CN209375695U - 一种基于物联网与云计算技术的公路隧道环境感知系统 - Google Patents

Abstract

一种基于物联网与云计算技术的公路隧道环境感知系统，包括设置环境监测系统、数据传输子系统以及电源模块，环境监测系统与数据传输子系统相连，数据传输子系统连接有云服务器；其中，环境监测系统包括与微处理器相连的数据采集模块以及数据存储模块，数据传输子系统包括数据透传模块与网络存储模块，数据采集模块、数据存储模块、数据透传模块以及网络存储模块均与电源模块相连。通过设置相应的环境监测系统，实现了隧道内有害气体浓度、温度气压、能见度与风速风向等运营环境信息的实时精准采集、传输与存储，为设计智能化的隧道通风控制方案，实现隧道运营节能降耗提供数据支撑。

Description

一种基于物联网与云计算技术的公路隧道环境感知系统

技术领域

本实用新型涉及隧道工程领域，具体涉及一种基于物联网与云计算技术的公路隧道环境感知系统。

背景技术

随着经济发展水平和隧道建造技术的快速发展，为缓解日益紧张的交通压力，在世界范围内越来越多的长隧道甚至特长公路隧道开始修建并投入运营。作为世界上隧道和地下工程数量最多、发展速度最快、规模最大的国家，截止2017年底，我国已建成特长公路隧道(L ＞3000m)902处，共计401.32万米。而庞大的隧道群体均会面临隧道运营问题，在隧道运营过程中，通风是实现隧道安全、卫生、舒适设计标准的重要技术手段。但大规模机械通风系统及其配套设施的建造不仅使隧道工程造价急剧增加，而且运营费用也大幅攀升。如何在保障安全的前提下合理控制通风规模、降低通风能耗已成为特长公路隧道设计、建设和运营全生命周期中的控制性技术难题。

受恶劣环境、传感器寿命和灵敏度影响，特长公路隧道常规配置的环境检测设备(如 CO/VI、风速风向等)普遍存在数据缺失、状态异常等情况，影响隧道通风自动控制参数的准确采集。通风环境检测数据长期得不到有效利用，也导致通风环境检测设施维护、保养不被重视。隧道环境数据的低采集精度与运营过程中的不重视相互影响、形成自锁，严重阻碍了隧道通风智能化和节能化应用进程。采用专业化的环境监测设备尽管可以保证隧道内风速、颗粒物浓度、污染物浓度等信息采集的准确性，但受安全、经济和恶劣工作环境等诸多限制，采集时间通常较短且内容单一，无法完整反映隧道环境动态演化规律。

现行的公路隧道通风设计细则中将安全性、卫生性和舒适性作为通风控制的主要标准。尽管提出NO₂浓度的设计限值，但在需风量计算中并未将其纳入考虑，同时在隧道机电设施配置上也没有对NO₂检测器作强制要求，实质上忽略了对NO₂监测和稀释要求。而 CO/VI、风速风向等不同类型监测数据的采集、传输和存储过程相互独立，难以有效融合，无法实时评判隧道运营态势。

物联网(Internet of Things,IOT)是在互联网、移动通信网等通讯网络的基础上，针对不同应用的需求，将所有能够独立寻址的物理对象互联起来，实现全面感知、可靠传输、智能处理的智能信息服务系统。云计算(Cloud Computing)是一种基于互联网的超级计算模式，用户通过网络以按需、易扩展的方式获得所需的资源(硬件、平台、软件)。将物联网和云计算技术进行融合，即将物联网服务器部署在互联网云端，物联网通过传感网络采集数据，云计算为物联网数据提供可扩展存储空间并提供应用层的各项服务。在云计算技术的支持下，物联网为云计算提供了面向不同行业的应用场景，云计算则为物联网数据提供了海量存储空间和快速处理能力。

目前，现有技术中，并没有一个能够实现隧道内有害气体浓度、温度气压、能见度与风速风向等运营环境信息的实时精准采集并传输的公路隧道环境感知系统。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的目的是提供一种基于物联网与云计算技术的公路隧道环境感知系统。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：

一种基于物联网与云计算技术的公路隧道环境感知系统，包括设置在隧道边墙上的环境监测系统、数据传输子系统以及电源模块，环境监测系统与数据传输子系统相连，数据传输子系统连接有云服务器；其中，环境监测系统包括微处理器、数据采集模块以及数据存储模块，数据采集模块以及数据存储模块均与微处理器相连，数据传输子系统包括数据透传模块与网络存储模块，数据采集模块、数据存储模块、数据透传模块以及网络存储模块均与电源模块相连。

