文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.08.027
中文引用格式： 姚仲敏，何昫，翟菲菲. 地鐵車庫恒溫集控系統設計[J].電子技術應用，2016，42(8)：109-111，120.
英文引用格式： Yao Zhongmin，He Xu，Zhai Feifei. Design of constant temperature centralized control system for underground garage[J].Application of Electronic Technique，2016，42(8)：109-111，120.
0 引言
地鐵作為一種安全、快捷、高效、環保的交通工具，已成為許多大城市解決交通問題的首要選擇[1，2]。目前地鐵已成為我國城市公共交通的重要方式，并逐漸成為城市現代化建設的重要符號。我國有40余個城市正在進行地鐵的建設和規劃，到2020年，我國城市地鐵里程將達到近6 000 km[1]。
目前，地鐵車庫的供暖主要采用燃氣輻射供暖和散熱器+暖風機供暖兩種主要的供暖方式[3，4]。地鐵車庫供暖常用的恒溫控制方法是在每臺供暖設備設置獨立的控制端進行溫度控制，隨著運營時間的增長，可能會出現各種各樣的問題，需要員工定期對采暖設備和線纜故障進行逐一排檢來保證其運行安全。由于車庫場地大，所以巡查困難，每臺供暖設備的溫度控制端都需要人員專門去開關和設定，具體的溫度需要現場測量和記錄，耗費大量的人力物力。
本文針對燃氣輻射供暖方式，基于STM32和CAN總線技術，設計了一種既可單臺運行也可多臺聯合群控運行的恒溫集控系統，以實現對地鐵供熱設備的集中監控、獨立設置、自動運行、節點擴展、功耗檢測和故障保護預警等功能。
1 地鐵車庫恒溫集控系統結構
地鐵車庫恒溫集控系統由PC客戶端、信息集控器、溫控器和溫度采集器等四部分組成。PC客戶端實現對車庫供暖系統分區管理、溫度上下限設定、實時數據和預警信息的顯示。信息集控器實現多節點溫度和溫控信息的收發。溫度采集器與溫控器之間、溫控器與信息集控器之間均使用CAN總線通信[5，6]。信息集控器和PC客戶端之間的通信采用TCP/IP協議。地鐵車庫恒溫集控系統網絡拓撲如圖1所示。
圖1 地鐵車庫恒溫集控系統網絡拓撲圖
系統啟動時首先通過溫控器設定燃氣輻射供暖設備的啟動溫度下限、關閉溫度上限和供暖設備功率，當被供暖廠房溫度低于設定溫度下限時，溫控器開啟燃氣輻射供暖設備；當環境溫度高于溫控器設定的溫度上線時，燃氣輻射供暖設備停止運行。
2 硬件設計
2.1 溫度采集器設計
溫度采集器的溫度采集芯片采用工業級的TMP75芯片。TMP75溫度輸出采用I2C數字接口，工作溫度范圍為-40 ℃～+125 ℃，工作電壓為2.7 V～5.5 V，分辨率最高可設為0.062 5 ℃。CAN收發器采用具有電鍍隔離的ISO1050芯片，ISO1050傳輸速率可達1 Mb/s，具有2500 VRMS隔離。電源模塊采用TPS62175同步降壓DC-DC轉換器，具有4.75 V～28 V寬工作輸入電壓，可提供500 mA的輸出電流。TPS62175第5引腳FB可設定芯片輸出電壓，依據公式R1=R2(Vout/Vref-1)和常用電阻阻值表，并為降低功耗和保證FB引腳的輸入電流大于5 ?滋A，選擇編程電阻V1=787 kΩ、R2=150 kΩ和FB參考電壓Vref=800 mV，編程后的輸出電壓Vout=5 V。微控制器采用STM32F103RBT6，它具有20 KB SRAM、128 KB Flash、72 MHz主頻以及I2C等多種接口，可以滿足μC/OS－II的運行要求。I2C接口外接傳感器TMP75，CAN接口外接ISO1050收發器。溫度采集器的結構框圖如圖2所示。
