基于WIFI环境的轨道交通环境监测系统设计

匡正，何国东，李立明

摘要：近年来，地铁的迅速发展使其成为城市交通的主要工具之一，然而地铁系统复杂的环境体系对人体的健康和行车的安全存在一定的隐患。随着无线网络技术的发展，wifi也在上海的地铁系统中普及，这意味着大量数据的在线交互更为便捷和廉价，对地铁系统的各个环境数据进行实时监测成为了可能。本文就此问题设计了基于wifi环境的轨道交通环境监测系统，以stm32单片机为核心，mq系列传感器、PM2.5传感器等收集环境数据，esp8266模块连接wifi传输数据，电脑主机接收并处理数据，实现对轨道交通环境的监测。

关键词：环境监测；物联网；多节点采集系统

中图分类号：X83 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）48-0072-02

城市轨道交通目前已成为了各大城市市民出行的首选公共交通方式，以其准时、舒适、安全和便宜等特点极大方便了人们的出行。wifi的普及使得我们能够及时监测地铁运行时的各种环境数据，从而能够让我们快速发现各种问题，避免潜在的危险。大量数据的积累也许能为后期的研究提供经验。

一、轨道交通环境现状分析

据研究，上海地铁站台以温湿度为代表的微气候状况良好，甲醛和CO浓度较低，部分站台CO2浓度过高。颗粒物浓度过高是上海地铁站台中存在的主要问题，PM10为372±209μg/m3，PM2.5为293±193μg/m3[1]。而地铁运行时各种能量转化成热能排出，使区间隧道内的环境十分复杂，温湿度以及气压并不稳定[2]。大量乘客致使车辆内部的空气调节成为问题。列车运行时的噪声问题并未得到足够重视，机件状态也难以得到实时的检测，有一定的安全隐患。

本文设计的环境监测系统针对地铁系统复杂的环境，将节点平台化，安装于站台、车厢、隧道区间等各个需要进行环境监测的地方。环境数据可用于调节通风系统从而节约能源，发现异常信息也可及时报警，为地铁系统提供数据支持，以便创造一个更舒适、安全的运行环境。

二、系统的硬件设计

（一）系统整体设计

由于采用了wifi进行数据传输，因而并不需要再进行诸如蓝牙或zigbee之类的组网工作，每个采集节点可直接向服务器发送数据。整个系统为采集节点——服务器，点对点数据传输。采集节点包括stm32单片机（数据处理），各种类型传感器（数据采集），esp8266 wifi模块（数据传输），显示屏（数据显示），服务器运行程序（接收并存储数据）。

每个节点开机后自动搜索wifi信号，连接wifi成果后开始采集并发送数据，同时也在显示屏上显示，如果不能连接wifi，则将数据暂时保存在SD卡中。电脑服务器为每一个节点打开一个端口接收数据并处理、保存。由于使用平台化的采集节点，并且mq系列的通用性十分强大，在特定环境下可以安装特定型号传感器，即插即用。

（二）采集节点设计

节点采用stm32 f103系列单片机作为控制器，具有足够多的IO口和ADC接口来扩展外围电路。ADC转换可直接读取mq系列传感器等模块输出的模拟电压值，IO口可以用于读取DHT11的温湿度值以及esp8266 wifi模块的数据传输。

ESP8266模块作为目前新兴的WIFI网络解决方案，拥有强大的WIFI网络功能，甚至可以承担WIFI适配器的任务。由于采用和串口输出相似的接口，可以将其置于几乎所有单片机中，比如本设计采用的stm32系列，通过SPI/SDIO接口就能连接（几乎所有单片机都有这种接口）。ESP8266集成度非常高，所需的外围电路很少，减少了很多空间占用。

Mq系列传感器：Mq系列传感器采用高温循环检测的方式[3]。传感器中的金属氧化物半导体被加热到一定温度后，遇到相应的还原性气体会改变其阻值。通过简单的外围电路，传感器将输出相应的电压模拟量数值。本系统所要采用的Mq系列传感器有：Mq-2，Mq-7，Mq-135。DHT11温湿度传感器：品质卓越、造价低廉、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高。采用单总线传输，数据处理同样十分简便。PM2.5传感器GP2Y1010AUOF：这是由夏普公司设计的一款光学空气质量传感器，能检测细微颗粒如烟草烟雾，通常在空气净化系统中应用，本设计中将其与MQ-2或MQ-135配合，用于采集颗粒物和空气污染数据。该传感器输出为电压模拟量，其值与粉尘浓度成正比。上述传感器分别为气体传感器、温湿度传感器和粉尘传感器，然而视情况不同我们仍可以添加其他不同的传感器以监测环境数据，比如声音传感器（监测噪声）。毕竟环境污染是多种多样的，只要传感器能够实现电压模拟量的输出，即可适用。

节点外围电路方面，采用电池供电和插口直流供电双重供电方案以满足具体场景需求。同时外壳采用壁挂式设计，方便通过屏幕读取信息（当然也可以平放固定）。

三、节点与服务器软件设计

节点的软件程序包括环境数据采集程序、wifi模块发送程序以及显示程序，采用C语言编写，编译器为keil v5。STM32F103内部自带ADC模块，用以采集模拟信号。屏幕显示信息不仅包含各个传感器的当前数据，还有时间显示，数据曲线显示。对于某些场景下的传感器异常读数，可以提供报警声，并在发送的数据中显示。服务器主要用于接收数据并保存。服务器对每一个节点开放一个端口用以建立连接，收到数据后处理并保存于硬盘中。

四、结语

互联网自诞生直至发展至今，逐渐渗透入了生活的各个部分，成为现代生活不可分割的存在。互联网的精神是开放、平等、协作、快速、分享。基于这种精神，我们通过不懈努力让生活变得更美好。传感器、控制器、机械、电子，这些时空上相互独立分离的存在在互联网之下变成一个整体。本文所设计的环境监测系统正是这个不断扩张、完善的整体中的微小一员。基于互联网的远程管理和智能化物联网是未来信息化發展的必经道路。

参考文献：

[1]李丽，钱春燕，张海云.上海市轨道交通系统车站空气质量状况及其影响因素分析[J].环境与职业医学，2011，（4）.

[2]欧阳仲志，苗彦英.地铁交通系统的环境控制和车辆空气调节[J].铁道学报，1999，（4）：87-91.

[3]贺巧云.浅谈轨道交通站台屏蔽门系统[J].技术与市场，2008，（9）：69-70.

[4]李帮军.气敏传感器实验与MQ系列气敏元件特性研究[J].中国市场，2006，（14）：70.

[5]贾浩强，李耀.基于WiFi无线通信的温湿度检测节点设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2014，（5）：70-72.endprint