轨道交通隧道运行环境自动检测系统设计

绪论1.1研究背景及意义随着我国轨道交通建设的发展，隧道作为轨道交通线路的重要组成部分，隧道内的环境安全稳定性将会影响着整个轨道交通线路运营的安全和乘客的生命财产安全。隧道内环境多变、温湿度浮动、有害气体、噪声等潜在危险因素，过高的温度会导致轨道结构不稳，处于恶劣天气条件下，温度过高会导致轨道老化严重，有害气体泄漏可能导致爆炸等事故发生，所以隧道内环境必须保持安全状态。实时监控隧道内的运行环境是保障轨道交通线路交通安全运营的保证，传统的人工检测效率低、检测不及时、准确度高等问题，不能满足现代轨道交通线路隧道内环境实时准确检测，人工检测在隧道的日常运行中存在很大的工作压力，且因环境的多样性可能导致无法及时发现存在的安全隐患，因此开发一种高效、可靠的隧道内环境自动检测系统对隧道内环境实时、连续检测，对环境异常情况及时反馈，保障隧道的运营安全。系统的深入研究与设计具有如下的现实意义：轨道交通隧道运行环境自动检测系统的研究能为隧道智能监控管控提供支撑，且通过实时准确采集分析隧道环境参数能够及时发现安全隐患、缩短事故预防周期，并确保列车行车安全与旅客生命财产安全，还可以为轨道交通安全运营管理提供科学数据基础，助力运营部门优化资源分配、提高管理效率、降低维护成本，为轨道交通智慧化发展提供技术支撑。1.2国内外研究现状国内外有关轨道交通隧道监测研究多采用多技术结合、智能化发展，主要涉及形变监测、环境监测、结构健康监测和安全预警监测等方面。国内学者在监测技术应用与系统集成方面成果显著，在形变监测方面，聂柳等REF_Ref2492\r\h[1]采用SBAS-InSAR技术结合几何配准与增强谱分集方法，有效提高了数据在时间采样上的分辨率和精度；季美等REF_Ref2537\r\h[2]基于ZigBee和GPRS开发气体监测系统，实现CO2浓度实时预警。环境监测领域，贾蕾REF_Ref2560\r\h[3]构建了基于远程通信的自动化监测体系，提升了地铁隧道监测的标准化水平；金彪REF_Ref2661\r\h[4]对地铁隧道结构稳定性自动化监测系统进行了分析研究；王玺REF_Ref2717\r\h[5]设计的振动无线监测系统中，采用KY-038声级计模块与振动传感器结合，通过LabVIEW平台实现噪声与振动数据的同步采集、频域分析（如FFT变换），预警减振轨道性能衰减；无线传感网络技术广泛应用，如王恩鸿等REF_Ref2756\r\h[6]采用无线多节点采集环境信息，每个节点布置一台数据接收器，收集所有节点数据并且处理显示，数据中心处理器由STM32芯片进行控制，通过单独采集到的数据进行集中运算处理；曹喜珠REF_Ref2779\r\h[7]改进LEACH-D路由协议提升能耗均衡性，设计了将WSN低功耗802.15.4设备(工作在433MHz频段)和802.11WiFi设备(工作在2.4GHz频段)结合起来的新型系统，实现了一个能自动监测温湿度、PM2.5、PM10、CO、甲醛等环境信息的智能化系统，用户既可在本地监测亦可远程监测，当各数据超过阈值时通知相应部门采取解决措施，能实现对无人值守处环境的实时监测；陈镱REF_Ref2808\r\h[8]融合433MHz与2.4GHz频段增强传输可靠性，他开发的实时环境监测系统中，集成声级计与433MHz无线传输模块，实现无人值守隧道的噪声实时上传与超标报警，结合GIS地图展示噪声分布。结构健康监测方面，杨健等REF_Ref2939\r\h[9]利用光纤光栅技术建立信息化系统，张振海REF_Ref2959\r\h[10]结合ZigBee与GPRS实现多参数监测。