基于ARM处理器的隧道监控系统的实现

中国石油天然气管道工程有限公司 陈光景

国网山西省电力公司物资分公司 荆文毅

基于ARM处理器的隧道监控系统的实现

中国石油天然气管道工程有限公司 陈光景

国网山西省电力公司物资分公司 荆文毅

ARM处理器具有性能高、成本低和能耗低等诸多优点，提出一种基于模块化设计的ARM隧道区域控制器的硬件设计方案，与上位机组态软件组成一套监控系统，通过工业以太网来实现上位机和多个ARM之间的通信，增强了整个系统的可靠性。

隧道监控；组态软件；ARM区域控制器

引言

近年来，随着国家经济和工控技术的发展，国家加快了高速公路及隧道公路的建设步伐。因隧道属于半封闭环境、车流量大、光线较暗、地理环境特殊等特点，与普通路段相比，交通事故频发，危险性较大，如何提高隧道内的交通安全逐渐成为隧道建设和运营单位关注的焦点。因此，建立完善的监控系统设施，降低事故率，提高隧道能见度，延长隧道的使用年限，对隧道的行车安全具有非常重要的意义。

建设完善的隧道监控系统是十分必要的，尤其针对中长隧道，高可靠的高速公路隧道监控系统设计研究将成为重点中的重点。

图1 隧道控制系统结构图

此外，目前国内外广泛应用的公路隧道监控系统大多以可编程逻辑控制器PLC作为现场控制器，控制隧道内各个系统及设备，建立完整的监控系统。这种实现方案具有技术成熟、应用广泛、可靠性高等优点，但对于较长的公路隧道，由于需要设置的节点数量较多，区域控制器PLC价格昂贵，大大提高工程造价，因此在现场控制器的选择上，国外项目已开始大量采用基于ARM微控器的嵌入式系统，它具有高扩展性的接口，可靠的片上资源，低功耗，因此已应用于各类监控系统中。但国内基于ARM控制器的隧道监控系统尚未出现。

1 隧道监控系统结构组成

隧道监控系统主要通过对隧道的各种硬件设备的控制来实现对隧道内交通的管制，并通过检测和监视传感器的实施上传数据分析、处理、判断现场情况，并调用合理的控制预案，作出对事故或火灾的迅速响应。根据设备的功能和分类，隧道监控系统分为交通管制系统、照明控制系统、风机控制系统、视频监视系统、火灾消防系统、紧急电话系统等。

整个系统采用了广泛应用的分布式控制模式来进行区域控制分布式控制的结构组成分为3层：第一层为软件层，由监控中心的计算机组成，第二层为网络层，是由光纤环网组成的工业以太网，第三层为控制层，分布在现场的区域控制器。隧道控制系统结构图如图1所示。

本系统采用的力控Forcecontrol 6.1组态软件作为上位机，下位机采用高性能ARM处理器STM32103ZET6组成的区域控制器，进行管理和控制隧道内的现场设备。通信方式采用工业以太网模式。

图3 STM32f103ZET6核心原理图

2 下位机区域控制器设计

系统检测模块需要对现场传感器采集的环境数据进行处理，要求控制芯片有可靠的数据分析计算能力，因此，选用嵌入式芯片STM32F103，该芯片使用ARM先进架构的Cortex—M3内核，CPU频率可达72MHz，具有两个16位ADC用于高速采集，32个I/O端口用于连接外部设备。I/O端口作为输入口读取控制设备的反馈量数据以及风速、洞外亮度仪、COVI的模拟信号采集，作为输出端口用于控制照明、风机、车道指示器和交通信号灯的开关量控制。芯片具有速度快、功耗低、可靠性高、实时性强等优点。

本系统区域控制器选用了意法半导体(STMicroelectronics)推出的ARM处理器STM32103ZET6。它主要由CPU模块、网络通讯模块、数字输出模块、数字输入模块、模拟量采集模块等分别做成相应的电路板或模块。ARM控制系统图如图2所示。

