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2017届优秀毕业论文(六)

作者: 时间:2018-09-12 点击数:

长大隧道长明灯节能系统设计与实现

物联网工程   201311118   徐辉

指导教师   赵庶旭(教授)

 随着中国铁路和高铁的迅速发展,铁路在交通运输业中占有很大一部分比例。但是在多山地丘陵的中国,修建铁路需要修隧道架高桥。为保证隧道中车辆行驶的安全性以及方便铁路的维护与巡视,众多铁路隧道内的照明设施被人们逐渐重视起来。但是目前隧道中用于列车通行和作业照明的长明灯存在严重的电力资源浪费问题。本课题结合了目前铁路隧道照明系统的现状,通过传感器技术,单片机技术,无线通信技术等对隧道中的长明灯实现多元化控制,最大限度的节约了电力资源并且提高了火车在隧道内行驶的安全性。

关键词:铁路隧道,节能,单片机

1 引言

长大隧道中的照明设施是列车安全行驶的保障,但是这些照明设施由于人工控制不及时往往都是像长明灯一样,无论有车还是没车都处于工作状态,虽然保证了列车行驶安全和铁路工作人员对隧道的巡视与维护,但是存在了十分严重的电力资源浪费的问题。由于隧道众多,现阶段主要的节能方法是从灯的角度出发,大部分隧道都换成了较为节能的L斗牛D灯,虽然较之前相比的确相对节约了电力资源,但是仍然还存在浪费。从对照明设施的控制角度来看,目前,铁路隧道照明控制方式主要是人为手动控制[1-2]这种控制方式的主要问题是控制方式落后,使得隧道内的基础设施所发挥的作用有限,不能及时对隧道里的照明设施进行有效控制,造成了严重的电力资源浪费,提高了铁路运营的成本。因此,目前的长大隧道长明灯节能控制系统还不够完善,系统的整体设计还需要进一步改进。

2  系统分析

系统总体功能模块设计框架如下图2.1所示

2.1  系统总体功能需求图

智能化长大隧道长明灯节能控制系统是一个较为复杂的控制系统,它在保证列车安全运行的前提下,要求实现灯光亮灭的自动控制、人工控制和远程控制等功能以此达到安全、节能的目的。并且要通过上位机实时了解隧道内的各种情况,因此在设计上要有以下功能:

1自动控制:主要设置有来去车检测模块,通过在隧道出入口安装合理的传感器,实现对隧道长明灯进行自动控制。

2人工控制:这个功能主要是为了实现工作人员对隧道的维修、巡检、维护等作业。

3远程控制:主要设置有无线通信模块,主要功能是能在调度中心对隧道中的长明灯进行远程控制,防止自动控制模块出现故障,从而可以及时打开或关闭隧道内的长明灯。

4上位机检测:利用LABVI斗牛W软件设计上位机检测模块儿,实时了解隧道内部情况,以免发生故障可以及时发现并做处理。主要监测点是隧道长明灯的状态以及是否有车是否有人等。

3 模块设计

本次设计所选用的基本芯片如下:

1微控制器为STC89C52[3]

2传感器[4]:自动控制模块为红外光电反射传感器

          人工控制模块为触摸传感器、RFID-RC522

3远程模块选用较为流行的zigbee无线串口收发,芯片为CC2530

4上位机编写选用LABVI斗牛W图形化编程软件,简单快捷。

3.1 自动控制模块设计

         

3.1 自动控制模块工作流程                             3.2  自动控制模块接线图

本模块根据需求分析主要实现方法是在隧道的入口和出口分别安装红外光电反射传感器。入口端主要实现来车检测及长明灯点亮,出口端主要实现去车检测及熄灭长明灯,从而达到自动控制的目的。其工作流程如图3.1所示,简单的模块接线图如图3.2所示(单片机引脚接线由程序定义)。

3.2 人工控制模块设计

本模块的工作流程图如下图3.3所示,当铁路工作人员对隧道进行维护、巡检、检修等作业的时候,只有持有RFID-RC522模块可以识别的S50卡进行刷卡,才能通过1路电容式触摸开关传感器对隧道长明灯灯组进行控制。而非持有S50卡片的人是没有权利控制隧道内长明灯灯组的,这样设计提高了安全性,照明设施分组控制,也极大的提高了节能性。模块与单片机之间的接线图,如下图3.4所示:

      3.3 人工控制模块工作流程图                               3.4 人工控制模块接线图

3.3 远程无线控制模块设计

本模块的工作流程:下位机端各传感器将检测到的信息通过无线串口实时发送给上位机,上位机通过串口接收到隧道数据信息,对隧道长明灯的状态进行监控,通过自动控制模块的红外光电反射传感器对隧道是否有车进行检测;通过RFID模块是否读卡来判断是否有人以及通过电平信号来判断长明灯的状态。图4.1还有两个开关对隧道长明灯灯组进行控制,上位机端可通过这两个按钮对隧道内长明灯灯组进行点亮或者熄灭,以达到远程控制的目的。模块接线图如下图3.5所示:

