匡正，何國東，李立明

摘要：近年來，地鐵的迅速發(fā)展使其成為城市交通的主要工具之一，然而地鐵系統(tǒng)復(fù)雜的環(huán)境體系對人體的健康和行車的安全存在一定的隱患。隨著無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，wifi也在上海的地鐵系統(tǒng)中普及，這意味著大量數(shù)據(jù)的在線交互更為便捷和廉價，對地鐵系統(tǒng)的各個環(huán)境數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測成為了可能。本文就此問題設(shè)計了基于wifi環(huán)境的軌道交通環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，以stm32單片機為核心，mq系列傳感器、PM2.5傳感器等收集環(huán)境數(shù)據(jù)，esp8266模塊連接wifi傳輸數(shù)據(jù)，電腦主機接收并處理數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對軌道交通環(huán)境的監(jiān)測。

關(guān)鍵詞：環(huán)境監(jiān)測；物聯(lián)網(wǎng)；多節(jié)點采集系統(tǒng)

中圖分類號：X83 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）48-0072-02

城市軌道交通目前已成為了各大城市市民出行的首選公共交通方式，以其準時、舒適、安全和便宜等特點極大方便了人們的出行。wifi的普及使得我們能夠及時監(jiān)測地鐵運行時的各種環(huán)境數(shù)據(jù)，從而能夠讓我們快速發(fā)現(xiàn)各種問題，避免潛在的危險。大量數(shù)據(jù)的積累也許能為后期的研究提供經(jīng)驗。

一、軌道交通環(huán)境現(xiàn)狀分析

據(jù)研究，上海地鐵站臺以溫濕度為代表的微氣候狀況良好，甲醛和CO濃度較低，部分站臺CO2濃度過高。顆粒物濃度過高是上海地鐵站臺中存在的主要問題，PM10為372±209μg/m3，PM2.5為293±193μg/m3[1]。而地鐵運行時各種能量轉(zhuǎn)化成熱能排出，使區(qū)間隧道內(nèi)的環(huán)境十分復(fù)雜，溫濕度以及氣壓并不穩(wěn)定[2]。大量乘客致使車輛內(nèi)部的空氣調(diào)節(jié)成為問題。列車運行時的噪聲問題并未得到足夠重視，機件狀態(tài)也難以得到實時的檢測，有一定的安全隱患。

本文設(shè)計的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)針對地鐵系統(tǒng)復(fù)雜的環(huán)境，將節(jié)點平臺化，安裝于站臺、車廂、隧道區(qū)間等各個需要進行環(huán)境監(jiān)測的地方。環(huán)境數(shù)據(jù)可用于調(diào)節(jié)通風(fēng)系統(tǒng)從而節(jié)約能源，發(fā)現(xiàn)異常信息也可及時報警，為地鐵系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支持，以便創(chuàng)造一個更舒適、安全的運行環(huán)境。

二、系統(tǒng)的硬件設(shè)計

（一）系統(tǒng)整體設(shè)計

由于采用了wifi進行數(shù)據(jù)傳輸，因而并不需要再進行諸如藍牙或zigbee之類的組網(wǎng)工作，每個采集節(jié)點可直接向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)。整個系統(tǒng)為采集節(jié)點——服務(wù)器，點對點數(shù)據(jù)傳輸。采集節(jié)點包括stm32單片機（數(shù)據(jù)處理），各種類型傳感器（數(shù)據(jù)采集），esp8266 wifi模塊（數(shù)據(jù)傳輸），顯示屏（數(shù)據(jù)顯示），服務(wù)器運行程序（接收并存儲數(shù)據(jù)）。

每個節(jié)點開機后自動搜索wifi信號，連接wifi成果后開始采集并發(fā)送數(shù)據(jù)，同時也在顯示屏上顯示，如果不能連接wifi，則將數(shù)據(jù)暫時保存在SD卡中。電腦服務(wù)器為每一個節(jié)點打開一個端口接收數(shù)據(jù)并處理、保存。由于使用平臺化的采集節(jié)點，并且mq系列的通用性十分強大，在特定環(huán)境下可以安裝特定型號傳感器，即插即用。

（二）采集節(jié)點設(shè)計

節(jié)點采用stm32 f103系列單片機作為控制器，具有足夠多的IO口和ADC接口來擴展外圍電路。ADC轉(zhuǎn)換可直接讀取mq系列傳感器等模塊輸出的模擬電壓值，IO口可以用于讀取DHT11的溫濕度值以及esp8266 wifi模塊的數(shù)據(jù)傳輸。

