城市軌道交通站級(jí)數(shù)據(jù)采集物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)

李巍 劉振 張思琪 季鵬鵬

【摘?要】本文針對(duì)城市軌道交通中機(jī)電設(shè)備數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)問(wèn)題進(jìn)行分析，針對(duì)軌道交通地下車站的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種低成本、易實(shí)施的軌道交通站級(jí)數(shù)據(jù)采集物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)及協(xié)議方案，解決多種設(shè)備數(shù)據(jù)采集、環(huán)境數(shù)據(jù)采集的聯(lián)網(wǎng)需求問(wèn)題。該系統(tǒng)由物聯(lián)從機(jī)（IOT）、物聯(lián)主機(jī)（IOT）、站級(jí)控制單元（SCU）、上位機(jī)管理終端四個(gè)部分組成。具有7x24不間斷數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)、自動(dòng)預(yù)警、物聯(lián)上報(bào)和信息化管理等功能。

【關(guān)鍵詞】軌道交通;ARM嵌入式系統(tǒng);物聯(lián)網(wǎng);協(xié)議棧;

1引言

近年來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)正在飛速發(fā)展，從智能家居到智慧城市，無(wú)處不有他的身影。在軌道交通逐漸成為了城市交通的運(yùn)輸主力時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)也大量運(yùn)用到軌道交通運(yùn)營(yíng)建設(shè)中。

目前軌道交通在建設(shè)及運(yùn)營(yíng)過(guò)程當(dāng)中，位于中心城區(qū)的線路基本設(shè)在地下隧道內(nèi)，整個(gè)軌道交通系統(tǒng)中機(jī)電設(shè)備數(shù)量眾多、種類復(fù)雜，同時(shí)因?yàn)榄h(huán)境潮濕、設(shè)備老化等因素，需要不間斷采集設(shè)備數(shù)據(jù)，監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，并采取人工維護(hù)等必要手段，保障軌道行車安全。當(dāng)下常用的兩種解決方案有人工巡檢和設(shè)備自動(dòng)化運(yùn)行。然而這兩種方案仍面臨以下問(wèn)題：

1.人工巡檢依靠天窗期，巡檢工程量大，存在漏檢等情況，一般情況下只能等到設(shè)備出現(xiàn)明顯故障時(shí)才可發(fā)現(xiàn)處理。

2.設(shè)備自動(dòng)化運(yùn)行方案中，不同種類的機(jī)電設(shè)備雖可獨(dú)立自動(dòng)化運(yùn)行，但無(wú)法做到統(tǒng)一監(jiān)測(cè)管理，無(wú)法形成網(wǎng)絡(luò)體系。

3.兩種方案都無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)測(cè)和分析，提前預(yù)測(cè)設(shè)備狀態(tài)，及時(shí)處理。

因此，需要設(shè)計(jì)出一款適用于軌道交通行業(yè)的軌道交通站級(jí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)7x24數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)、自動(dòng)預(yù)警、物聯(lián)上報(bào)和信息化管理等功能。

2.系統(tǒng)架構(gòu)

本系統(tǒng)由物聯(lián)從機(jī)、物聯(lián)主機(jī)、站級(jí)控制單元SCU、上位機(jī)管理終端四個(gè)部分（如圖2-1）構(gòu)成。物聯(lián)從機(jī)與機(jī)電設(shè)備安裝在基坑處，為單機(jī)機(jī)電設(shè)備提供物聯(lián)網(wǎng)接口并采集上傳設(shè)備數(shù)據(jù)，物聯(lián)主機(jī)安裝在車站之間，通過(guò)網(wǎng)路連接各物聯(lián)從機(jī)，對(duì)上傳數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，執(zhí)行分發(fā)SCU下達(dá)的指令。站級(jí)控制單元SCU安裝在車站控制中心，負(fù)責(zé)連接物聯(lián)主機(jī)與光纖環(huán)網(wǎng)交換機(jī)，并分析處理數(shù)據(jù)。而后管理員和維護(hù)員可通過(guò)多終端提供的操作交互界面，進(jìn)行調(diào)試、配置和維護(hù)設(shè)備，并接收設(shè)備預(yù)警信息。

本系統(tǒng)主要用于提供給軌道交通管理人員進(jìn)行機(jī)電設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)控、設(shè)備遠(yuǎn)程操作以及數(shù)據(jù)分析。其中涉及的系統(tǒng)角色主要包括管理員、維護(hù)員、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備以及受控設(shè)備，它們?cè)谙到y(tǒng)運(yùn)作中的作用如表2-2所示：

2.2硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)硬件由物聯(lián)網(wǎng)模塊（IOT）與車站控制單元（SCU）兩大模塊組成，根據(jù)不同的場(chǎng)景進(jìn)行模塊拼接使用。

2.2.1 物聯(lián)網(wǎng)模塊（IOT）

物聯(lián)網(wǎng)模塊（IOT）主要用于與安裝在隧道各處（坑基）的單機(jī)設(shè)備（如轉(zhuǎn)轍機(jī)排水設(shè)備）的連接，其主要通過(guò)UART接口與受控機(jī)電設(shè)備連接，為搭建底層物聯(lián)網(wǎng)提供硬件基礎(chǔ)。