3.5  远程控制模块接线图

4  硬件测试

4.1 上位机端

上位机主要的功能是实时监测硬件隧道模型的,并向硬件模型发送控制信息。其设计是通过图形化编程软件LabVI斗牛W[5](图形化编程软件)进行编写。与其他语言不同的是,其编程界面都是图形化界面,用其产生的程序都是框图形式,看上去比其他语言编写的简洁易懂,更加直观。它的前台界面还包含了很多类似于温度计、示波器等控件,通过后台程序框图对这些控件进行控制,后台的程序框图就是代码,也叫作图形化代码。本次设计的程序前台主界面如下图4.1所示,界面左上角有一个时间显示,左下角是一些基本的串口参数设置;界面右边是主控制区,上面三个灯分别监控如图所示的三种状态,下面是从上位机端对下位机端长明灯的控制按钮。

4.1  上位机端主界面

4.2 下位机端

如下图4.2所示,根据图中的编号,①②是自动控制模块的两个红外光电反射传感器;③④是模拟隧道照明设施的灯组,分别是灯组一灯组二;RFID近场通讯授权模块;是蜂鸣器,刷卡授权时会触发;为核心控制器,STC89C52为两个一路电容式触摸传感器,用于人工控制灯组;为无线通信模块CC2530,用于远程无线通信;为电源模块,给整个硬件电路供电。

4.2  硬件实物模型

4.3 模拟测试

当用手掌遮挡入口红外光电反射传感器模拟火车进入隧道时,模拟灯组会依次点亮,上位机端就会显示隧道内有车辆经过并且可以监测到长明灯被点亮。当遮挡出口红外光电反射传感器模拟火车驶出隧道时,模拟灯组会熄灭,上位机同样会显示车离开并且显示长明灯处于熄灭状态;当用s50卡对RFID模块进行刷卡授权时,上位机端会显示隧道内有人,此时就可以操作触摸开关来控制灯组;远程控制灯组的开关在上位机上,如上图4.1所示,主控制区的下端有两个灯组开关就是远程控制图4.2③④两个灯组的,当分别打开灯组一灯组二的开关,下位机端③④会分别点亮,同时上位机端也会监测到长明灯处于点亮状态。同理,关闭两个灯组,也会检测到关闭状态。

5  

本次设计在完成基本功能的基础之上,对设计大整体也有所改进,比如在人工控制模块,为了提高安全性,我加入了RFID授权模块,只有通过刷卡授权的人才能对控制长明灯的开关进行操作;原有的机械式按键开关换成了更加灵敏的电容式触摸开关,人为操作更加流畅;在远程控制的上位机端,不仅能远程对隧道内长明灯进行控制。而且还实现了对隧道状况的实时监测,更加保障了火车隧道行驶的安全性。当然本次设计也存在一些缺点,自动控制模块所选用的红外光电反射传感器在强光和夜晚的灵敏度不理想。无线远程控制模块所选用的无线串口芯片CC2530点对点传输距离有限等需要后期选用更加合理的模块进行改进。

参考文献

[1] 张耀威.隧道照明节能装置研究与应用[J].南宁南宁铁路局科学技术研究所,200477-79.

[2] 张树国.铁路隧道照明自动控制系统研究[J].神华准能大准铁路公司,2016:145-148.

[3] 蔡振江.单片机原理及应用[M].电子工业出版社.2011-08.

[4] 王德洪 孙松.传感器技术在现代智能汽车中的应用[J].湖北,武汉:武汉铁路职业技术学院,2003:30-32.

[5] 李世红.基于LabVI斗牛W和单片机的温度监测系统设计[J].浙江温州:温州科技职业学院,201436-39.

Design of 斗牛nergy Saving System for Light of Tunnel

Internet of Things   201311118   Xu Hui

Instractor   Zhao Shuxu(Professor)

AbstractWith the rapid development of China's railway and high-speed rail, the railway occupies a large proportion of the transportation industry.But in the mountains of China, Construction of the railway need to repair the tunnel and the bridge.In order to ensure the safety of vehicles in the tunnel and to facilitate the maintenance and inspection of the railway, many railway tunnels within the lighting facilities have been gradually taken seriously.However, there is a serious waste of power resources in the long lights used in the tunnel for train traffic and operating lighting.This topic combines the current status of the railway tunnel lighting system, through the sensor technology, single-chip technology, wireless communication technology, such as the eternal lights in the tunnel to achieve diversified control,The maximum savings in power resources and improve the safety of the train in the tunnel.

Key words:railway tunnel, 斗牛nergy saving, Microcontrollers

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