中國石油天然氣管道工程有限公司 陳光景

國網(wǎng)山西省電力公司物資分公司 荊文毅

基于ARM處理器的隧道監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)

中國石油天然氣管道工程有限公司 陳光景

國網(wǎng)山西省電力公司物資分公司 荊文毅

ARM處理器具有性能高、成本低和能耗低等諸多優(yōu)點，提出一種基于模塊化設(shè)計的ARM隧道區(qū)域控制器的硬件設(shè)計方案，與上位機組態(tài)軟件組成一套監(jiān)控系統(tǒng)，通過工業(yè)以太網(wǎng)來實現(xiàn)上位機和多個ARM之間的通信，增強了整個系統(tǒng)的可靠性。

隧道監(jiān)控；組態(tài)軟件；ARM區(qū)域控制器

引言

近年來，隨著國家經(jīng)濟和工控技術(shù)的發(fā)展，國家加快了高速公路及隧道公路的建設(shè)步伐。因隧道屬于半封閉環(huán)境、車流量大、光線較暗、地理環(huán)境特殊等特點，與普通路段相比，交通事故頻發(fā)，危險性較大，如何提高隧道內(nèi)的交通安全逐漸成為隧道建設(shè)和運營單位關(guān)注的焦點。因此，建立完善的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)施，降低事故率，提高隧道能見度，延長隧道的使用年限，對隧道的行車安全具有非常重要的意義。

建設(shè)完善的隧道監(jiān)控系統(tǒng)是十分必要的，尤其針對中長隧道，高可靠的高速公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計研究將成為重點中的重點。

圖1 隧道控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

此外，目前國內(nèi)外廣泛應(yīng)用的公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)大多以可編程邏輯控制器PLC作為現(xiàn)場控制器，控制隧道內(nèi)各個系統(tǒng)及設(shè)備，建立完整的監(jiān)控系統(tǒng)。這種實現(xiàn)方案具有技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛、可靠性高等優(yōu)點，但對于較長的公路隧道，由于需要設(shè)置的節(jié)點數(shù)量較多，區(qū)域控制器PLC價格昂貴，大大提高工程造價，因此在現(xiàn)場控制器的選擇上，國外項目已開始大量采用基于ARM微控器的嵌入式系統(tǒng)，它具有高擴展性的接口，可靠的片上資源，低功耗，因此已應(yīng)用于各類監(jiān)控系統(tǒng)中。但國內(nèi)基于ARM控制器的隧道監(jiān)控系統(tǒng)尚未出現(xiàn)。

1 隧道監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

隧道監(jiān)控系統(tǒng)主要通過對隧道的各種硬件設(shè)備的控制來實現(xiàn)對隧道內(nèi)交通的管制，并通過檢測和監(jiān)視傳感器的實施上傳數(shù)據(jù)分析、處理、判斷現(xiàn)場情況，并調(diào)用合理的控制預(yù)案，作出對事故或火災(zāi)的迅速響應(yīng)。根據(jù)設(shè)備的功能和分類，隧道監(jiān)控系統(tǒng)分為交通管制系統(tǒng)、照明控制系統(tǒng)、風機控制系統(tǒng)、視頻監(jiān)視系統(tǒng)、火災(zāi)消防系統(tǒng)、緊急電話系統(tǒng)等。

整個系統(tǒng)采用了廣泛應(yīng)用的分布式控制模式來進行區(qū)域控制分布式控制的結(jié)構(gòu)組成分為3層：第一層為軟件層，由監(jiān)控中心的計算機組成，第二層為網(wǎng)絡(luò)層，是由光纖環(huán)網(wǎng)組成的工業(yè)以太網(wǎng)，第三層為控制層，分布在現(xiàn)場的區(qū)域控制器。隧道控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

本系統(tǒng)采用的力控Forcecontrol 6.1組態(tài)軟件作為上位機，下位機采用高性能ARM處理器STM32103ZET6組成的區(qū)域控制器，進行管理和控制隧道內(nèi)的現(xiàn)場設(shè)備。通信方式采用工業(yè)以太網(wǎng)模式。

圖3 STM32f103ZET6核心原理圖

2 下位機區(qū)域控制器設(shè)計

系統(tǒng)檢測模塊需要對現(xiàn)場傳感器采集的環(huán)境數(shù)據(jù)進行處理，要求控制芯片有可靠的數(shù)據(jù)分析計算能力，因此，選用嵌入式芯片STM32F103，該芯片使用ARM先進架構(gòu)的Cortex—M3內(nèi)核，CPU頻率可達72MHz，具有兩個16位ADC用于高速采集，32個I/O端口用于連接外部設(shè)備。I/O端口作為輸入口讀取控制設(shè)備的反饋量數(shù)據(jù)以及風速、洞外亮度儀、COVI的模擬信號采集，作為輸出端口用于控制照明、風機、車道指示器和交通信號燈的開關(guān)量控制。芯片具有速度快、功耗低、可靠性高、實時性強等優(yōu)點。

本系統(tǒng)區(qū)域控制器選用了意法半導(dǎo)體(STMicroelectronics)推出的ARM處理器STM32103ZET6。它主要由CPU模塊、網(wǎng)絡(luò)通訊模塊、數(shù)字輸出模塊、數(shù)字輸入模塊、模擬量采集模塊等分別做成相應(yīng)的電路板或模塊。ARM控制系統(tǒng)圖如圖2所示。