图2 隧道区域控制器结构图

2.1 CPU模块

CPU模块是整个控制系统的核心，主要通过通讯协议实现上位机和下位机的通信，主要有控制信号的发出、反馈的信号的输入以及现场传感器的模拟信号精确采集。CPU模块装有3.2寸LCD液晶显示屏，采用可变静态存储控制器FSMC驱动LCD。FSMC可以配置成与多种图形LCD控制器实现无缝连接，它支持Intel 8080和Motorola 6800的模式，并能够灵活的与特定的LCD接口，使用这个LCD并行接口可以很方便地构建简易的图形应用环境。LCD液晶屏上显示I/O口的输入和输出状态。STM32f103ZET6核心原理图如图3所示。

2.2 网络通讯模块

HLK-RM04是海凌科电子新推出的低成本嵌入式 UARTETH-WIFI(串口-以太网-无线网)模块。通过HLK-RM04模块，传统的串口设备无需更改任何配置，即可通过Internet网络传输自己的数据。为用户的串口设备通过网络传输数据提供完整快速的解决方案。串口转以太网模型如图4所示。

本设计串口通讯协议采用Modbus串行口通信协议，该协议在ARM处理器中编写。

图4 串口转以太网模型

2.3 数字输出模块

数字输出模块将STM32的GPIO口输出电压0或3.3V通过光耦隔离转换成0或24V继电器工作电压，通过光耦隔离，有效避免外部设备过压损坏STM32主控制芯片，每一路输出信号都有LED显示I/O状态。

2.4 数字输入模块

数字输入模块将继电器输入电压0或24V通过光耦隔离转换成0或3.3V主控芯片STM32工作电压，通过光耦隔离，有效避免外部设备过压损坏STM32主控制芯片，每一路输入信号都有LED显示I/O状态。

2.5 模拟输入模块

模拟输入模块将风速、洞外亮度、COVI传感器的输入4～20ma电流信号转换成0.66V～3.3V主控芯片STM32的AD采样工作电压，其有3路共16通道的12位高精度AD采样通道。由于STM32103ZET6内部具有A/D转换功能模块，所以在电路设计的时候就不需要其它的A/D转换芯片。本电路设计时，采用了BAV99作为AD转换时的保护电路。同时为了降低噪声在AD的输入端连接了一个低通滤波器，电路如图5所示。

图5 模拟输入保护电路图

3 隧道监控系统上位机软件设计

基于力控Forcecontrol 6.1组态软件的上位机的设计。力控Force Control 6.1组态软件提供良好的工业控制解决方案，其强大的通讯接口，具有数据通讯和采集的功能，内部嵌入了各种下位控制设备的软件模块，并兼容所有的通讯协议。

力控监控组态软件的主要程序组件包括：工程管理器、人机界面VIEW、数据库组态、I/O设备管理、通讯模块配置以及数据服务和Windows扩展组件，其中嵌入的实时数据库是组态软件的核心。系统主界面能够实时显示隧道内各种设备的分布概况，同时可以动态显示环境检测值（风速风向检测值、CO/VI检测值、光照度检测值等）以及所有设备的运行状态，能够及时将隧道内的交通状况反馈给运行人员，以便及时掌握现场信息。

4 结论

本文选取高性能的ARM嵌入式处理器作为区域控制器和力控Forcecontrol 6.1组态软件相结合的方式来开发隧道监控系统，极大地降低了成本并提高了系统的开发效率，对传统PLC是一个极大的挑战。其中使用光纤环网来实现上位机和多个ARM之间的通信，增强了整个系统的可靠性。监控系统实现了数据监测、设备状态监控、历史数据查询、报警预案管理等功能。上位机软件人机界面布局合理、系统运行流畅稳定，易于安装、操作和维护，系统设置的多种预案为监控中心提供了合理的选择，为车辆的安全运行以及处理突发事故提供了强有利的保障。在一定程度上可以替代传统的PLC控制器。此外，该系统亦可应用与其它多种工业控制领域。

目前高速公路隧道监控系统技术相对成熟，智能化、集成化已成为未来发展的方向。 ARM处理器高性价比和高兼容性为开发者带来前所未有的机遇。

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