张燕　王博　刘来

关键词：HOLTEK单片机；智能；管理；安全风险

中图分类号： TP311 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2023）03-0093-04

1 引言

国家政策接连提出“智慧交通”政策，打造智慧交通强国，隧道智能建设属于智慧交通建设行业的一部分，也是政策推动型产业，政府对智慧交通的投入是推动行业发展的重要因素，“十三五”“十四五”规划中，都有说明智慧交通对现在国家经济发展重要性，加快构建交通科技创新体系，有效提升交通运输数字化、网络化、智能化水平成为重要需求。在交通隧道方面，高速、山区的公路隧道不断增多，在隧道快速发展的同时，隧道内发生事故概率也不断增加。而且隧道发生事故时，若隧道管理部门无法及时处理就会造成二次伤害。提高我国公路隧道的安全，环境监控，运营管理便捷成为迫切需要解决的问题[1-2]。

现有的大多数隧道附属设备包括避车洞、消防设施、应急通讯和防排水设施，长的隧道还有专门的通风和照明设备，但是没有专业的检测设备，不能提前预警事故的发生；隧道机电系统存在感知滞后，报警准确度低，体现不了应急救援业务高时效性需求；缺乏数据分析研判、缺乏突发状况智能化的处理能力，仅仅依靠人工操作，应急处理慢；各子系统单一、自成体系，多源数据不共享，缺乏全局设施设备联动；交通管控信息不能快速通达驾驶者，影响司乘安全、正确采取行动；在当前公路隧道管理中，各管理部门之间管理分散，部门之间分工不同，因此在实际工作中任务相对独立，相互之间缺乏统一的指挥调度体系，要对实际数据及实时数据进行统计分析，难度大、运营数据整理成本高，不利于提升管理水平[3-4]。

2 设计特点

1） 景观隧道。在隧道内，铺设视觉景观，以地域风光、人文风情、城市文化为原色，与自然环境相协调，打造特色人文隧道景观，构造“车从隧道过、人在画中行”的风景线，使其成为最具特色的城市名片，同时还能降低过往乘客的视觉疲劳。

2） 采用多种传感器设备。通过MQ-2烟雾传感器，超声波传感器，一氧化碳传感器等主要传感器采集相关数据至合泰单片机，再将此数据通过通信模块上传至隧道云平台，让监控管理人员实时查看隧道内各种数据情况，第一时间监控隧道，以此减少隧道内安全隐患；同时通过红外对管检测模块来检测过往车辆并计数，通过车辆进出隧道时间范围内进行计数，当在一定时间内出隧道和进隧道车辆计数值增大则拥堵，计数值在一定范围内则畅通，以此判断隧道内是否拥堵，以此方便了隧道管理人员管理；隧道内较低洼处安装水位检测传感器，通过多个水位传感器，采集隧道内的水位情况，并将采集到的数据传输到云平台，并求取多个传感器采集的数据平均值，当采集到的数据异常并将启动报警装置，将信号传输给云平台上，供隧道管理员查看与管理[5]。

3） 采用了“互联网+”物联网网络通讯技术，真正实现了隧道监控的集约化、网络化远程管理，远程监测控制；管理人员能够迅速、直观地根据云平台显示的隧道内情况进行指挥救援，满足隧道及隧道群管理的一体化、及时性需求，而且隧道内还有紧急求助按鈕，过往乘客能够触发按钮通过单片机的通信模块与隧道管理人员远程联系，解决紧急需求，坚持了以人为本的发展观。

4） 采用LCD 显示屏。通过不同传感器采集数据，与云平台设定的各个数值的安全值域相比较，将比较结果显示在LCD显示屏上，而且还能将过往乘客在隧道内触发紧急求助按钮的需求显示在LCD 显示屏上，求助现场人员的帮助，以最快方式解决问题；同时能够在白天或者夜晚提醒过往车辆隧道内一氧化碳浓度，氧气浓度，火灾及水位情况，安全和拥堵情况，同时还能在隧道内发现危险的情况下，提醒马上进入隧道的车辆，避免隧道内二次伤害。

5） 智能灯光控制功能。通过光敏电阻采集光信号，在隧道内采用多个点进行采集光电值，同时求平均值判断光的强弱，同时将数据上传至云平台，云平台通过对数据进行分析，从而通过改变灯的PWM的占空比，改变的亮度，直到接收端和发送端的光电平均值一致时，便不再调节PWM的占空比，从而实现自动调节的效果。

