基于CAN總線的隧道環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的研究 2011-05-05 13:54:59來源:互聯(lián)網

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由于隧道的相對封閉性和其中行車環(huán)境的復雜性，要保障其安全運營存在一定的復雜性。尤其對于高速公路中的長隧道(長度介于1 km和3 km之間）和超長隧道（長度高于3 km)，由于車速高、流量大以及通風等問題的存在，隧道中容易累積汽車尾氣中的CO、氮氧化物等有害氣體。另外，隧道中還可能因為照明故障、能見度低等問題的產生導致交通事故的發(fā)生。為保證隧道的運營安全，避免造成安全事故和重大經濟損失，應對隧道配備完善的環(huán)境參數監(jiān)控系統(tǒng)。

本文介紹的隧道環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，利用區(qū)域控制部分的實時監(jiān)控技術對各監(jiān)控點的照明亮度、能見度、CO濃度、煙霧濃度等參數進行采集、監(jiān)測，并根據這些參數控制相關的交通燈、應急燈、LED交通指示牌、限速牌以及報警裝置。然后通過現(xiàn)場總線將各節(jié)點的參數和報警信號發(fā)送至本地監(jiān)控中心，由本地控制中心對各區(qū)域控制模塊進行調度。本地控制中心還將這些參數通過以太網發(fā)送至遠程監(jiān)控終端處，在終端上遠程監(jiān)控隧道的環(huán)境參數。

1 系統(tǒng)總體結構

系統(tǒng)的總體結構如圖1所示。系統(tǒng)主要包括區(qū)域控制部分、本地控制中心和遠程監(jiān)控終端。

安裝在隧道中的區(qū)域控制部分采用CAN總線分布式數據采集控制方式。當系統(tǒng)啟動后，各環(huán)境參數監(jiān)測點開始采集環(huán)境參數，并在接收到發(fā)送數據命令后將數據傳送至CAN總線。在區(qū)域控制模塊接收處理數據后會控制報警器等相關設備。

由于CAN總線協(xié)議不對節(jié)點進行地址編碼，而是采用對通信數據塊進行編碼的方式，這使得CAN總線上的節(jié)點數量理論上幾乎不受限制[2]。然而實際上，由于存在電氣特性上的限制，CAN總線上節(jié)點數量不宜超過100個。因此各個區(qū)域控制模塊與本地控制中心使用另一條CAN總線進行數據通信。區(qū)域控制模塊在采集到環(huán)境參數并做出控制動作后會將參數打包通過CAN總線發(fā)送至本地控制中心的工控機。本地控制中心如收到某個區(qū)域控制部分的報警信號，會根據報警信號類型對該區(qū)域控制部分前方的各區(qū)域控制部分做出控制，提前預警車輛隧道前方通行環(huán)境存在問題。

遠程控制終端通過客戶端的顯示程序顯示出由本地控制中心發(fā)送的隧道環(huán)境參數，并將參數保存在數據庫，以實現(xiàn)歷史數據的存儲。

2 系統(tǒng)硬件設計

整個系統(tǒng)硬件部分包括由區(qū)域控制模塊和各環(huán)境參數測量模塊組成的區(qū)域控制部分、本地控制中心的工控機以及監(jiān)控終端。其中關鍵部分為區(qū)域控制部分，本文將對這部分進行重點介紹。

區(qū)域控制模塊選用意法半導體公司的STM32F105RCT6為控制核心，它是采用ARM Cortex-M3為內核的32位高性能嵌入式微處理器。它集成了兩個CAN控制器,并為每個CAN控制器分配了256 B的SRAM，每個CAN控制器有三個發(fā)送郵箱和兩個接收FIFO[1]。模塊的其他外設包括用于CAN總線信號收發(fā)的CAN收發(fā)器，用于顯示當前環(huán)境參數的點陣液晶，用于實現(xiàn)基本控制功能的按鍵等。區(qū)域控制模塊的硬件框圖如圖2所示。

區(qū)域控制模塊中CAN總線接口電路由STM32F105RCT6中內置的CAN控制器和CAN收發(fā)器SN65HVD230D組成。STM32F105RCT6的PA11/CAN1_RX和PA12/CAN1_TX為CAN1控制器接口，將其與CAN收發(fā)器連接后接入與各測量模塊相連的CAN總線中；PB12/CAN2_RX和PB13/CAN2_TX為CAN2控制器接口，將其與CAN收發(fā)器連接后接入與其他區(qū)域控制部分及本地控制中心相連的CAN總線中。

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能見度測量模塊由能見度檢測儀和控制模塊組成。能見度檢測儀能將檢測到的能見度值通過RS232發(fā)送至控制模塊。當區(qū)域控制模塊向能見度測量模塊中的控制模塊請求數據時，控制模塊會使能見度檢測儀通過RS232向控制模塊發(fā)送數據，并轉換成CAN數據包發(fā)送至CAN總線。其他測量模塊工作模式與能見度測量模塊相同。