圖2 隧道區(qū)域控制器結(jié)構(gòu)圖

2.1 CPU模塊

CPU模塊是整個控制系統(tǒng)的核心，主要通過通訊協(xié)議實現(xiàn)上位機和下位機的通信，主要有控制信號的發(fā)出、反饋的信號的輸入以及現(xiàn)場傳感器的模擬信號精確采集。CPU模塊裝有3.2寸LCD液晶顯示屏，采用可變靜態(tài)存儲控制器FSMC驅(qū)動LCD。FSMC可以配置成與多種圖形LCD控制器實現(xiàn)無縫連接，它支持Intel 8080和Motorola 6800的模式，并能夠靈活的與特定的LCD接口，使用這個LCD并行接口可以很方便地構(gòu)建簡易的圖形應(yīng)用環(huán)境。LCD液晶屏上顯示I/O口的輸入和輸出狀態(tài)。STM32f103ZET6核心原理圖如圖3所示。

2.2 網(wǎng)絡(luò)通訊模塊

HLK-RM04是海凌科電子新推出的低成本嵌入式 UARTETH-WIFI(串口-以太網(wǎng)-無線網(wǎng))模塊。通過HLK-RM04模塊，傳統(tǒng)的串口設(shè)備無需更改任何配置，即可通過Internet網(wǎng)絡(luò)傳輸自己的數(shù)據(jù)。為用戶的串口設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)提供完整快速的解決方案。串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模型如圖4所示。

本設(shè)計串口通訊協(xié)議采用Modbus串行口通信協(xié)議，該協(xié)議在ARM處理器中編寫。

圖4 串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模型

2.3 數(shù)字輸出模塊

數(shù)字輸出模塊將STM32的GPIO口輸出電壓0或3.3V通過光耦隔離轉(zhuǎn)換成0或24V繼電器工作電壓，通過光耦隔離，有效避免外部設(shè)備過壓損壞STM32主控制芯片，每一路輸出信號都有LED顯示I/O狀態(tài)。

2.4 數(shù)字輸入模塊

數(shù)字輸入模塊將繼電器輸入電壓0或24V通過光耦隔離轉(zhuǎn)換成0或3.3V主控芯片STM32工作電壓，通過光耦隔離，有效避免外部設(shè)備過壓損壞STM32主控制芯片，每一路輸入信號都有LED顯示I/O狀態(tài)。

2.5 模擬輸入模塊

模擬輸入模塊將風速、洞外亮度、COVI傳感器的輸入4～20ma電流信號轉(zhuǎn)換成0.66V～3.3V主控芯片STM32的AD采樣工作電壓，其有3路共16通道的12位高精度AD采樣通道。由于STM32103ZET6內(nèi)部具有A/D轉(zhuǎn)換功能模塊，所以在電路設(shè)計的時候就不需要其它的A/D轉(zhuǎn)換芯片。本電路設(shè)計時，采用了BAV99作為AD轉(zhuǎn)換時的保護電路。同時為了降低噪聲在AD的輸入端連接了一個低通濾波器，電路如圖5所示。

圖5 模擬輸入保護電路圖

3 隧道監(jiān)控系統(tǒng)上位機軟件設(shè)計

基于力控Forcecontrol 6.1組態(tài)軟件的上位機的設(shè)計。力控Force Control 6.1組態(tài)軟件提供良好的工業(yè)控制解決方案，其強大的通訊接口，具有數(shù)據(jù)通訊和采集的功能，內(nèi)部嵌入了各種下位控制設(shè)備的軟件模塊，并兼容所有的通訊協(xié)議。

力控監(jiān)控組態(tài)軟件的主要程序組件包括：工程管理器、人機界面VIEW、數(shù)據(jù)庫組態(tài)、I/O設(shè)備管理、通訊模塊配置以及數(shù)據(jù)服務(wù)和Windows擴展組件，其中嵌入的實時數(shù)據(jù)庫是組態(tài)軟件的核心。系統(tǒng)主界面能夠?qū)崟r顯示隧道內(nèi)各種設(shè)備的分布概況，同時可以動態(tài)顯示環(huán)境檢測值（風速風向檢測值、CO/VI檢測值、光照度檢測值等）以及所有設(shè)備的運行狀態(tài)，能夠及時將隧道內(nèi)的交通狀況反饋給運行人員，以便及時掌握現(xiàn)場信息。

4 結(jié)論

本文選取高性能的ARM嵌入式處理器作為區(qū)域控制器和力控Forcecontrol 6.1組態(tài)軟件相結(jié)合的方式來開發(fā)隧道監(jiān)控系統(tǒng)，極大地降低了成本并提高了系統(tǒng)的開發(fā)效率，對傳統(tǒng)PLC是一個極大的挑戰(zhàn)。其中使用光纖環(huán)網(wǎng)來實現(xiàn)上位機和多個ARM之間的通信，增強了整個系統(tǒng)的可靠性。監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)監(jiān)測、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控、歷史數(shù)據(jù)查詢、報警預(yù)案管理等功能。上位機軟件人機界面布局合理、系統(tǒng)運行流暢穩(wěn)定，易于安裝、操作和維護，系統(tǒng)設(shè)置的多種預(yù)案為監(jiān)控中心提供了合理的選擇，為車輛的安全運行以及處理突發(fā)事故提供了強有利的保障。在一定程度上可以替代傳統(tǒng)的PLC控制器。此外，該系統(tǒng)亦可應(yīng)用與其它多種工業(yè)控制領(lǐng)域。

目前高速公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)相對成熟，智能化、集成化已成為未來發(fā)展的方向。 ARM處理器高性價比和高兼容性為開發(fā)者帶來前所未有的機遇。

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