网络（12）和手机终端（14）以及监控中心（13）。
2.根据权利要求1所述的隧道环境检测装置，其特征在于：所述的GPRS模块单元（10）和监控中心（13）在出现异常情况下自动将隧道环境数据发送至手机终端（14）。
3.根据权利要求1或2所述的隧道环境检测装置，其特征在于：所述的信息采集和传输模块沿隧道设有多个，每个信息采集和传输模块的环境采集传感器（1）包括用于检测温度、湿度、CO浓度以及车流量的传感器。
4.根据权利要求3所述的隧道环境检测装置，其特征在于：所述的MCU处理单元（2）为单片机PIC16F883，发送单元（3）由基于2530的DRF1605H模块以及传感器和电源管理模块组成；所述的主MCU单元（5）的处理器与GPRS模块单元（10）采用串口RS232实现数据传输，GPRS模块单元（10）与上位机采用GPRS无线网络实现数据传输，所述的上位机界面由基于LABVIEW的可视化界面构成。
5.根据权利要求3所述的隧道环境检测装置，其特征在于：所述的主控制模块中的GPRS模块单元（10）为由北京天同诚业科技有限公司提供的 WG-8010 GPRS DTU芯片，主控制模块中主MCU单元（5）包括单片机MSP430F149和GPRS—DTU模块，且均设置有通信接口RS232，通信接口RS232之间通过RS232串口线连接。
6.根据权利要求3所述的隧道环境检测装置，其特征在于：所述的信息采集和传输模块的电源管理模块采用电池供电，所用电压转换芯片为MAX756。
7.根据权利要求3所述的隧道环境检测装置，其特征在于：所述的存储单元（6）为SDK卡存储单元，所述的时钟单元（8）为美国DALLAS公司的DS12887芯片。
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