近年来，深度学习技术被引入环境感知，如陆京龙等REF_Ref4347\r\h[11]则整合图像识别与多传感器实现隧道病害自动化检测，Mask-R-CNN网络REF_Ref4389\r\h[12]的改进使障碍物识别准确率达95.56%，徐赞REF_Ref4409\r\h[13]的噪声监测系统中，多节点同步采集噪声数据，通过时间对齐算法实现声场分布动态重建，其实现了对列车内噪声的实时监测，具有采样周期短、数据精确度高、数据丢失率和延迟率低等优势。国外轨道交通隧道监测研究现状主要集中在自动化监测技术、无线传感技术、激光扫描技术和物联网技术的应用与发展。自动化监测系统方面，如英国伦敦地铁采用ZigBee无线传感网络技术进行隧道安全健康监测；日本和加拿大则开发了基于360°旋转机械臂的半自动化隧道衬砌全景摄像系统，提升了巡检效率。无线传感技术在国外得到了广泛应用，剑桥大学尝试将无线传感网络应用于伦敦地铁隧道监测，并验证了其可行性；日本也利用无线射频技术提高了隧道监测效率。激光扫描技术在隧道监测中占据重要地位。激光扫描技术在隧道监测中占据重要地位，例如瑞士TCA2003全站仪被用于实时监测地铁隧道结构和轨道变形，而基于移动激光扫描的隧道监测系统能够实现高精度的位移和截面变形分析。物联网技术在隧道监测中的应用日益成熟，基于物联网的自动化监测系统集成了高精度传感器和数据分析平台，实现了对隧道结构位移、裂缝、温湿度等参数的实时监测。国内侧重技术集成，融合工程应用，采用低成本无线通信、嵌入式系统等组网监测技术；国外在新型传感器技术、数据融合技术等底层技术发展超前。未来应加强多源数据融合、边缘计算、人工智能技术等的应用创新，向高精度智能化监测体系迈进。1.3主要研究内容本研究聚焦轨道交通隧道运行环境智能化监测需求，设计并实现基于STC15W4K32S4单片机的多参数自动化检测系统，构建以单片机为核心的硬件架构，集成DHT11温湿度传感器、MQ-4甲烷传感器及KY-038噪声传感器模块，通过多通道数据采集实现隧道环境温湿度、甲烷浓度及噪声强度的实时检测。研究声光报警与OLED显示的人机交互方案，设计符合要求的报警逻辑，通过无线通信模块实现监测数据远程传输，优化系统低功耗控制策略，利用STC15的休眠模式降低能耗，提升设备在无持续供电场景下的续航能力以及搭建实验平台验证系统性能，研究成果为轨道交通隧道安全运维提供了高效、低成本的智能化解决方案。2系统总体结构设计2.1功能需求分析设计并实现一套基于STC15W4K32S4控制器的轨道交通隧道环境自动检测系统，实时监测温湿度、有害气体浓度及噪声强度，具备多数据采集及处理、远程传输及人机交互与超限报警功能，满足轨道交通隧道环境的可靠性、稳定性及抗干扰需求。基于STC15W4K32S4单片机设计，面向轨道交通隧道环境监测需求，通过集成DHT11、MQ-4及KY-038传感器实现多参数实时采集，结合OLED液晶屏动态显示数据（支持K1按键切换“实时模式→阈值设置”界面）与K2/K3按键调节四类参数阈值（温度/湿度/气体/噪声），当检测值超限时触发蜂鸣器和LED报警，并通过UART串口上传数据至远程平台，预留接口扩展能力，形成集高精度监测、实时报警、远程通信与模块化扩展于一体的隧道环境安全保障系统。数据流向示意图如图1所示。图1数据流向示意图2.2系统总体设计方案系统采用“终端-节点”的星型拓扑结构，其中控制中心作为数据汇聚节点，通过WiFi通信网络与多个检测节点（节点1至节点n）建立无线连接。每个检测节点由传感器模块、单片机和WiFi模块构成标准化单元，传感器模块负责采集环境参数（如温湿度/气体浓度），单片机进行本地数据处理和阈值判断，最终通过内置WiFi模块将预处理数据上传至控制中心。所有节点共享同一无线网络频段，采用时分或频分多址技术避免通信冲突，控制中心通过轮询或事件触发机制协调各节点数据传输。