圖2 溫度采集器的結構框圖
在溫度采集器和溫控器上各設置一個120 Ω終端匹配電阻以減少回波反射，在CAN總線接口終端處添加SM712ESD靜電保護二極管，增加浪涌防護能力[7]。
2.2 溫控器設計
溫控器主要完成接收傳感器發送的溫度數據、監控燃氣輻射供暖設備運作以及與信息集控器數據交互等功能。溫控器主芯片采用STM32F207VET6微控制器。該芯片為LQFP100封裝，主頻120 MHz，具有2路CAN接口、24通道12 bit ADC、2通道12 bit D/A、132 KB SRAM和1 MB Flash Memory。CAN總線接口的1路接口接溫度采集器總線，另1路接信息集控器總線。功率檢測電路是2路最大檢測功率為4 000 W、輸出0 V～3.3 V的模擬信號電路，其電流互感器TA1420-04額定輸入電流20 A、輸出電流5 mA，用IC法獲得前級采樣電壓，通過LM358組成的全波精密整流電路和濾波電路獲得直流輸出電壓信號。人機交互鍵盤為5獨立按鍵鍵盤，顯示器采用工業級LCD1602顯示器；電路設計采用外部I2C串行接口存儲器AT24C02，可保證溫控器運行配置信息斷電不丟失；溫控器采用ISO1050CAN收發器和B0505S-1W隔離電源，可以降低車庫中機車運行時對恒溫集控系統的干擾，增加系統的穩定性。溫控器結構框圖如圖3所示。
圖3 溫控器結構框圖
2.3 信息集控器設計
信息集控器的硬件電路采用成熟模塊設計。信息集控器可以管理8個以上的類以及64個以上的節點設備，根據設計要求，本系統中一臺信息集控器最多管理16臺溫控器。信息集控器有1路10/100 M以太網接口，1路全速USB2.0接口，一個SD卡槽，2路CAN總線接口，1個7寸TFTLCD液晶觸摸屏。溫控器可以隨時接入信息集控器的CAN總線網絡，并被信息集控器指定標識ID。
3 軟件設計
3.1 溫度采集器從站軟件設計
恒溫集控系統采用CAN2.0A標準，數據幀由7段組成，仲裁段有11位標識符[6]。依據CAN報文標準幀數據結構，編寫發送一幀數據幀函數。
根據意法半導體提供的驅動庫編寫溫度采集器收發數據的程序。溫度采集器采用μC/OS－II嵌入式操作系統，該系統是一個基于優先級調度的搶占式的實時內核，并在這個內核之上提供最基本的系統服務，如信號量、郵箱、消息隊列、內存管理、中斷管理等[8]。運用該系統創建3個任務：任務1發送CAN總線消息；任務2接收CAN總線消息；任務3讀取溫度信息并發送給主機。系統任務創建流程如圖4所示，溫度讀取發送任務流程如圖5所示。
圖4 從站系統任務創建流程
圖5 溫度讀取和發送流程
3.2 溫控器CAN主站軟件設計
每個溫控器只偵聽過濾3個標準幀ID標識符：標識符A用來偵聽廣播信息，標識符B用來建立和信息集控器間的通信，標識符C備用。每臺設備接收的廣播幀過濾器的設置固定統一。
溫控器是在μC/OS－II系統下運行的。系統開始創建6個任務，分別是CAN數據處理任務、CAN數據發送任務、按鍵處理任務、人機交互任務、功率檢測任務和LCD數據更新任務。CAN數據處理任務是核心任務，它的消息郵箱由CAN總線接收中斷函數發送。
溫控器系統任務程序創建流程如圖6所示，CAN數據處理任務程序流程如圖7所示。
圖6 溫控器系統任務創建程序流程
圖7 CAN數據處理任務程序流程
3.3 信息集控器軟件設計