本实用新型进一步的改进在于，数据采集模块与数据存储模块均与微处理器相连。

本实用新型进一步的改进在于，数据采集模块包括有害气体传感器、温度气压传感器、能见度传感器以及风速风向传感器。

本实用新型进一步的改进在于，隧道边墙上设置有数据采集盒，数据采集盒两侧壁上开设有孔，有害气体传感器、温度气压传感器以及能见度传感器设置在数据采集盒内。

本实用新型进一步的改进在于，还包括隧道监测终端，隧道监测终端与隧道电缆沟盖板的距离为180cm，风速风向传感器距离隧道电缆沟盖板的距离为300cm。

本实用新型进一步的改进在于，隧道监测终端通过供电线缆连接有隧道配电箱。

本实用新型进一步的改进在于，隧道监测终端通过数据传输线缆与数据采集盒中的有害气体传感器、温度气压传感器、能见度传感器相连，隧道监测终端通过数据传输线缆与风速风向传感器相连。

本实用新型进一步的改进在于，有害气体传感器为MiCS-6814微机电系统传感器，温度气压传感器为BMP280数字温度/气压传感器，能见度传感器为PMS5003数字式颗粒物浓度传感器，风速风向传感器为WindSonic超声波风速风向传感器。

本实用新型进一步的改进在于，数据存储模块包括显示屏以及存储器。

本实用新型进一步的改进在于，数据透传模块采用4G数据传输模块。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果如下：

1)通过设置相应的环境监测系统，实现了隧道内有害气体浓度、温度气压、能见度与风速风向等运营环境信息的实时精准采集、传输与存储，为设计智能化的隧道通风控制方案，实现隧道运营节能降耗提供数据支撑。

2)本实用新型保证了监测数据采集和传输的稳定性，利用物联网、云计算等技术进行无线传输和数据上云，为隧道运营数据的集中管理和有效利用提供了技术保证；

3)现有便携式隧道检测设备工作时需要外接移动电源且每种设备只能固定采集一类信息。固定式隧道监测装备需要在隧道建成时布设供电、通信线路，每类设备也只能进行单一信息采集。本实用新型外接隧道电源供电，另额外配置电源模块提供稳压和过流保护，当隧道内电力中断则切换至后备电池供电，保证监测数据采集和传输的稳定性。本实用新型弥补了便携式隧道检测设备运行时间短、内容单一等诸多短板，也弥补了目前公路隧道监测装备安装结构复杂、布设分散、集成化程度低、数据彼此孤立的缺陷；

4)本实用新型实现了隧道环境集成化采集、实时远程监测和数据云端共享，为综合评判隧道空气质量、运营态势和动态调节风机运行提供了实测数据支撑。

进一步的，本实用新型通过数据采集模块集成有害气体浓度、温度气压、能见度与风速风向等传感器，进行隧道运营环境信息的集中采集，将数据封装成统一的格式存储于数据存储模块并通过移动网络无线传输至云服务器。

附图说明

图1为本实用新型系统框架图；

图2为本实用新型系统的环境监测子系统结构图；

图3为本实用新型系统的数据传输子系统结构图；

图4为本实用新型系统安装示意图。

图1中，1为环境监测子系统，2为数据传输子系统，3为电源模块，4为数据采集模块， 5为数据存储模块，6为数据透传模块，7为网络存储模块，8为微处理器，9为有害气体传感器，10为温度气压传感器，11为能见度传感器，12为风速风向传感器，13为显示屏，14 为存储器，15为数据采集盒，16为隧道配电箱，17隧道监测终端。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

本实用新型的公路隧道环境感知系统主要实现对公路隧道内通风安全指标(能见度)、卫生指标(CO、NO₂、NH₃浓度等)和通风效果(风速、风向等)的全方位综合监测。

如图1所示，本实用新型主要由环境监测子系统1、数据传输子系统2以及电源模块3构成。其中环境监测子系统用于实现监测信息的采集、处理和本地存储，同时将处理后得到的数据发送至数据传输子系统2；数据传输子系统2包括数据透传模块6与网络存储模块7；数据传输子系统2用于数据格式封装，将数据远程发送至云服务器，从而实现对公路隧道环境信息的实时监测。为避免隧道内风机和灯具开启时电压波动对系统的影响，设置电源模块3，环境监测子系统1、数据传输子系统2均与电源模块相连，电源模块用于将隧道内标准交流电转成低压直流电，为上述两个子系统提供稳定工作电压和备用电源支持，确保极端情况下系统稳定运行。

如图2所示，所述环境监测子系统1包括微处理器8、数据采集模块4和数据存储模块 5。数据采集模块4、数据存储模块5、数据透传模块6以及网络存储模块7均与电源模块3相连数据采集模块4用于实现对隧道内有害气体浓度、温度/气压、能见度和风速/风向等原始数据的采集，原始数据发送至STM32微处理器8进行处理，处理完成的最终数据发送至数据存储模块5，实现隧道内相关信息的实时显示和本地存储。微处理器对传感器采集的参数如何处理是本领域技术人员公知的技术常识。

