基于ZigBee的隧道通風(fēng)自動(dòng)控制系統(tǒng)

引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)交通基礎(chǔ)建設(shè)規(guī)模的逐步擴(kuò)大，公路隧道在公路建設(shè)中的地位愈來(lái)愈顯示出重要作用，良好的隧道施工作業(yè)環(huán)境是保證隧道工程質(zhì)量、提高施工效率、維護(hù)施工者身心健康、實(shí)現(xiàn)工廠化施工的重要條件。隧道的作業(yè)環(huán)境[1]主要指：光（亮度）；氣（空氣質(zhì)量）；塵（粉塵）；聲（噪聲）；電（雜散電流）；水（濕度、涌水）。如何保證洞內(nèi)整個(gè)作業(yè)環(huán)境能夠控制在標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)及環(huán)境之下，是當(dāng)前發(fā)展和改善施工技術(shù)的一個(gè)重要出發(fā)點(diǎn)。因此，本文提出了一種全新的隧道施工過程中作業(yè)環(huán)境的檢測(cè)與通風(fēng)系統(tǒng)，基于ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的隧道施工過程中的環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)，將ZigBee技術(shù)與隧道施工過程中的環(huán)境檢測(cè)技術(shù)融合在一起，充分利用的ZigBee技術(shù)的特點(diǎn)[2]：低功耗、成本低、時(shí)延短、網(wǎng)絡(luò)容量大、可靠、自組網(wǎng)、安全。不僅擴(kuò)大了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的覆蓋范圍，而且避免的因布設(shè)線路帶來(lái)的不便，避免了對(duì)檢測(cè)人員的潛在危害。

1系統(tǒng)架構(gòu)

隧道的通風(fēng)自動(dòng)控制系統(tǒng)由兩大部分組成，分別為隧道環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和通風(fēng)控制系統(tǒng)。隧道環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由各種氣體傳感器、風(fēng)速傳感器、ZigBee節(jié)點(diǎn)（包括ZigBee從節(jié)點(diǎn)、ZigBee中繼節(jié)點(diǎn)和ZigBee匯總節(jié)點(diǎn)）、上位機(jī)等設(shè)備組成。通風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)由上位機(jī)、通風(fēng)機(jī)、通風(fēng)管道、PLC和變頻器等設(shè)備組成。傳感器定期對(duì)隧道內(nèi)的環(huán)境進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，將所采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給ZigBee從節(jié)點(diǎn)，ZigBee從節(jié)點(diǎn)將所得到的數(shù)據(jù)通過ZigBee中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)送給ZigBee匯節(jié)點(diǎn)，匯節(jié)點(diǎn)將所得數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)，上位機(jī)將數(shù)據(jù)進(jìn)行分析之后，將相對(duì)應(yīng)的指令數(shù)據(jù)傳送給PLC，PLC將對(duì)應(yīng)的指令傳送給變頻器，通過變頻器最終對(duì)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)給出了環(huán)境檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)和通風(fēng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。環(huán)境檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)主要包括無(wú)線發(fā)送節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)、傳感器采集節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)和電源模塊的設(shè)計(jì)；通風(fēng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要包括PLC和變頻器的選型、系統(tǒng)的電氣連接。

(1)環(huán)境監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

隧道內(nèi)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的原理框圖如圖2所示。環(huán)境檢測(cè)節(jié)點(diǎn)以CC2430為核心，由傳感器模塊、電源模塊、調(diào)試接口和無(wú)線通信模塊組成。無(wú)線通信模塊以CC2430完結(jié)簡(jiǎn)單的外圍電路組成。傳感器模塊通常有CO傳感器、溫濕度傳感器、氧氣傳感器、粉塵傳感器等。本系統(tǒng)選用日本費(fèi)加羅公司的TGS5042一氧化碳傳感器來(lái)進(jìn)行測(cè)試，其他傳感器同樣可以進(jìn)行工作。

(2)風(fēng)機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

隧道施工通風(fēng)控制系統(tǒng)由PLC、變頻器、交流電機(jī)、風(fēng)速傳感器組成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。如圖3所示。

其中，環(huán)境檢測(cè)節(jié)點(diǎn)檢測(cè)隧道的環(huán)境，將檢測(cè)到的環(huán)境數(shù)據(jù)，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換模塊之后傳給ZigBee節(jié)點(diǎn)，ZigBee節(jié)點(diǎn)將傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)平均，得到隧道掌子面的一氧化碳濃度，PLC將得到的一氧化碳濃度和預(yù)設(shè)的一氧化碳極限值進(jìn)行比較、判斷，最后得到一個(gè)對(duì)應(yīng)頻率的電壓值(0?10V)，由PLC的擴(kuò)展模塊EM235將該電壓值傳給變頻器的模擬量輸入端，由變頻器輸出所得頻率的電流給交流電機(jī)，最后實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)的變頻調(diào)速。

1.2軟件設(shè)計(jì)

本文給出了ZigBee節(jié)點(diǎn)的軟件和風(fēng)機(jī)控制部分的軟件實(shí)現(xiàn)。ZigBee節(jié)點(diǎn)的軟件實(shí)現(xiàn)，分別為采集節(jié)點(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)和匯節(jié)點(diǎn)的軟件實(shí)現(xiàn)；通風(fēng)自動(dòng)控制部分的軟件實(shí)現(xiàn)，主要包括PLC的軟件流程圖。