ESP8266模塊作為目前新興的WIFI網(wǎng)絡(luò)解決方案，擁有強大的WIFI網(wǎng)絡(luò)功能，甚至可以承擔(dān)WIFI適配器的任務(wù)。由于采用和串口輸出相似的接口，可以將其置于幾乎所有單片機中，比如本設(shè)計采用的stm32系列，通過SPI/SDIO接口就能連接（幾乎所有單片機都有這種接口）。ESP8266集成度非常高，所需的外圍電路很少，減少了很多空間占用。

Mq系列傳感器：Mq系列傳感器采用高溫循環(huán)檢測的方式[3]。傳感器中的金屬氧化物半導(dǎo)體被加熱到一定溫度后，遇到相應(yīng)的還原性氣體會改變其阻值。通過簡單的外圍電路，傳感器將輸出相應(yīng)的電壓模擬量數(shù)值。本系統(tǒng)所要采用的Mq系列傳感器有：Mq-2，Mq-7，Mq-135。DHT11溫濕度傳感器：品質(zhì)卓越、造價低廉、超快響應(yīng)、抗干擾能力強、性價比極高。采用單總線傳輸，數(shù)據(jù)處理同樣十分簡便。PM2.5傳感器GP2Y1010AUOF：這是由夏普公司設(shè)計的一款光學(xué)空氣質(zhì)量傳感器，能檢測細微顆粒如煙草煙霧，通常在空氣凈化系統(tǒng)中應(yīng)用，本設(shè)計中將其與MQ-2或MQ-135配合，用于采集顆粒物和空氣污染數(shù)據(jù)。該傳感器輸出為電壓模擬量，其值與粉塵濃度成正比。上述傳感器分別為氣體傳感器、溫濕度傳感器和粉塵傳感器，然而視情況不同我們?nèi)钥梢蕴砑悠渌煌膫鞲衅饕员O(jiān)測環(huán)境數(shù)據(jù)，比如聲音傳感器（監(jiān)測噪聲）。畢竟環(huán)境污染是多種多樣的，只要傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)電壓模擬量的輸出，即可適用。

節(jié)點外圍電路方面，采用電池供電和插口直流供電雙重供電方案以滿足具體場景需求。同時外殼采用壁掛式設(shè)計，方便通過屏幕讀取信息（當(dāng)然也可以平放固定）。

三、節(jié)點與服務(wù)器軟件設(shè)計

節(jié)點的軟件程序包括環(huán)境數(shù)據(jù)采集程序、wifi模塊發(fā)送程序以及顯示程序，采用C語言編寫，編譯器為keil v5。STM32F103內(nèi)部自帶ADC模塊，用以采集模擬信號。屏幕顯示信息不僅包含各個傳感器的當(dāng)前數(shù)據(jù)，還有時間顯示，數(shù)據(jù)曲線顯示。對于某些場景下的傳感器異常讀數(shù)，可以提供報警聲，并在發(fā)送的數(shù)據(jù)中顯示。服務(wù)器主要用于接收數(shù)據(jù)并保存。服務(wù)器對每一個節(jié)點開放一個端口用以建立連接，收到數(shù)據(jù)后處理并保存于硬盤中。

四、結(jié)語

互聯(lián)網(wǎng)自誕生直至發(fā)展至今，逐漸滲透入了生活的各個部分，成為現(xiàn)代生活不可分割的存在。互聯(lián)網(wǎng)的精神是開放、平等、協(xié)作、快速、分享?；谶@種精神，我們通過不懈努力讓生活變得更美好。傳感器、控制器、機械、電子，這些時空上相互獨立分離的存在在互聯(lián)網(wǎng)之下變成一個整體。本文所設(shè)計的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)正是這個不斷擴張、完善的整體中的微小一員?；诨ヂ?lián)網(wǎng)的遠程管理和智能化物聯(lián)網(wǎng)是未來信息化發(fā)展的必經(jīng)道路。

參考文獻：

[1]李麗，錢春燕，張海云.上海市軌道交通系統(tǒng)車站空氣質(zhì)量狀況及其影響因素分析[J].環(huán)境與職業(yè)醫(yī)學(xué)，2011，（4）.

[2]歐陽仲志，苗彥英.地鐵交通系統(tǒng)的環(huán)境控制和車輛空氣調(diào)節(jié)[J].鐵道學(xué)報，1999，（4）：87-91.

[3]賀巧云.淺談軌道交通站臺屏蔽門系統(tǒng)[J].技術(shù)與市場，2008，（9）：69-70.

[4]李幫軍.氣敏傳感器實驗與MQ系列氣敏元件特性研究[J].中國市場，2006，（14）：70.

[5]賈浩強，李耀.基于WiFi無線通信的溫濕度檢測節(jié)點設(shè)計[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2014，（5）：70-72.endprint