如图3所示，所述数据采集模块4中的用于有害气体监测的有害气体采集模块9采用 MiCS-6814微机电系统(Microelectro Mechanical Systems,MEMS)传感器实现隧道内CO、NO₂和NH₃等三种污染程度较高的有害气体在线监测。MiCS-6814微机电系统传感器由高精度微加工膜片(带有嵌入式加热电阻器)和位于顶部的传感层组成。当气体浓度发生变化时，传感器的检测电阻随之成正比变化，微处理器接收相应气体端口电压模拟信号，根据分压原理计算此时检测电阻R_CO、R_NO2和R_NH3，进而确定隧道内有害气体浓度。

如图4所示，所述数据采集模块中的用于温度/气压监测的温度气压传感器10选用高精度BMP280数字温度/气压传感器实现隧道内温度和气压信息的在线监测，在时钟信号SCK 触发下，微处理器通过IIC接口定时由SDA读取传感器采集的温度和气压信息。

所述数据采集模块中的用于能见度监测的能见度传感器11采用PMS5003数字式颗粒物浓度传感器实现隧道内能见度的在线监测。数字式颗粒物浓度传感器利用激光照射在空气中的悬浮颗粒物上产生散射，基于米氏(MIE)理论的算法得出颗粒物的等效粒径及单位体积内不同粒径的颗粒物数量，即颗粒物浓度分布，进而换算成为PM_2.5质量浓度μ(mg/m³)；通过能见度与颗粒物浓度转换关系计算出隧道内消光系数K(m^-1)，并以通用数字接口形式输出。

K＝0.0047μ (1)

所述数据采集模块中的用于风速/风向监测的风速风向传感器12采用WindSonic超声波风速风向传感器实现隧道内风速风向的在线监测。超声波风速风向传感器利用4个超声波换能器按十字交叉状构成两组超声波发射、接收电路，根据时差法来分别实现两个方向风速的测量，最终合成实际风速。另外根据两个方向风速差异并结合电子罗盘传感器实现风向角度判别。

所述数据存储模块5具有数据显示与存储两个功能，包括显示器13与存储器14，用于数据的显示的显示器13采用薄膜晶体管液晶显示器(Thin Film Transistor-LiquidCrystal Display, TFT-LCD)实时显示隧道内环境监测结果。显示器13由显示屏、背光源及驱动电路三大核心部件组成，显示屏中液晶的透光率随其所施电压大小而变化的特性，在外部施加照射光使液晶发光，用m×n点排列的逐行扫描矩阵显示任意字符或图形。随着SD/TF卡存储容量的不断提高，用于数据存储的存储器14采用以微处理器为系统核心嵌入FAT32文件系统，通过大容量存储卡以及USB数据拷贝功能，实现高性能、低功耗、低成本、小体积的海量数据存储，成为技术主流。系统采用该方式，实现数据本地长期存储(备份)，保证了数据完整性。

随着4G通信技术的成熟推广，其功耗成本低、传输速率快、频带利用率高的技术优势促使其在物联网领域得到广泛应用，同时借助电缆技术也解决了隧道内移动网络全覆盖的问题。因此借助隧道内4G网络，实现环境监测数据高速、无线传输是最理想和最经济通讯方式。所述数据传输子系统2由数据透传模块6和网络存储模块7组成，数据透传模块采用4G数据传输模块，4G数据传输模块(4G Data Transfer Unit,4G DTU)集成了TCP/IP协议，支持网络透传，可以实现运营商4G网络的高速接入。4G-DTU发送网络心跳包实现环境监测系统1与云服务器的连接，将微处理器8采集的隧道环境监测信息同步至监控中心的私有云服务器，提高了信息采集的便捷性与高效性。4G-DTU同时支持断线重连功能，能够保证隧道环境监测信息的完整性和稳定性。

如图3所示，在数据透传模块6中，微处理器通过RS-485连接4G-DTU，4G-DTU将接收的串口数据封装为TCP/IP协议MAC帧上传至云服务器，云服务器端通过Windows SocketsAPI实现与4G-DTU的通信，并将获取的数据进行存储；云服务器可以与隧道监控中心进行信息交互。

网络存储模块中的云服务器接收到上传数据后按数据帧的定义格式进行校验和解析，之后将监测数据存入数据库，具体数据格式如表1所示，从而实现了隧道环境感知数据的云端共享，用户可以通过隧道监控软件从数据库中随时查看和下载数据。