ZigBee節(jié)點(diǎn)軟件實(shí)現(xiàn)

ZigBee節(jié)點(diǎn)軟件部分主要包括四個(gè)部分，即TinyOS系統(tǒng)的啟動(dòng)順序、采集節(jié)點(diǎn)的程序設(shè)計(jì)、中繼節(jié)點(diǎn)的程序設(shè)計(jì)、匯節(jié)點(diǎn)的程序設(shè)計(jì)。

主程序流程圖

主程序的流程圖如圖4所示。主程序用來(lái)控制風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)、停止、子程序的調(diào)用、中斷時(shí)間的設(shè)置和中斷子程序的調(diào)用、一氧化碳濃度超限報(bào)警、風(fēng)機(jī)故障報(bào)警、變頻器故障報(bào)警等功能。PLC主程序在執(zhí)行時(shí)，先判斷風(fēng)機(jī)是否可以正常開啟，若風(fēng)機(jī)不能正常啟動(dòng)，則調(diào)用子程序1進(jìn)行風(fēng)機(jī)檢修。若風(fēng)機(jī)正常開啟則調(diào)用子程序0檢查PLC模擬量擴(kuò)展模塊EM235是否正常，若EM235有錯(cuò)誤，則主程序結(jié)束，直到連接正常之后再重新啟動(dòng)主程序。若EM235連接正常，則檢查變頻器是否正常，若變頻器不正常，則開啟變頻器故障報(bào)警，并進(jìn)行檢修；若變頻器正常，則設(shè)定中斷時(shí)間，本系統(tǒng)中設(shè)定的中斷定時(shí)時(shí)間為300s，即5min進(jìn)行一次風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。若CO濃度超限則CO濃度報(bào)警燈開啟，并執(zhí)行子程序2。若CO濃度在正常范圍，則變頻器輸出相應(yīng)的頻率對(duì)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。最后，PLC主程序結(jié)束。

2系統(tǒng)測(cè)試

在上位機(jī)用VC6.0編寫了監(jiān)控界面，分別對(duì)一氧化碳和溫度、濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。顯示當(dāng)前測(cè)量的并進(jìn)行保存，根據(jù)保存的測(cè)量值畫出歷史數(shù)據(jù)曲線圖。監(jiān)控界面如圖5所示。本系統(tǒng)的主要測(cè)試內(nèi)容如下：

（1）依次開啟一氧化碳傳感器、溫濕度傳感器，觀察新開啟的傳感器節(jié)點(diǎn)能否正常加入觀已有的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)。觀察一段時(shí)間，看是否正常工作，然后再觀察上位機(jī)界面所顯示的溫度值、濕度值是否正常。其結(jié)果如圖6所示。

（2）改變所測(cè)環(huán)境的一氧化碳濃度，觀察上位機(jī)界面的 一氧化碳濃度值是否變化，當(dāng)一氧化碳濃度值超過極限濃度 100時(shí)，危險(xiǎn)燈是否正常亮起。其結(jié)果如圖7所示。

圖7 一氧化碳濃度變化圖

（3）改變所測(cè)環(huán)境的溫度，觀察上位機(jī)界面的溫度值是 否變化，當(dāng)溫度值超過極限溫度30。。時(shí)，危險(xiǎn)燈是否正常亮起。 其溫度變化結(jié)果如圖8所示。

圖8溫度變化圖

（4）改變所測(cè)環(huán)境的濕度，觀察上位機(jī)界面的濕度值是 否變化，當(dāng)濕度值超過極限濕度60時(shí)，危險(xiǎn)燈是否正常亮起。 其濕度變化結(jié)果如圖9所示。

當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)危險(xiǎn)燈亮?xí)r，就會(huì)輸出一個(gè)控制信號(hào)，控制變頻器的輸出頻率，由變頻器控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，從而控制室內(nèi)環(huán)境狀況，如當(dāng)環(huán)境溫度過高時(shí)，風(fēng)機(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)，此次隧道模型采用實(shí)驗(yàn)室的隧道機(jī)電模型進(jìn)行模擬。

通過觀察發(fā)現(xiàn)，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行良好，上位機(jī)監(jiān)控界面可以正常地觀察到傳感器采集到的數(shù)據(jù)，并且當(dāng)數(shù)據(jù)超過預(yù)設(shè)的極限值時(shí)，危險(xiǎn)報(bào)警燈會(huì)亮起，進(jìn)行提示?？梢噪S時(shí)在已有的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中加入新的節(jié)點(diǎn)，滿足了隧道施工過程當(dāng)中，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)變化的要求，系統(tǒng)滿足可以滿足隧道施工過程當(dāng)中實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的監(jiān)控要求。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文提出了一種新型的基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的隧道施工通風(fēng)自動(dòng)控制系統(tǒng)。研究了隧道施工過程中需要檢測(cè)環(huán)境指標(biāo)，需要檢測(cè)氧氣濃度、有害氣體。9 研究了無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，具體研究了 ZigBee 技術(shù)并敘述了 ZigBee 的實(shí)現(xiàn)方案。完成了無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的搭建，完成了傳感器采集節(jié)點(diǎn)、中繼 / 轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)、匯節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)，在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了傳感器數(shù)據(jù)的采集。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的基礎(chǔ)上，對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)健型進(jìn)行了驗(yàn)證，并完成上位機(jī)監(jiān)控界面的制作，驗(yàn)證了該系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸具有穩(wěn)健性。

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