劉 釩 陳偉利

（吉林建筑大學(xué)電氣與計(jì)算機(jī)學(xué)院）

0 引言

綜合管廊全稱地下城市管道綜合走廊，即在城市地下建造一個(gè)隧道空間，將給水、電力、熱力、通訊等各類工程管線集于一體，地上附著物為出裝口及通風(fēng)口等設(shè)備，是保障現(xiàn)代化城市安全運(yùn)行的重要基礎(chǔ)設(shè)施[1]。隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，城市化進(jìn)程也在不斷地加快，與之配套的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)卻相對滯后，為了統(tǒng)籌各類市政管線規(guī)劃、建設(shè)和管理，解決反復(fù)開挖路面、架空線網(wǎng)密集、管線事故頻發(fā)等問題，保障城市安全、完善城市功能、美化城市景觀，提高城市綜合承載能力和城鎮(zhèn)化發(fā)展質(zhì)量，綜合管廊的建設(shè)近年來得到了飛速發(fā)展。由于綜合管廊深埋地下，各類管線復(fù)雜交錯(cuò)，一旦出現(xiàn)火災(zāi)事故，則必然對社會以及經(jīng)濟(jì)秩序的發(fā)展造成嚴(yán)重影響，甚至造成人員傷亡，因此對于綜合管廊內(nèi)的火災(zāi)監(jiān)測與報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)城市綜合管廊火災(zāi)監(jiān)測與報(bào)警為目標(biāo)，對城市綜合管廊內(nèi)的消防安全進(jìn)行管控設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)主要包括系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)、CAN 網(wǎng)絡(luò)的組建以及上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)，系統(tǒng)總體架構(gòu)圖如圖1 所示。該系統(tǒng)終端（管廊內(nèi)各防火分區(qū)）配有多種類型的采集模塊以實(shí)現(xiàn)融合監(jiān)測，這些采集模塊與ESP-12F 單片機(jī)相連，ESP-12F 通過自身搭載的ESP8266模塊與上一層的區(qū)域子控制器（GD32 處理器搭載ESP01WiFi 模塊）相連，區(qū)域子處理器使用CAN 總線技術(shù)與本地服務(wù)器連接，本地服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送至云平臺。監(jiān)測人員可以通過手機(jī)、電腦等設(shè)備實(shí)時(shí)查看、處理相關(guān)數(shù)據(jù)[2]。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要包括終端采集模塊以及區(qū)域子控制器的設(shè)計(jì)。終端采集模塊控制器的中控芯片選擇的是I/O 口較多、類型豐富的ESP-12F 單片機(jī)，它擁有兩個(gè)全雙工的串行通信接口，可以與WiFi 模塊間進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換傳輸，能充分滿足組網(wǎng)的要求。ESP-12F 單片機(jī)連接感溫模塊、感煙模塊，以便實(shí)時(shí)將相關(guān)信息傳送出去。感煙模塊選擇的是能耗較低的MQ2 感煙模塊，具有探測范圍廣、靈敏度高、穩(wěn)定性好、壽命長等優(yōu)點(diǎn)。感溫模塊采用的是DS18B20 數(shù)字溫度傳感器，具有體積小、硬件開銷低、抗干擾能力強(qiáng)、精度高的優(yōu)點(diǎn)。所有探測器均根據(jù)GB50116—2013《火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》以及GB50838—2015《城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范》中的要求進(jìn)行敷設(shè)。

區(qū)域子控制器在該系統(tǒng)中起到承上啟下的作用，它的核心選用了實(shí)用性強(qiáng)、價(jià)格低廉的國產(chǎn)GD32F103CBT6 單片機(jī)。電路部分主要包括電源電路、濾波電路、復(fù)位電路以及ESP01 電路等子電路。區(qū)域子控制器與管廊內(nèi)各防火分區(qū)的終端采集模塊建立通信，完成數(shù)據(jù)傳輸后通過CAN 總線將數(shù)據(jù)上傳到本地服務(wù)器。

3 CAN 網(wǎng)絡(luò)的組建

完成該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是解決系統(tǒng)內(nèi)部間的數(shù)據(jù)傳輸問題，該設(shè)計(jì)主要是針對城市綜合管廊的火災(zāi)監(jiān)測與報(bào)警而提出，因此設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮到管廊內(nèi)的復(fù)雜情況。例如某些綜合管廊的跨度很大，是否會影響通信的穩(wěn)定性。而CAN 總線[3]的最大通信距離能夠達(dá)到10km，足以滿足大部分管廊的通信問題。因此選擇利用CAN 總線解決通信問題。CAN 總線又叫控制器局域網(wǎng)總線，是一種用于實(shí)時(shí)應(yīng)用的串行通訊協(xié)議總線，它可以使用雙絞線來傳輸信號，是世界上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。由于管廊覆蓋面積廣，所以需要布置大量的區(qū)域子控制器，而CAN 總線上的最大節(jié)點(diǎn)數(shù)可達(dá)110 個(gè)，能充分滿足大量區(qū)域子控制器的數(shù)據(jù)傳輸。