6） 可视化，便捷化管理。隧道智能环境管控系统界面可视化，直观显示各类设备的工作状态，也可直接找到相应设备进行操作，例如：通过单片机的通信模块现场与隧道内触发紧急求助按钮的人远程交流。以此实现可视化，便捷化管理。

7） 采用多晶硅太阳能电池作为后备能源。其透光性好，成本低：主体是采用钢化玻璃制作而成，能够达到91%以上的透光率，甚至在强光条件下可以达到100%的透光率，是目前首选的一种电池板材料。当隧道内因各种原因导致停电时，多晶硅太阳能板就能短暂供给整体单片机及各个设备的电源供应。实现整套系统持续工作。

8） 声光报警功能。当隧道内发生险情时，声光报警器就会被自动开启，并且会发出强烈的声光报警信号，从而实现提醒现场人员注意，谨慎行驶的目的。直至管理员处理完隧道事故过后，方可关闭声光报警器。

3 总体设计

3.1 工作原理

如图1 所示：隧道智能环境控制系统采用HT32F52352芯片为主要控制元件，该系统主要由烟雾、火焰、一氧化碳等传感器，红外对管传感器，灯光设备，光敏电阻，倾斜仪，LCD显示屏，通信模块，监测中心等核心部件组成，各种传感器实时检测环境的各种数据上传到云平台并展示到隧道显示屏上，当某项数值触发安全条件或最大值时，系统将自动做出相应的设定命令。隧道管理人员可在云平台查看每天的实时数据，历史操作，当前设备状态等，也可以通过云平台对设备下达各种指令，如打开灯光、打开风扇等操作。通过系统能够对隧道进行便捷地查看和管理，极大地降低了隧道安全事故的发生概率。

3.2 功能

1） 紧急报警救助功能

在隧道内每隔一百米设置紧急报警救助按钮，当过往的车辆需要紧急救助时，可触发紧急报警救助按钮，单片机就会紧急报警求助的消息上传至云平台，同时将紧急求助的消息显示在隧道入口的LCD屏幕上，提醒现场中是否有人可以提供帮助。

2） 隧道拥堵检测功能

在隧道进出口分别放置红外对管传感器，由HT32F52352单片机接收由红外对管传感器采集到的数据来进行判断，通过车辆进出隧道时间范围内进行计数，当在一定时间内出隧道和进隧道车辆计数值增大则拥堵，计数值在一定范围内则畅通。当拥堵时，隧道外LCD屏提示隧道内拥堵，同时单片机将拥堵的信息上传至云平台，便于隧道管理人员监控与管理。

3） 烟雾报警控制功能

通过烟雾传感器，分段采集数据，并将采集的数据通过HT单片机传至通信模块发送到云平台，实现实时监控，当烟雾传感器被触发，将会将数据发送云平台，云平台分析数据是否触发报警条件，当结果触发报警条件时，将结果红色显示的云平台界面上。

4） 智能灯光控制功能

通过光敏电阻采集光信号，在隧道内采用多个点进行采集光电值，同时求平均值判断光的强弱，同时将数据上传至单片机，单片机通过对数据进行分析，从而通过改变灯的PWM 的占空比，改变的亮度，直到接收端和发送端的光电平均值一致时，便不再调节PWM 的占空比，从而实现自动调节的效果，同时达到节约用电的作用。

5） 隧道空气检测功能

通过烟雾传感器和一氧化碳传感器，采集隧道内的CO浓度和氧气浓度，并将采集到的数据求取平均值，同时将数据传输到云平台，当一氧化碳浓过高或氧气浓度过低将会触发报警装置，同时系统自动开启隧道内排风扇，将有害气体排除在隧道外，同时加快气体流通的速度。

6） 烟雾排气控制功能

通过烟雾传感器，分段采集数据，当云平台触发报警条件时，同时将会启动隧道内的大马力排风扇及时将气体排除在隧道外，减少气体对人的身体造成伤害。

7） 火焰检测功能

通过火焰传感器检测火焰，当传感器检测到火焰时，系统自动鸣叫，同时上传至监测中心并在LCD显示屏上提醒过往乘客隧道内禁止通行。

8） 隧道水位检测功能

通过多个水位传感器，采集隧道内的水位情况，并将采集到的数据传输到云平台，并求取多个传感器采集的数据平均值，当采集到的数据异常并将启动报警装置，将信号传输给云平台上，供隧道管理员查看与管理。

9） 变形监测功能

通过导轮式固定测斜仪来监测隧道围岩的倾斜状态，通过超声测距仪来监测隧道围岩内部是否变形，通过裂缝计来监测隧道表面的裂缝开合度。通过三个设备来监测隧道的变形，对后期的隧道运维有着非常大的作用。