这种模块化设计既保证单个节点的独立性（任一节点故障不影响系统整体运行），又通过统一的通信协议实现数据标准化集成，最终在控制中心形成完整的隧道环境态势感知。多节点环境参数检测系统结构图如图2所示。图2多节点环境参数检测系统结构图本系统总体设计方案采用模块式的设计思路，通过有效的数据采集、数据处理、数据传输和报警实现对隧道环境的实时安全监测，系统总体设计由5个模块组成：电源模块、主控模块、传感器模块、显示报警模块、通信模块，各个模块功能明确，通过合理有效的电路设计及通信协议合理地完成数据传输，从而实现对隧道环境的实时监测。在设计过程中，电源模块是系统的核心支撑，其作用涵盖了能量供给、稳定性保障、安全防护等，直接影响监测数据的可靠性、设备寿命及运维成本，通过精准供电、抗干扰设计与能效优化，不仅保障了温湿度、气体浓度、噪声等参数的实时采集与传输，更通过安全机制与环境适应性设计，使系统能够在隧道复杂工况下稳定运行，为轨道交通智能化监测提供底层支撑。主控模块是整个系统的大脑，负责各个模块的协调工作，主控芯片STC15W4K32S4是整个系统的大脑，接收传感模块发送过来的环境数据信息，负责与显示与报警模块、远程通信模块进行信息的交换处理，在有效控制方法的指导下，实现多个任务的同时执行，控制所有模块协调工作，通过串口与其他外接通信模块实现无线数据传输，可以进行信息交换，将准确及时的数据信息传输给远程监控平台或存储器。传感器模块是整个系统的感知模块，将温湿度传感器DHT11、可燃气体传感器MQ-4、噪声传感器KY-038集成到一起，负责对隧道环境参数的实时采集，分别对隧道中的温度、湿度、可燃气体的浓度、噪声进行监测，温湿度传感器DHT11将监测到的数字信号数据直接发送给主控模块，可燃气体传感器与噪声传感器采集到的信号都经过模数转换器转换成数字信息，发送给主控模块。传感器模块使用精确度较高的传感器，并对传感器的信号进行滤波校正以提高数据的准确性和实时性，该模块能够保证系统对隧道险情实时响应，为防治事故，应急处理提供依据。显示屏、报警模块是系统与人的交互界面，当监测数据到达设定阈值时，蜂鸣器和LED灯会产生声光报警，同时OLED屏幕会显示当前监测的各项数据，报警的实时性和准确性关乎隧道的险情，该模块能够在100ms内做出反应，保证在最短的时间内使异常情况引起工作人员的注意，显示模块支持翻页切换功能以及阈值设定调整功能，工作人员通过操作设备按键可以实时调整温湿度、气体浓度、噪声阈值等参数，能较好地适应不同环境。通信模块是数据发送的关键，系统采用Wi-Fi模块(ESP-01S)，该模块以ESP8266芯片为主，可以可靠地将数据无线传输，可通过QtTT协议将数据发送到远程监控平台。通信模块考虑隧道环境的复杂性，通信的可靠性问题，在数据采集后，将无线信号稳定、实时地传输到上位机系统。通信模块可完成远程传输数据的功能，支持远程对设备进行调试和设定。通过以上四大模块的有机结合，可以实现系统中的实时监测报警、数据远程传输、系统调节等功能，通过各个模块的有机搭配，使系统各功能模块任务明确，高效运行，同时系统扩展性较好，系统可以根据需要对各个模块进行功能扩展、优化，从而满足更多轨道交通隧道环境监控系统功能使用需求。系统框图如图3所示。图3系统架构图该系统的工作流程REF_Ref12664\r\h[18]如下：首先，用户通过按键设定一个标准值，其次，传感器会采集隧道运行环境的温湿度、可燃气体和噪声数据，这些数据被送入单片机进行处理，最终单片机输出相应的温度和湿度数值，若数据超出系统设定阈值，报警模块会发出声光报警，OLED显示屏显示数值，ESP8266模块进行无线数据通信。