引言

近年來，隨著我國交通基礎(chǔ)建設(shè)規(guī)模的逐步擴大，公路隧道在公路建設(shè)中的地位愈來愈顯示出重要作用，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、維護施工者身心健康、實現(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)整個作業(yè)環(huán)境能夠控制在標準作業(yè)及環(huán)境之下，是當前發(fā)展和改善施工技術(shù)的一個重要出發(fā)點。因此，本文提出了一種全新的隧道施工過程中作業(yè)環(huán)境的檢測與通風系統(tǒng)，基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的隧道施工過程中的環(huán)境檢測系統(tǒng)，將ZigBee技術(shù)與隧道施工過程中的環(huán)境檢測技術(shù)融合在一起，充分利用的ZigBee技術(shù)的特點[2]：低功耗、成本低、時延短、網(wǎng)絡(luò)容量大、可靠、自組網(wǎng)、安全。不僅擴大了監(jiān)測系統(tǒng)的覆蓋范圍，而且避免的因布設(shè)線路帶來的不便，避免了對檢測人員的潛在危害。

1系統(tǒng)架構(gòu)

隧道的通風自動控制系統(tǒng)由兩大部分組成，分別為隧道環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)和通風控制系統(tǒng)。隧道環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)由各種氣體傳感器、風速傳感器、ZigBee節(jié)點（包括ZigBee從節(jié)點、ZigBee中繼節(jié)點和ZigBee匯總節(jié)點）、上位機等設(shè)備組成。通風機控制系統(tǒng)由上位機、通風機、通風管道、PLC和變頻器等設(shè)備組成。傳感器定期對隧道內(nèi)的環(huán)境進行數(shù)據(jù)采集，將所采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給ZigBee從節(jié)點，ZigBee從節(jié)點將所得到的數(shù)據(jù)通過ZigBee中繼節(jié)點發(fā)送給ZigBee匯節(jié)點，匯節(jié)點將所得數(shù)據(jù)傳送給上位機，上位機將數(shù)據(jù)進行分析之后，將相對應(yīng)的指令數(shù)據(jù)傳送給PLC，PLC將對應(yīng)的指令傳送給變頻器，通過變頻器最終對風機轉(zhuǎn)速進行控制。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1硬件設(shè)計

本系統(tǒng)給出了環(huán)境檢測節(jié)點的硬件設(shè)計和通風自動控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計。環(huán)境檢測節(jié)點的硬件設(shè)計主要包括無線發(fā)送節(jié)點的設(shè)計、傳感器采集節(jié)點的設(shè)計和電源模塊的設(shè)計；通風自動控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計主要包括PLC和變頻器的選型、系統(tǒng)的電氣連接。

(1)環(huán)境監(jiān)測節(jié)點的設(shè)計

隧道內(nèi)檢測節(jié)點的原理框圖如圖2所示。環(huán)境檢測節(jié)點以CC2430為核心，由傳感器模塊、電源模塊、調(diào)試接口和無線通信模塊組成。無線通信模塊以CC2430完結(jié)簡單的外圍電路組成。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)選用日本費加羅公司的TGS5042一氧化碳傳感器來進行測試，其他傳感器同樣可以進行工作。

(2)風機自動控制系統(tǒng)的設(shè)計

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

其中，環(huán)境檢測節(jié)點檢測隧道的環(huán)境，將檢測到的環(huán)境數(shù)據(jù)，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換模塊之后傳給ZigBee節(jié)點，ZigBee節(jié)點將傳感器采集的數(shù)據(jù)進行加權(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設(shè)的一氧化碳極限值進行比較、判斷，最后得到一個對應(yīng)頻率的電壓值(0?10V)，由PLC的擴展模塊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，最后實現(xiàn)對風機的變頻調(diào)速。

1.2軟件設(shè)計

本文給出了ZigBee節(jié)點的軟件和風機控制部分的軟件實現(xiàn)。ZigBee節(jié)點的軟件實現(xiàn)，分別為采集節(jié)點、中繼節(jié)點和匯節(jié)點的軟件實現(xiàn)；通風自動控制部分的軟件實現(xiàn)，主要包括PLC的軟件流程圖。

ZigBee節(jié)點軟件實現(xiàn)

ZigBee節(jié)點軟件部分主要包括四個部分，即TinyOS系統(tǒng)的啟動順序、采集節(jié)點的程序設(shè)計、中繼節(jié)點的程序設(shè)計、匯節(jié)點的程序設(shè)計。

主程序流程圖

主程序的流程圖如圖4所示。主程序用來控制風機的啟動、停止、子程序的調(diào)用、中斷時間的設(shè)置和中斷子程序的調(diào)用、一氧化碳濃度超限報警、風機故障報警、變頻器故障報警等功能。PLC主程序在執(zhí)行時，先判斷風機是否可以正常開啟，若風機不能正常啟動，則調(diào)用子程序1進行風機檢修。若風機正常開啟則調(diào)用子程序0檢查PLC模擬量擴展模塊EM235是否正常，若EM235有錯誤，則主程序結(jié)束，直到連接正常之后再重新啟動主程序。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警，并進行檢修；若變頻器正常，則設(shè)定中斷時間，本系統(tǒng)中設(shè)定的中斷定時時間為300s，即5min進行一次風機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。若CO濃度超限則CO濃度報警燈開啟，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)的頻率對風機轉(zhuǎn)速進行控制。最后，PLC主程序結(jié)束。

2系統(tǒng)測試

在上位機用VC6.0編寫了監(jiān)控界面，分別對一氧化碳和溫度、濕度進行實時監(jiān)測。顯示當前測量的并進行保存，根據(jù)保存的測量值畫出歷史數(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)點能否正常加入觀已有的無線傳感網(wǎng)絡(luò)。觀察一段時間，看是否正常工作，然后再觀察上位機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）改變所測環(huán)境的一氧化碳濃度，觀察上位機界面的 一氧化碳濃度值是否變化，當一氧化碳濃度值超過極限濃度 100時，危險燈是否正常亮起。其結(jié)果如圖7所示。

圖7 一氧化碳濃度變化圖

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

圖8溫度變化圖

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

當系統(tǒng)檢測危險燈亮時，就會輸出一個控制信號，控制變頻器的輸出頻率，由變頻器控制風機轉(zhuǎn)速，從而控制室內(nèi)環(huán)境狀況，如當環(huán)境溫度過高時，風機在轉(zhuǎn)動，此次隧道模型采用實驗室的隧道機電模型進行模擬。

通過觀察發(fā)現(xiàn)，整個系統(tǒng)運行良好，上位機監(jiān)控界面可以正常地觀察到傳感器采集到的數(shù)據(jù)，并且當數(shù)據(jù)超過預設(shè)的極限值時，危險報警燈會亮起，進行提示。可以隨時在已有的無線網(wǎng)絡(luò)當中加入新的節(jié)點，滿足了隧道施工過程當中，無線傳感網(wǎng)絡(luò)動態(tài)變化的要求，系統(tǒng)滿足可以滿足隧道施工過程當中實時、準確的監(jiān)控要求。

3 結(jié) 語

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

20211221_61c1b7691689b__基于ZigBee的隧道通風自動控制系統(tǒng)