表1数据存储格式

实施例1

本实用新型的安装示意如图4所示，STM32是意法半导体(STMicroelectronics,ST)推出的具有Cortex-M3内核并具备丰富外设选择的32位微处理器，凭借优异的实时性能和杰出的功耗控制，STM32系列处理器在全球物联网领域得到广泛应用。本实用新型系统选用 STM32F103作为微处理器8，并与数据存储模块5以及电源模块3封装于隧道监测终端17。参见图4，将数据采集模块4中有害气体、温度气压和颗粒物传感器封装于数据采集盒15，数据采集盒15双侧开孔便于有害气体传感器9、温度气压传感器10、能见度传感器11与隧道内空气接触，隧道监测终端17和数据采集盒15安装于隧道边墙上，仅需外接隧道配电箱 16供电即可保证长期运行。

隧道监测终端17与隧道电缆沟盖板的距离为180cm，风速风向传感器12距离隧道电缆沟盖板的距离为300cm。隧道配电箱16通过供电线缆与隧道监测终端17相连。隧道监测终端17通过数据传输线缆与数据采集盒15中的有害气体传感器9、温度气压传感器10、能见度传感器11相连，同时，隧道监测终端17通过数据传输线缆与风速风向传感器12相连。

目前特长公路隧道均配置CO/VI和风速风向等监测设备，数据分别通过可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller,PLC)并由以太网传输至监控中心进行集中存储。本实用新型将有害气体浓度、温度气压、能见度、风速风向等信息集中采集，实现了隧道环境的全方位综合监测。集成的专用电源模块为系统运行提供稳压和过流保护，当隧道内电力中断则切换至后备电池供电，保证了监测数据采集和传输的稳定性。同时利用物联网、云计算等技术进行无线传输和数据上云，为隧道运营数据的集中管理和有效利用提供了技术保证。

以上内容是结合具体实施例对本实用新型方法所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型方法的具体实施只限于此。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下做出若干等同替代或明显变型，且性能或用途相同，都应当视为属于本实用新型由所提交的权利要求书确定的专利保护范围。

Claims (10)

1.一种基于物联网与云计算技术的公路隧道环境感知系统，其特征在于，包括设置在隧道边墙上的环境监测系统(1)、数据传输子系统(2)以及电源模块(3)，环境监测系统(1)与数据传输子系统(2)相连，数据传输子系统(2)连接有云服务器；其中，环境监测系统(1)包括微处理器(8)、数据采集模块(4)以及数据存储模块(5)，数据采集模块(4)以及数据存储模块(5)均与微处理器(8)相连，数据传输子系统(2)包括数据透传模块(6)与网络存储模块(7)，数据采集模块(4)、数据存储模块(5)、数据透传模块(6)以及网络存储模块(7)均与电源模块(3)相连。

2.根据权利要求1所述的一种基于物联网与云计算技术的公路隧道环境感知系统，其特征在于，数据采集模块(4)与数据存储模块(5)均与微处理器(8)相连。

3.根据权利要求1所述的一种基于物联网与云计算技术的公路隧道环境感知系统，其特征在于，数据采集模块包括有害气体传感器(9)、温度气压传感器(10)、能见度传感器(11)以及风速风向传感器(12)。

4.根据权利要求3所述的一种基于物联网与云计算技术的公路隧道环境感知系统，其特征在于，隧道边墙上设置有数据采集盒(15)，数据采集盒(15)两侧壁上开设有孔，有害气体传感器(9)、温度气压传感器(10)以及能见度传感器(11)设置在数据采集盒内。

5.根据权利要求3所述的一种基于物联网与云计算技术的公路隧道环境感知系统，其特征在于，还包括隧道监测终端(17)，隧道监测终端(17)与隧道电缆沟盖板的距离为180cm，风速风向传感器(12)距离隧道电缆沟盖板的距离为300cm。

6.根据权利要求5所述的一种基于物联网与云计算技术的公路隧道环境感知系统，其特征在于，隧道监测终端(17)通过供电线缆连接有隧道配电箱(16)。

7.根据权利要求5所述的一种基于物联网与云计算技术的公路隧道环境感知系统，其特征在于，隧道监测终端(17)通过数据传输线缆与数据采集盒(15)中的有害气体传感器(9)、温度气压传感器(10)、能见度传感器(11)相连，隧道监测终端(17)通过数据传输线缆与风速风向传感器(12)相连。

8.根据权利要求3所述的一种基于物联网与云计算技术的公路隧道环境感知系统，其特征在于，有害气体传感器(9)为MiCS-6814微机电系统传感器，温度气压传感器(10)为BMP280数字温度/气压传感器，能见度传感器(11)为PMS5003数字式颗粒物浓度传感器，风速风向传感器(12)为WindSonic超声波风速风向传感器。

9.根据权利要求1所述的一种基于物联网与云计算技术的公路隧道环境感知系统，其特征在于，数据存储模块(5)包括显示屏(13)以及存储器(14)。

10.根据权利要求1所述的一种基于物联网与云计算技术的公路隧道环境感知系统，其特征在于，数据透传模块(6)采用4G数据传输模块。