2.3各模块硬件选型2.3.1主控选型选用主控模块时应结合系统要求、主控性能与其他部件的兼容等，主控是整个系统的大脑，为了确保整个系统工作稳定和高效，主控芯片的选择是重中之重，主控的处理速度和运算能力决定了整个系统的性能，主控模块选型时应分析系统计算要求以及系统是否需要性能强大的处理器，如果需要处理大量数据或者是算法繁复，其运算能力要求必须符合，满足运算输入的速度和反应能力。在选型主控芯片的过程中，考虑了多个因素主要着眼于系统的性能需求和工作环境的特殊性，方案一选用了传统的8051单片机，这种单片机具有较低的工作频率和较小的存储容量，无法有效地应对隧道环境监测系统中的高速数据处理需求，在处理多个传感器的数据时，8051单片机可能会遇到性能瓶颈，无法保证实时响应，8051单片机的外设功能，如AD转换和EEPROM，需要额外的扩展芯片，进一步增加了硬件和软件的复杂性，传统8051单片机在高干扰环境中的稳定性也不太行，在需要长时间运行的复杂系统中，这使得其不适合隧道监控系统中的应用。方案二选择了STC15W4K32S4单片机，能够满足隧道环境监测系统对高速数据处理的需求，STC15W4K32S4具备更丰富的外设资源，包括更多的I/O端口、PWM、ADC等，这对于连接多个传感器（如DHT11温湿度传感器、MQ-4气体传感器和KY-038噪声传感器）、OLED显示屏、声光报警模块以及无线通信模块至关重要，这款芯片的存储容量较大，内置32KB的Flash和2KB的RAM，能够支持复杂程序的存储和运行，STC15W4K32S4还支持ISP/IAP功能，便于程序的更新和调试，极大地方便了开发工作。STC15W4K32S4单片机支持低功耗模式，适合隧道环境中的长时间运行，能够有效地降低系统的能耗，延长系统的使用寿命，在抗干扰性能上，STC15W4K32S4单片机表现较好，能够在复杂的电磁环境中稳定工作，适应隧道内部的工作条件。STC15W4K32S4单片机在性能、扩展性、功耗、抗干扰性等方面都具备显著优势，完全能够满足隧道环境监测系统的需求，较高的处理能力和丰富的外设资源使得该单片机成为主控芯片的最佳选择，为整个监测系统的稳定运行提供了坚实的基础。主控芯片实物图如图4所示。​图4STC15主控芯片实物图2.3.2传感器模块选型系统的设计要求能够准确实时地监测轨道交通隧道的环境参数，包括温湿度、有害气体浓度以及噪声强度等多个重要因素，在进行传感器选型时，必须综合考虑每个传感器的性能、成本、稳定性以及与系统主控芯片的兼容性。温湿度监测的核心传感器为DHT11，这款传感器采用了单总线通信方式，能够方便地与其他系统组件连接，DHT11具有较好的温湿度测量精度，温度误差为±2℃，湿度误差为±5%RH，其工作范围从0℃至50℃的温度范围和20%到90%的相对湿度范围，使其非常适合在隧道环境中使用，由于采用单总线协议，该传感器能与STC15W4K32S4单片机直接连接，减少了外部电路的复杂度，对于低功耗系统较好。温湿度传感器模块实物图如图5所示。温湿度传感器模块的引脚功能如表1-1所示。图5DHT11温湿度传感器模块实物图表1-1DHT11温湿度传感器模块引脚表PIN（引脚）名称说明1VCC供电引脚，3.3—5V2DATA温湿度数据数字信号输出3NC空置引脚4GND地线引脚，接电源负极为了应对隧道内可能存在的有害气体泄漏，系统选用了MQ-4甲烷气体传感器，这款传感器对甲烷等可燃气体有较高的灵敏度，能够检测到300ppm至10000ppm的气体浓度，精度高且响应迅速，MQ-4通过模拟信号输出，与STC15W4K32S4单片机的内置ADC模块进行数据交互，减少了外部处理芯片的需求，降低了系统的复杂度和成本，MQ-4传感器的应用对于预防火灾或爆炸等事故的发生至关重要，在隧道内甲烷气体的泄漏可能引发极为严重的安全事故。传感器模块实物图如图6所示。MQ-4传感器模块的引脚功能如表1-2所示。