物聯(lián)網(wǎng)模塊分為主機(jī)和從機(jī)兩種類型，其結(jié)構(gòu)完全相同。從機(jī)的主要業(yè)務(wù)包括：數(shù)據(jù)讀取、配置下發(fā)、透明傳輸、設(shè)備入網(wǎng)、斷網(wǎng)重連等。通過(guò)在使用過(guò)程中跳線M/S進(jìn)行功能轉(zhuǎn)換和區(qū)分。

主機(jī)在從機(jī)的基礎(chǔ)上，還安裝有RS485模塊能夠與SCU直連。IOT模塊結(jié)構(gòu)如圖2-3所示：

物聯(lián)網(wǎng)模塊（IOT）由如下幾個(gè)模塊組成：

1）STM32：低功耗模塊處理器，對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并向相應(yīng)的端口發(fā)送控制數(shù)據(jù)。

2）RAM存儲(chǔ)器：作為運(yùn)算存儲(chǔ)空間。

3）RTC時(shí)鐘芯片：提供時(shí)鐘信號(hào)，保證模塊時(shí)間與上位機(jī)進(jìn)行同步。

4）I/O引腳：對(duì)引腳進(jìn)行了引出預(yù)留，為后期安裝設(shè)備留出升級(jí)空間。

5）M/S主從轉(zhuǎn)換跳線：用于對(duì)模塊的主機(jī)與從機(jī)兩種模式進(jìn)行切換。

6）RS485接口：用于主機(jī)與車站控制單元的有線連接通訊（適用于長(zhǎng)距離，強(qiáng)干擾環(huán)境）。

7）Lora433Mhz數(shù)傳模塊：用于主機(jī)與從機(jī)間的無(wú)線通信（適用于短距離、低干擾環(huán)境）。

8）UART串口接口：主要用于為受控設(shè)備提供物聯(lián)網(wǎng)接口，便于后期維護(hù)和調(diào)試。

9）藍(lán)牙接口：用于物聯(lián)網(wǎng)模塊與手機(jī)的連接，與手機(jī)app進(jìn)行通信獲取詳細(xì)數(shù)據(jù)。

2.2.2 車站控制單元（SCU）

車站控制單元作為上位機(jī)設(shè)備，與下位機(jī)IOT模塊進(jìn)行連接。

車站控制單元（SUC）能夠接收主機(jī)傳遞的各類數(shù)據(jù)信息，并能發(fā)送各類控制指令（時(shí)間校準(zhǔn)、強(qiáng)制排水等），同時(shí)作為具備輸入與顯示的交互設(shè)備，為管理人員提供可視化操作平臺(tái)與數(shù)據(jù)監(jiān)控窗口，并具備數(shù)據(jù)記錄分析與故障預(yù)警的功能。

車站控制單元（SUC）組成如圖2-4：

各模塊作用如圖下：

1）樹(shù)莓派3B：作為車站控制單元模塊的處理器，同時(shí)為軟件程序提供基礎(chǔ)運(yùn)行環(huán)境。

2）RAM存儲(chǔ)器：作為運(yùn)算存儲(chǔ)空間。

3）SD卡：提供更多存儲(chǔ)空間進(jìn)行數(shù)據(jù)儲(chǔ)存。

4）LCD液晶顯示接口：為圖像顯示設(shè)備提供接口，顯示基本采集信息。

5）RJ45網(wǎng)絡(luò)接口：使物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)能夠連接至光纖環(huán)網(wǎng)。

6）485有線通訊接口：與下位機(jī)進(jìn)行有線的通訊連接。

7）藍(lán)牙接口：用于與手機(jī)的通訊連接，通過(guò)app進(jìn)行相關(guān)信息查看

3物聯(lián)網(wǎng)連接方案

物聯(lián)網(wǎng)模塊設(shè)備、車站控制單元與光纖環(huán)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)連接通訊采取有線與無(wú)線相結(jié)合的方式（如圖3-1）。

站點(diǎn)同一端的IOT從機(jī)與主機(jī)之間由于距離相隔不遠(yuǎn)，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接。在有樓層阻隔且距離較遠(yuǎn)的IOT設(shè)備與SCU之間，選擇直接通過(guò)總線接口，使用有線連接的方式接通IOT主機(jī)。而SCU則通過(guò)網(wǎng)線接入光纖環(huán)網(wǎng)交換機(jī)。