10） LCD屏显示功能。

通过传感器采集的数据至单片机处理，再上传至隧道云平台，同时将上传数值与云平台设定的数值比较，将结果显示在LCD显示屏上，提醒过路车辆隧道内一氧化碳浓度，氧气浓度，火灾及水位情况。

11） 景观隧道功能。

在隧道内，铺设视觉景观，以地域风光、人文风情、城市文化为原色，与自然环境相协调，打造特色人文隧道景观，构造“车从隧道过、人在画中行”的风景线，使其成为最具特色的城市名片，同时还能降低过往乘客的视觉疲劳。同时还可以在隧道内架设广告，改变隧道单一的盈利模式。

3.3 硬件设计

隧道智能环境管控系统采用HT32F52352单片机作为主控芯片进行设计。主要通过控制系统控制传感系统和其他设备的检测给单片机输入信号。

单片机再对采集到的数据进行分析处理，然后输出相应的控制信号给传感系统、其他设备。

3.3.1 控制系统

单片机HT32F52352：控制其余硬件，实现基础逻辑。

通信模块由4G模块构成，通过4G模块实现单片机与监控中心之間远程的通信。同时能与阿里云物联网平台进行通信。

3.3.2 传感系统

烟雾传感器：用于监测隧道内烟雾的浓度。

水位传感器：用于检测隧道内的水位信号。

二氧化碳传感器：用于监测隧道内的浓度。

一氧化碳传感器：用于监测隧道内一氧化碳的浓度。

火焰传感器：用于探测火源或其他一些波长在700 纳米～1000 纳米范围内的热源实现火灾防范。

红外对管传感器：红外对管检测模块用于检测过往车辆并计数。

固定测斜仪：监测隧道围岩内部是否变形，通过裂缝计来监测隧道表面的裂缝开合度。

光敏电阻：检测隧道内外的环境光信号。

3.3.3 其他设备

LCD显示屏：用于显示隧道内各种情况，提醒过往车辆。

多晶硅太阳能电池：备用电源，用于隧道内因各种原因导致停电时，短暂供给整体单片机及各个设备的电源供应。

紧急报警求助按钮：用于隧道内需要紧急求助的人触发按钮与云平台的隧道管理人员联系。

3.4 软件部分

采用嵌入式软件设计，主要是通过对各类传感器输入和监测，完成其控制功能。设备上电后，各类传感器将采集到的值传给单片机，经程序判断处理，完成对各个设备的控制。软件控制流程简图如图2 所示。

4 测试方法和步骤

1） 连接好系统与各个模块，接通电源，开始调试

2） 操作过程

（1） 打开单片机后，检查单片机是否有零件脱落。

（2） 把各个硬件连接起来，运用程序点亮各个硬件。

（3） 测试车辆通过模拟隧道时，红外对管是否能够感应到，其他传感器设备是否正常运行。

（4） 实时监测室内的环境，数据上传至隧道平台，在平台上观察数据。

3） 测试结果

通过系统测试后的结果表明：系统的各个模块运行正常。

当车辆通过模拟隧道：红外对管检测到数量，达到一定数值时且并未被隧道出口感应到，LED显示屏会提示隧道内处于拥堵情况。

当烟雾传感器检测的浓度达到超过设定数值，系统会自动启动风扇排除烟雾。

当火焰传感器检测到隧道发生火情，系统蜂鸣器会自动报警，显示屏会显示隧道内发生火情，并立刻上报至监控中心。

当水位传感器检测到水位超过设定值，会自动将水情上报至监控中心同时，蜂鸣器响起。

当一氧化碳和二氧化碳传感器检测到隧道内各数值超过设定数值，会在显示屏上显示并加大风扇的转速。

当光敏电阻模块检测到隧道内光强低于外界光照时，会加强LED灯亮度。

当紧急求助按钮被触发时，系统将求助信息显示在显示屏上，并上传至监控中心求助。

基于HOLTEK单片机的隧道智能环境管控系统研制成功。

5 结束语

随着信息技术的发展，隧道智能环境管控模式将成为提升隧道管控的重要手段，通过提升隧道智能环境的发展速度，可以显著增强交通运输基础设施的整体能力，人们需要积极地创新和完善交通运输生产形式和服务形式，改进交通发展方式，指导其他行业的发展，使其保持一个良好的发展状态。为了更好地满足行车安全、提高行车效率、保护行车安全、构建和谐行车环境的运营管理以及满足服务需要，建设数字化、综合化、智能化的公路隧道信息系统势在必行[6]。