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地铁地下工地无线监控系统

一,项目背景 

随着城市化建设脚步的加快,城镇化在中国加速发展。随之而来的是城市人口的需要膨胀,这为城市的交通等领域带来了巨大的压力。于是地铁的兴起就成为了必然。 

地铁施工应用现场通常为地下施工工地,需要对地下工地中设备的工作压力进行检测并无线传出,采集终端无外部电源供给。接收端工控机位于地面之上,其工控机离可能最远采集终端三百多米,每个工地现场的可能采集终端点能达到上百个。通常同时开工二十多个工地,因此,也考虑将每个工地上采集的数据,通过GPRS无线上传至远端服务器,便于客户随时随地的及时查阅、监管和控制。 

二,无线采集通信方案 

2.1 系统关键点

1.1 各个“采集通信终端”超低功耗设计:因现场工况所致,外部无法给该无线采集终端提供电源。

1.2 要求各个无线采集终端设备持续工作时间一次性长达5个月:因项目周期所致。

1.3 多层级组网:每个级别的网络类型、通讯交换、接口形态需要完全“无缝融合”。相比单一网络组建模式,其复杂度明显提高很多。 

2.2 智能无线系统简述

经分析,该整套系统对能耗部分要求很高,这也对整个系统的各个环节提出严格的要求:即需要全面采取低功耗的硬件设计方案,且同时底层软件系统进行自动“节能”设计和优化。因此,该无线采集通信系统的关键部位产品,从传感器到采集控制器、无线通信、工控软件、服务器端软件等根据现场工况,进行定制开发。  

三,无线采集通信系统方案 

3.1 该无线系统方案简述

该无线采集通信系统主要分硬体和软体两大部分组成。其中硬体部分由传感器、控制与无线通信系统、中继站、PC工控机、GPRS通信终端、服务器等部分构成。软体部分主要由“压力监检系统”(运行于工控机上)和远程监控系统(运行于远程服务器端,供Web方式查阅)。 

该方案分两个阶段实施:第一阶段为“工地监控无线化”,第二节阶段为“远程监控无线化”。 

第一阶段-工地监控无线化:无线采集终端CT5410组成无线局域网,通过485每间隔15分钟(参数可调整)定时读取压力传感器数据,并及时上报到中继路由器后,整套采集终端系统进入休眠状态,直至下个采集周期唤醒开始工作,周而复始。 

无线采集端由锂电池供电,为了尽可能节省功耗,从硬件系统到软件系统均需进行专业的设计,同时配合降低采集频率(即定时≥15分钟),以及CT5410自动控制传感器的电源,即跟随采用频率,同步工作与休眠:当CT5410休眠时,关闭其电源;当CT5410工作时,再打开传感器电源。 

每个中继路由器可以下挂50个左右的无线终端采集设备,内部组成其星型网状结构。当工地规模比较大时,需要采集的终端数量开始增多,则需要扩充中继路由器。当然每个中继路由器内部仍然采取星型网状结构,但各子自网络信道频率需分开,以避免相互干扰和影响。此时,多个中继路由器采用链型网站结构,通过485总线将数据上传至工控机端,并定制开发专业软件进行解析。因是多层级网络,此时特别需要注意相互之间的接口无缝衔接,不同通讯类型和协议模式的融合,尤其是避免数据的相互串扰。 

第二阶段-远程监控无线化:当第一个阶段实现了单独工地的监控无线后,在此基础之上,进入远程监控无线化阶段,这为多个工地的监控管理提供便捷。这个阶段主要就是通过GPRS无线网络构建,通过上海宸特产品 CT76B2 系列GPRS产品,即可有效组建远程无线网络,将数据上传至服务器端,服务器端安装定制开发的监控软件,以便客户任意时间和任意地方均可登录查阅、监控、管理,从而实现远程高效监控管理模式。方案实施简易图详见后面。 

3.2 该无线系统方案简易框图(上海宸特科技制,图示1-1)

 

地铁地下工地无线数据采集终端 

3.3 电源部分 

从地铁现场施工工地的实际应用需求出发,考虑到电池容量、尺寸、价格等因素,并结合目前市场现状和当前电源行业的技术水准等综合因素考虑,相比较于镍铬电池、蓄铅电池、铅晶电池等,我们建议选择“锂电池”。 

锂电池容量:12AH (选择的重要参数依据指标) 

一,系统主要指标 

l  传感器:电流为20~40mA 

l  无线采集通信系统:电流70~160mA 

l  工作频率:间隔15分钟,采样一次5~10秒 

l  系统工作时间:≤5个月 

二,电源主要指标 

l  功率因素:≥80% 

l  自放电率:≤3%/Month 

l  工作湿度:≤85%RH 

l  平均电压:≥6V 

l  电池尺寸:110*68*38MM(不含外壳,各厂家大小略有区别) 

3.4 系统部分 

本系统的核心关键点在于低功耗设计,从而使得系统“无源”工作存在可能。从目前上海宸特科技综合评估的情况来看,软硬件方面的技术难点和重点均可实现。

l  定制无线采集终端系统:采用超低功耗ARM嵌入式系统实现,该硬件系统不仅功耗非常低,且当系统处于休眠状态时,仅有3~5uA,几乎功耗为零。为了实现更好的节能,同时结合软件采取“节能环保”设计方案,并且可以自动控制传感器的电源系统,以便降低整个系统的功耗。通过实际计算新系统从原来工作时的450mA最低可降至70mA,从而可以选择更小的锂电池容量,或者说相同容量规格的锂电池,可运行更长的时间。

l  传感器系统:基于传感器系统的技术规格参数进行评估,即供电电压:6~12V DC;电流:≤30mA;传感器系统启动时间:≤5秒(最好2~3秒以内)。即传感器整套系统自身肯定存在功耗损失,这个参数便于精确计算整个系统的全部实际能耗。(注:如果考虑采集控制系统直接提供给传感器系统恒定的 5V 电压,也是完全可以的,这样可以降低不必要的功耗损失,5个月周期,节省下来还是非常可观的。)

l  网络构建:各个子网络采用“星型网状结构”,各个中继路由器之间采用“链型网状结构”,各个工控机(即各工地)之间采用“对等网状结构”。各层级网络的无缝链接融合以及防串扰等问题,由软硬结合实现解决。

l  定制应用软件系统两套:第一套,本地工控机定制开发应用软件系统,建立数据库,并开放相应的接口;第二套,GPRS网络的服务器端定制开发监控软件系统,便于远程监控查阅。可分阶段逐步实施。

l  结构:防水防尘,完全适合地下现场。

 

 
 
 
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