高速公路机电设备人机可视化通信网管系统设计

0.引言

本文以广西荔玉公路隧道项目为平台，在不影响原有平台的功能和管理需求基础上，结合当前运营管理单位日常巡检的工作繁琐程度，设计了系统的基本架构，从根本上提高巡检效率，降低维护的难度及成本。

1.广西荔玉公路隧道业务分析

广西荔玉公路隧道管理系统有如下几个问题：首先，交换机设备有多个品牌，存在多种协议无法统一，而且机电设备接入故障反馈路径很多也很杂，归类处理不够完善，对故障的许多状态信息，如位置、时间、故障原因等都没有做详细备案。其次，在线外场监控设备的网络状态无法实时监测，在高速公路机电设备维护管理中频繁地出现拖延的现象，而且缺乏合适的系统对机电设备的运行状态及修检质量进行评价检测。同时，机电设备维护管理非常不方便，维护系统的运营效率不高。针对这些问题，提出了用信息化的技术来完成高速公路中部分机电设备的检查、诊断、维修、报修、质量检验等各个环节的信息化处理，在多协议共存的情况下进行网络环境的侦测和预警。要求结合当前运营管理单位日常巡检的工作繁琐程度，设计系统的基本架构，从根本上提高巡检效率，降低维护的难度及成本。具体需求如下：

（1）显示通行、限速、禁止通行等电子图型实时控制；

（2）所测路面温度在零度以下，大气湿度在一定设定值以上时自动将限速标定；

（3）根据车道指示器常规限速进行显示；

（4）有需要维护和检修时，可以根据原来设定的时间或指令把指定的车道做封闭处理，人工就地或通过远程复位恢复；

（５）隧道内发生火灾或者其他事故时可通过管理中心发出指令来关闭指定车道人工现场或远程复位恢复；

（6）隧道智能车道指示器可实时向远程主机反馈工作状态。

2.系统架构设计

系统设计的原则为：

（1）可靠性。高速机电设备在线状态监测系统，所有硬件设备和软件具有高度的可靠性和优良的性能。

（2）适用性。系统的功能设计应充分考虑到高速公路机电设备种类多、品牌多的特点，设计应该满足当前需求，也要结合未来新增设备的可能性，系统适应性要强，确保系统信息处理及时、准确、完整和传递的安全、可靠，提高工作效率的同时减少人为差错。

（3）开放性。系统在软件和硬件的选取上，应该更加开放，多种标准协议支持、多种接口协议支持等。

（4）安全性。系统设计应该充分考虑安全及保密性，通过系统多级保护设计、数据存储权限的设置等手段，来提高系统的安全性。

（5）可操作性。系统简单易操作，中文操作界面，通用规范的行业用语、管理和维护更简单。用户界面支持键盘和鼠标操作，操作简单方便。

2.1数据获取方式

车流量数据获取方式。车检的模块包含4个埋地线圈、2个前线圈和2个后线圈的摆放方式，车辆经过两个线圈时，随着线圈电感量的变化，车辆通过的各种状态信息都会被检测并传输给计算芯片供算法计算，计算得到的数据依托总线的方式上传。前线圈被车触发时，行车方向与车道号的数据就会被车检器检测到；车辆检测器在车辆离开线圈后会根据协议获得相应的车长、车辆类型、车速等数据。管理中心只需要根据车辆检测器发送到主线上的数据包并进行解析后，即可获得隧道口实时通过车辆的相关数据。

温湿度数据获取方式。在隧道出入口配多个车道指示器，此车道指示器具有环境温湿度检测单元。在经过一定的设置后，环境温湿度检测单元会按一定的频率向总线发送环境温湿度数据的数据包。现场管理主机通过解析收到的数据包，结合补偿修正的方式来得到接近真实环境的温湿度数值。路面温度检测单元采用一款低成本温度模块，功耗与体积较小，工作环境适应性强，对于非接触性的温度检测和发热物体表面温度检测非常适合。