信息集控器通過廣播幀為每臺入網的溫控器設備分配唯一ID過濾標識符。信息集控器軟件主要對PC發送的數據和溫控器發送的數據進行處理。PC發送的信息為更改溫控器的配置信息和請求更新數據信息。信息集控器轉發配置信息至每臺注冊過的溫控器，并接收梳理每臺溫控器發送的實時控制信息，然后再把整理好的信息轉發給PC。
信息集控器系統軟件在運行時主要處理8個系統任務和1個硬件中斷任務。μC/OS CORE開啟后系統主要任務運行流程如圖8所示。
圖8 主要任務運行流程
3.4 上位機軟件設計
基于Visual Studio 2012設計了上位機軟件，即地鐵車庫恒溫集控系統監控軟件。上位機軟件可以實現對車庫供暖系統分區管理，每個溫控器監控設備開啟溫度或停止溫度的上下限溫度限制設定，風機的運行狀態監測、能耗統計、故障報警和保護，具有實時數據和預警信息的多重顯示方式，可拓展檢測其他功能傳感器數據（本系統增加了CO2傳感器數據）。該軟件還設計了和其他系統進行數據交互的接口。
圖9為地鐵車庫恒溫集控系統實時數據曲線圖?？v軸是溫度，量程從10 ℃～20 ℃；橫軸是時間軸。在本次測試中，溫度上限設置為18 ℃，下限設置為15 ℃。設定帶方塊的曲線為曲線A，帶三角的曲線為曲線B。曲線A是辦公區域的燃氣輻射供暖設備運作產生的溫度監控曲線，曲線B是由大廳的燃氣輻射供暖設備運作產生的溫度監控曲線。辦公區域的熱源相對復雜，有大功率電熱暖氣，大廳的熱源相對單一，但是兩個區間可通過玻璃門聯通。燃氣輻射供暖設備是9點開啟，軟件監控至16點45分。從圖中可以看出，這兩個區域的溫度比較穩定地控制在15 ℃～18 ℃范圍內。
圖9 地鐵車庫恒溫集控系統實時數據曲線圖
4 結論
本文針對燃氣輻射供暖系統的供暖方式，基于STM32和CAN總線設計了一種新型的地鐵車庫恒溫集控系統。實驗測試結果表明：溫度采集器能夠準確地采集傳輸實時溫度，溫控器可以控制溫度在給定的溫差內波動，信息集控器可以實時處理來自PC和溫控器的信息，PC軟件可以獨立或批量管理設置溫控器運行狀態，實現了對地鐵供熱設備的集中監控、獨立設置、自動運行、節點擴展、功耗檢測和故障保護預警等功能，具有很好的實時性和穩定性。本套系統適用于機車車庫、大面積的廠房等使用燃氣輻射供暖系統供暖的場所。系統中所有的數據都為數字信息，增強了系統的可擴展性和兼容性。
參考文獻
[1] 何川，封坤，方勇．盾構法修建地鐵隧道的技術現狀與展望[J]．西南交通大學學報，2015，50(1)：97-109．
[2] 顧岷．我國城市軌道交通發展現狀與展望[J]．城市軌道交通，2011(10)：53-56．
[3] 楊秀娟．高大空間地鐵車庫供暖方式分析[J]．中國新技術新產品，2012(7)：187.
[4] 孟磊，霍苗苗，宗立明，等．地源熱泵技術在地鐵車庫內使用的可行性研究[A]．中國土木工程學會．中國城市軌道交通關鍵技術論壇文集——高水平地建設城市軌道交通[C]．北京：中國科學技術出版社，2013：320-322．
[5] 張坤鰲．基于CAN總線的高壓變頻系統的應用研究[J].儀表技術與傳感器，2015(10)：82-84.
[6] 萬曉鳳，張燕飛，余運俊，等.基于嵌入式的純電動汽車CAN總線通信及實現[J].計算機測量與控制，2013，21(10)：2795-2798.
[7] GALAL S，RAZAVI B.Broadband ESD protection circuits in CMOS technology[J].IEEE Journal of Solid-State Circuits，2003，38(12)：2334-2340.
[8] 田明，徐平，黃國輝，等.基于STM32和μC/OS-Ⅱ的USB數據采集系統[J].機電工程，2012，9(4)：482-485.