4測(cè)試與驗(yàn)證

4.1通訊信號(hào)測(cè)試

本部分測(cè)試是針對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在地下車站運(yùn)行時(shí)的通訊信號(hào)是否可靠而展開(kāi)的，測(cè)試包含以下幾個(gè)方面的內(nèi)容：

a）復(fù)雜鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)空間對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的影響。測(cè)試內(nèi)容包括無(wú)線物聯(lián)節(jié)點(diǎn)的可靠信號(hào)覆蓋區(qū)、ping延時(shí)、ping抖動(dòng)、ping丟包率等數(shù)據(jù)并進(jìn)行記錄。

b）有線物聯(lián)網(wǎng)通信能力。通過(guò)軌道交通站點(diǎn)現(xiàn)有的預(yù)留通信線纜，測(cè)試總線節(jié)點(diǎn)的負(fù)載能力、穩(wěn)定性以及通信速率等指標(biāo)。

c）通過(guò)將以上兩測(cè)試得到的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，尋找一個(gè)能夠在站點(diǎn)保證通訊能力范圍的情況下可靠穩(wěn)定運(yùn)行的物聯(lián)組網(wǎng)方案。

測(cè)試結(jié)果：站點(diǎn)同端設(shè)備之間能夠進(jìn)行穩(wěn)定通信。車站兩端之間有線信號(hào)通信穩(wěn)定良好，無(wú)線信號(hào)通信不穩(wěn)定。IOT主設(shè)備與SCU進(jìn)行通信，在100米的有線通信距離下，通訊信號(hào)穩(wěn)定可靠。

4.2系統(tǒng)測(cè)試

本部分測(cè)試是對(duì)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的上位機(jī)功能進(jìn)行測(cè)試，在安裝完相關(guān)軟件后，對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行功能測(cè)試。

4.2.1 IOT從機(jī)功能測(cè)試

本部分測(cè)試包含以下三個(gè)功能點(diǎn)的測(cè)試：

1）數(shù)據(jù)讀取功能

受控設(shè)備準(zhǔn)備待讀取數(shù)據(jù)后，IOT從機(jī)向受控設(shè)備發(fā)送指令，受控設(shè)備接收到指令后，將數(shù)據(jù)發(fā)送至IOT從機(jī)接收。

2）配置設(shè)備功能

IOT從機(jī)發(fā)送配置設(shè)備命令至受控設(shè)備，并接收受控設(shè)備的返回?cái)?shù)據(jù)信息。

3）透明傳輸功能

IOT從機(jī)準(zhǔn)備待讀取數(shù)據(jù)后采用透明傳輸?shù)姆绞桨l(fā)送數(shù)據(jù)至受控設(shè)備，受控設(shè)備接收到數(shù)據(jù)后返回?cái)?shù)據(jù)至IOT從機(jī)。

4.2.2 IOT主機(jī)功能測(cè)試

1）物聯(lián)組網(wǎng)功能

IOT主機(jī)廣播信標(biāo)，從機(jī)掃描主機(jī)廣播的信標(biāo)并接收，將接收到的信標(biāo)打印至串口。

2）數(shù)據(jù)采集功能

IOT主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)采集的指令至從機(jī)，從機(jī)收到指令后將待讀數(shù)據(jù)返回至IOT主機(jī)。

3）透明傳輸功能

IOT主機(jī)準(zhǔn)備待讀取數(shù)據(jù)后采用透明傳輸?shù)姆绞桨l(fā)送數(shù)據(jù)至IOT從機(jī)，IOT從機(jī)接收到數(shù)據(jù)后返回?cái)?shù)據(jù)至IOT主機(jī)。

4.2.3 SCU功能測(cè)試

1）數(shù)據(jù)采集功能

SCU發(fā)送數(shù)據(jù)采集指令至IOT主機(jī)，IOT主機(jī)接收到指令后將待讀取數(shù)據(jù)返回至SCU。

2）上傳數(shù)據(jù)功能

SCU將待讀取數(shù)據(jù)上傳至PC端，PC端打印數(shù)據(jù)幀。

3）狀態(tài)顯示功能

SCU發(fā)送數(shù)據(jù)采集指令至IOT主機(jī)，IOT主機(jī)接收到指令后返回待讀取數(shù)據(jù)，操作人員通過(guò)SCU軟件界面查看期望的數(shù)據(jù)信息。

測(cè)試結(jié)果：在對(duì)上位機(jī)軟件功能進(jìn)行測(cè)試后，測(cè)試實(shí)際結(jié)果包含預(yù)期結(jié)果，功能測(cè)試全部通過(guò)。

5總結(jié)

通過(guò)在站點(diǎn)實(shí)地測(cè)試各類網(wǎng)絡(luò)信號(hào)通信情況，本項(xiàng)目最終選擇了在實(shí)驗(yàn)條件下最為穩(wěn)定的布線方案進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的組件，保證了網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)目煽啃?。軟件功能測(cè)試滿足需求。

綜上所述，本系統(tǒng)是一種低成本、易實(shí)施的站級(jí)數(shù)據(jù)采集物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)及協(xié)議方案，能夠解決多種設(shè)備數(shù)據(jù)采集、環(huán)境數(shù)據(jù)采集的聯(lián)網(wǎng)需求問(wèn)題。

（作者單位：1.江漢大學(xué)人工智能學(xué)院;2.武漢地鐵集團(tuán)有限公司）