2.2上位机系统组成

2.2.1设备状态监测服务器

设备状态监测服务器是该系统硬件最主要的一部分。在平台中将软件部署于该服务器中，相关数据保存于该服务器，能够有效地管理相关设备状态数据情况，用于辅助整个设备状态监测系统的运营和做出决策。

2.2.2设备状态监测软件

设备状态监测是该系统软件最主要的一部分，在平台作为系统的核心和大脑，主要完成与相关含有IP地址的设备通信（物理层与设备状态监测服务器网络连通）、判断设备的网络状态、数据的处理和存储、报表与趋势图处理、状态显示及信息推送等功能。

2.2.3信息推送系统

系统主动将相关设备的状态信息推送给指定人员，通过短信和智能App终端等功能进行推送，从而实现跨区域、跨网络，随时随地对设备状态监测的功能，及时、迅速地了解相关设备网络状态，提高系统的效率。

3.硬件的总体功能

3.1RS485模块的硬件设计

RS485通信是隧道系统常用的通信方式，本系统选择MAX485芯片来实现RS485总线的通信。在RS485通信网络中，节点中的串口控制器采用RX与TX信号线连接到收发器上，而收发器连接到网络总线是通过差分线的方式来实现，串口控制器与收发器之间一般使用TTL信号传输。发送数据的技术路线为：串口控制器的TX信号经过收发器后，转换成差分信号再传输到总线上，而接收数据则相反：收发器把总线上的差分信号转化成TTL信号，最后通过RX引脚传输到串口控制器中。

3.2CAN通信模块的硬件设计

CAN通信模块的设计是基于隧道有线通信的兼容性来考虑的，用来与车检器或者其他设备连接。CAN总线芯片本身就已经规范了物理层和链路传输层的协议。CAN通信原理是通过对总线电平的改变完成消息数据的收发。CAN通信是由CAN控制器与CAN收发器合作完成，STM32F103VE本身内部有集成了CAN控制器，只需在STM32外围增加CAN收发器电路的设计即可。CANH与CANL是CAN通信查分数据信号线，TXD与RXD引脚接STM32F103VE的串口引脚。C1、C2是可选择安装的元器件，主要用于提高电路的EMI性能。

3.32.4Ｇ无线传输模块的硬件设计

2.4Ｇ无线传输在芯片上选择的是NRF24L01，NORDIC生产的无线收发芯片。发射功率最大能达到20dBm，距离可达到2000m，自带稳压电路，内建LNA，自带金属屏蔽罩。从性能上看，最高工作速率为2Mbps，抗干扰能力强。内置硬件CRC错检，通信地址控制NRF24L01与STM32通过SPI总线通信，SPI数据输入输出引脚分别为MOSI及MISO，SPI总线时钟引脚为SCK，模块控制使能引脚为CE，片选为CSN，模块中断信号输出为IRQ。

3.4总线协议制定

所有设备采用RS485通信作为整个隧道的通信协议。RS485组网功能比较强大。MODBUS协议也被广泛应用在工业控制网络中。MODBUS采用的是一种基于主从模式的串行清晰数据协议。MODBUS设主站和从站，主站通过发出包含从站唯一地址的命令来询问测量设备。MODBUS因为可以通过串行线路使用，因此所有从站都将接收命令／询问，具有命令中所含地址的从站才会响应。ASCII、RTU、TCP规约都属于MODBUS协议通信规约。在通信数据量不大的情况下采用ASCII规约，在通信数据量较大的情况下多采用RTU规约，在需要通过网络利用MODBUS传输数据时采用TCP规约。通信协议分为硬件层和软件层，在整个系统中有多个设备进行通信时，就需要自身去规定通信的软件层协议。由高4位的设备类型码（固定地址）和低4位的设备编号码（可变地址）组成一个完整的地址位，即为一个字节。

作者：李燊

本文刊发于《中国高新科技》杂志2020年第22期