在區(qū)域子控制器設(shè)計(jì)了CAN 總線通信[4]電路來實(shí)現(xiàn)它與本地服務(wù)器之間的通信。通信電路的核心是TJA1050，TJA1050 是一款高速CAN 信號收發(fā)器，可將單片機(jī)信號轉(zhuǎn)換為CAN 總線收發(fā)器所需的CAN 電平。收發(fā)器共有8 個(gè)引腳，引腳示意圖如圖2 所示。

圖2 TJA1050 芯片管腳示意圖

4 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

4.1 軟件總體設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)使用了Visual Studio 2022 作為上位機(jī)軟件的開發(fā)環(huán)境，它是目前最流行的Windows 平臺應(yīng)用程序的集成開發(fā)環(huán)境，也是開發(fā)人員常用的開發(fā)工具之一。上位機(jī)軟件是基于.NET Framework 4.7.2 框架開發(fā)的Window 窗體應(yīng)用程序，編譯語言使用的是C#面向?qū)ο蟮木幾g語言。USB-CAN 的接口卡選的是北京愛泰公司的產(chǎn)品，型號為USBCAN-I+，因此需要安裝北京愛泰公司USBCAN 驅(qū)動才能使用它。上位機(jī)程序通過調(diào)用北京愛泰公司提供的usbcan.dll 動態(tài)鏈接庫文件，便可以實(shí)現(xiàn)對USBCAN-I+的開啟、關(guān)閉，讀取和發(fā)送CAN 數(shù)據(jù)等功能，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)軟件到控制器硬件之間的數(shù)據(jù)通信。同時(shí)上位機(jī)程序利用數(shù)據(jù)庫提供的動態(tài)鏈接庫MySql.Data.dll 進(jìn)行操作，實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)軟件連接阿里云數(shù)據(jù)庫，對阿里云數(shù)據(jù)庫進(jìn)行增刪查改等操作，完成本地主機(jī)和阿里云平臺之間的數(shù)據(jù)傳輸交換。上位機(jī)界面和接收數(shù)據(jù)流程圖如圖3 所示。

打開軟件運(yùn)行程序后，首先會進(jìn)入初始化環(huán)節(jié)，進(jìn)行USBCAN 設(shè)備的檢測，當(dāng)檢測到設(shè)備后，開啟設(shè)備并獲取設(shè)備參數(shù)，沒有檢測到設(shè)備時(shí)，需要等待設(shè)備連接，連接后點(diǎn)擊連接按鍵開啟設(shè)備讀取參數(shù)，緊接著開啟接收數(shù)據(jù)中斷，程序正常運(yùn)行。程序從USBCAN 設(shè)備讀取數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)傳送至阿里云數(shù)據(jù)庫。軟件接收數(shù)據(jù)流程圖如圖4 所示。首先程序會定時(shí)查詢USBCAN 設(shè)備有無數(shù)據(jù)傳來，直到檢測到數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)接收、處理數(shù)據(jù)，上位機(jī)軟件顯示數(shù)據(jù)，同時(shí)將數(shù)據(jù)通過編寫C#命令發(fā)送至阿里云數(shù)據(jù)庫。

圖4 軟件接收數(shù)據(jù)流程圖

4.2 三邊測量定位算法

綜合管廊深埋地下，內(nèi)部空間狹小且情況復(fù)雜，難免會發(fā)生各類故障問題，因此管廊內(nèi)部經(jīng)常有維修人員或運(yùn)維員工的出入，當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，首先要保障人員的生命安全，因此提出使用三邊測量定位算法來確定人員位置進(jìn)而實(shí)施救援。利用ESP8266 模塊作為節(jié)點(diǎn)，用于測得節(jié)點(diǎn)與管廊內(nèi)人員的距離。因?yàn)槭褂玫氖侨厹y量定位算法，所以需要三個(gè)節(jié)點(diǎn)與人員之間的距離信息[5]。具體測量方法：假設(shè)測得三個(gè)節(jié)點(diǎn)與人員的位置信息，三個(gè)節(jié)點(diǎn)位置分別為（x1，y1）、（x2，y2）、（x3，y3），被困人員距離節(jié)點(diǎn)的距離分別為R1、R2、R3，代入方程組：

求解方程組解得的（xm，ym）為m時(shí)刻人員所在位置的二維坐標(biāo)，隨著不斷的采集，信息的不斷完善，控制室便可根據(jù)人員的位置信息的移動，繪出人員的移動軌跡，從而確定人員的精確位置，保障被困人員的生命安全。

5 結(jié)束語

城市綜合管廊是城市基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，綜合管廊的火災(zāi)監(jiān)測與報(bào)警的重要性不言而喻，管廊中任何一個(gè)分段發(fā)生事故都可能造成部分城市發(fā)生功能性癱瘓，甚至威脅到人們的生命安全[6]。本文設(shè)計(jì)的城市綜合管廊火災(zāi)監(jiān)測與報(bào)警系統(tǒng)，充分利用嵌入式技術(shù)，通過各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)對管廊內(nèi)部實(shí)時(shí)情況的上傳、匯總，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)維人員對整個(gè)管廊的監(jiān)控與管理。通過對該系統(tǒng)的軟件與硬件的仿真、調(diào)試，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可行性，達(dá)到火災(zāi)監(jiān)控與報(bào)警的目的。