基于ZigBee的隧道通风自动控制系统

引言

近年来，随着我国交通基础建设规模的逐步扩大，公路隧道在公路建设中的地位愈来愈显示出重要作用，良好的隧道施工作业环境是保证隧道工程质量、提高施工效率、维护施工者身心健康、实现工厂化施工的重要条件。隧道的作业环境[1]主要指：光（亮度）；气（空气质量）；尘（粉尘）；声（噪声）；电（杂散电流）；水（湿度、涌水）。如何保证洞内整个作业环境能够控制在标准作业及环境之下，是当前发展和改善施工技术的一个重要出发点。因此，本文提出了一种全新的隧道施工过程中作业环境的检测与通风系统，基于ZigBee无线传感网络的隧道施工过程中的环境检测系统，将ZigBee技术与隧道施工过程中的环境检测技术融合在一起，充分利用的ZigBee技术的特点[2]：低功耗、成本低、时延短、网络容量大、可靠、自组网、安全。不仅扩大了监测系统的覆盖范围，而且避免的因布设线路带来的不便，避免了对检测人员的潜在危害。

1系统架构

隧道的通风自动控制系统由两大部分组成，分别为隧道环境监测系统和通风控制系统。隧道环境监测系统由各种气体传感器、风速传感器、ZigBee节点（包括ZigBee从节点、ZigBee中继节点和ZigBee汇总节点）、上位机等设备组成。通风机控制系统由上位机、通风机、通风管道、PLC和变频器等设备组成。传感器定期对隧道内的环境进行数据采集，将所采集的数据发送给ZigBee从节点，ZigBee从节点将所得到的数据通过ZigBee中继节点发送给ZigBee汇节点，汇节点将所得数据传送给上位机，上位机将数据进行分析之后，将相对应的指令数据传送给PLC，PLC将对应的指令传送给变频器，通过变频器最终对风机转速进行控制。系统结构如图1所示。

1.1硬件设计

本系统给出了环境检测节点的硬件设计和通风自动控制系统的硬件设计。环境检测节点的硬件设计主要包括无线发送节点的设计、传感器采集节点的设计和电源模块的设计；通风自动控制系统的硬件设计主要包括PLC和变频器的选型、系统的电气连接。

(1)环境监测节点的设计

隧道内检测节点的原理框图如图2所示。环境检测节点以CC2430为核心，由传感器模块、电源模块、调试接口和无线通信模块组成。无线通信模块以CC2430完结简单的外围电路组成。传感器模块通常有CO传感器、温湿度传感器、氧气传感器、粉尘传感器等。本系统选用日本费加罗公司的TGS5042一氧化碳传感器来进行测试，其他传感器同样可以进行工作。

(2)风机自动控制系统的设计

隧道施工通风控制系统由PLC、变频器、交流电机、风速传感器组成一个闭环控制系统。如图3所示。

其中，环境检测节点检测隧道的环境，将检测到的环境数据，经过A/D转换模块之后传给ZigBee节点，ZigBee节点将传感器采集的数据进行加权平均，得到隧道掌子面的一氧化碳浓度，PLC将得到的一氧化碳浓度和预设的一氧化碳极限值进行比较、判断，最后得到一个对应频率的电压值(0〜10V)，由PLC的扩展模块EM235将该电压值传给变频器的模拟量输入端，由变频器输出所得频率的电流给交流电机，最后实现对风机的变频调速。

1.2软件设计

本文给出了ZigBee节点的软件和风机控制部分的软件实现。ZigBee节点的软件实现，分别为采集节点、中继节点和汇节点的软件实现；通风自动控制部分的软件实现，主要包括PLC的软件流程图。

ZigBee节点软件实现

ZigBee节点软件部分主要包括四个部分，即TinyOS系统的启动顺序、采集节点的程序设计、中继节点的程序设计、汇节点的程序设计。

主程序流程图

主程序的流程图如图4所示。主程序用来控制风机的启动、停止、子程序的调用、中断时间的设置和中断子程序的调用、一氧化碳浓度超限报警、风机故障报警、变频器故障报警等功能。PLC主程序在执行时，先判断风机是否可以正常开启，若风机不能正常启动，则调用子程序1进行风机检修。若风机正常开启则调用子程序0检查PLC模拟量扩展模块EM235是否正常，若EM235有错误，则主程序结束，直到连接正常之后再重新启动主程序。若EM235连接正常，则检查变频器是否正常，若变频器不正常，则开启变频器故障报警，并进行检修；若变频器正常，则设定中断时间，本系统中设定的中断定时时间为300s，即5min进行一次风机转速的调节。若CO浓度超限则CO浓度报警灯开启，并执行子程序2。若CO浓度在正常范围，则变频器输出相应的频率对风机转速进行控制。最后，PLC主程序结束。

2系统测试

在上位机用VC6.0编写了监控界面，分别对一氧化碳和温度、湿度进行实时监测。显示当前测量的并进行保存，根据保存的测量值画出历史数据曲线图。监控界面如图5所示。本系统的主要测试内容如下：

（1）依次开启一氧化碳传感器、温湿度传感器，观察新开启的传感器节点能否正常加入观已有的无线传感网络。观察一段时间，看是否正常工作，然后再观察上位机界面所显示的温度值、湿度值是否正常。其结果如图6所示。

（2）改变所测环境的一氧化碳浓度，观察上位机界面的 一氧化碳浓度值是否变化，当一氧化碳浓度值超过极限浓度 100时，危险灯是否正常亮起。其结果如图7所示。

图7 一氧化碳浓度变化图

（3）改变所测环境的温度，观察上位机界面的温度值是 否变化，当温度值超过极限温度30。。时，危险灯是否正常亮起。 其温度变化结果如图8所示。

图8温度变化图

（4）改变所测环境的湿度，观察上位机界面的湿度值是 否变化，当湿度值超过极限湿度60时，危险灯是否正常亮起。 其湿度变化结果如图9所示。

当系统检测危险灯亮时，就会输出一个控制信号，控制变频器的输出频率，由变频器控制风机转速，从而控制室内环境状况，如当环境温度过高时，风机在转动，此次隧道模型采用实验室的隧道机电模型进行模拟。

通过观察发现，整个系统运行良好，上位机监控界面可以正常地观察到传感器采集到的数据，并且当数据超过预设的极限值时，危险报警灯会亮起，进行提示。可以随时在已有的无线网络当中加入新的节点，满足了隧道施工过程当中，无线传感网络动态变化的要求，系统满足可以满足隧道施工过程当中实时、准确的监控要求。

3 结 语

本文提出了一种新型的基于无线传感网络的隧道施工通风自动控制系统。研究了隧道施工过程中需要检测环境指标，需要检测氧气浓度、有害气体。9 研究了无线传感网络的结构，具体研究了 ZigBee 技术并叙述了 ZigBee 的实现方案。完成了无线传感网络平台的搭建，完成了传感器采集节点、中继 / 转发节点、汇节点的软件设计，在无线传感器网络平台的基础上，实现了传感器数据的采集。在无线传感器网络平台的基础上，对传感器网络数据传输的稳健型进行了验证，并完成上位机监控界面的制作，验证了该系统数据传输具有稳健性。

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