图6MQ-4传感器模块实物图表1-2MQ-4传感器模块引脚表PIN（引脚）名称说明1VCC电源正极，接直流电压（5V）2GND电源负极，接地3DO数字输出，当检测到的气体浓度超过预设阈值时输出低电平（0V），否则输出高电平（5V）4AO模拟输出，输出与气体浓度成正比的电压信号（0-5V）KY-038噪声传感器被选用来监测隧道中的噪声强度，该传感器能够在30dB到130dB的频段范围内准确捕捉噪声信号，并将其转化为电信号，通过主控芯片进行处理，这一设计考虑了隧道环境的复杂性，对机械振动和设备噪声的敏感性，能够提供准确的噪声数据，有助于监测设备的状态或及时发现异常。传感器模块实物图如图7所示。KY-038传感器模块的引脚功能如表1-3所示。图7KY-038传感器模块实物图表1-3KY-038传感器模块引脚表PIN（引脚）名称说明1VCC电源正极，接直流电压（5V）2GND电源负极，接地3DO数字输出，当检测到的声音强度超过预设阈值时输出低电平（0V），否则输出高电平（3.3/5V）4AO模拟输出，输出与声音强度成正比的电压信号（0-3.3/5V）2.3.3显示终端设备选型在轨道交通隧道环境监测系统的设计中，选择适当的显示终端设备至关重要，该系统的显示模块要实现数据输出功能，需要具备一定的输入功能，考虑到主控板的安装位置以及现场的实际需求，显示终端的选型显得尤为重要。在方案选择过程中，方案一考虑了LCD1602字符型液晶屏，显示屏实物图如图8所示，LCD1602是一款常见的字符型显示屏，广泛应用于需要显示简单文本信息的场景，显示容量为16列2行的字符，能够满足显示实时环境数据的基本需求，显示屏具有价格低廉和接口简单的优点，适合用于基本的数据显示和界面操作，LCD1602的显示内容相对有限，在需要显示较为复杂或多元化数据时，性能就显得有些不足，LCD1602的显示效果受视角和对比度的限制，功耗较高，不太适应一些对功耗要求较为严格的环境，尽管LCD1602在某些基础应用中具有较好的性价比，但在本系统中并不是最佳选择。图8LCD1602显示屏实物图为了提高系统的显示性能，方案二则选用了0.96寸OLED显示屏，OLED屏幕具有自发光特性，能够在无背光源的情况下提供高对比度的显示效果，显示图像清晰、色彩鲜艳，且具有较宽的视角，适合在各种环境下显示实时数据，OLED屏幕的另一大优势是响应速度快，实时显示变化频繁的数据，包括温湿度、气体浓度和噪声强度等环境参数的监控，0.96寸OLED屏幕的尺寸适中，适合在空间有限的设备中使用，内置的SSD1306驱动芯片，通过IIC协议与主控芯片连接，使得显示控制更加简便，OLED屏幕的功耗相对较低，适合长期运行的环境监控系统，在多次读写过程中，显示效果不会大幅度衰减使其在稳定性上具有优势。显示屏实物图如图9所示。图9OLED显示屏实物图2.3.4无线通信模块选型在此系统中，选用了ESP-01S作为无线通信模块，该模块基于ESP8266芯片，支持802.11b/g/n无线通信标准，广泛应用于物联网设备中，具有低功耗、高性能的特点，ESP-01S模块的设计使得其在无线网络连接方面表现出色，能够支持设备远程接入互联网，内置的Wi-Fi功能使得系统可以通过无线网络进行数据传输，对于隧道环境中布设无线通信网络尤为重要，通过串口与主控芯片连接，系统利用AT指令集控制模块，实现数据的上传和下载，该模块支持多种无线协议，能够灵活适应不同网络环境，确保数据能够稳定地传送至远程平台进行监控和管理。对于隧道环境中的信号干扰问题，ESP-01S模块也提供了可靠的解决方案，通过其高效的抗干扰设计，能够确保即使在复杂的电磁环境中，数据的传输质量依然保持稳定，ESP-01S模块支持低功耗工作模式，适合长时间运行，对于隧道监控系统的持续工作尤为重要，模块的功耗低，能够有效延长系统的使用寿命，减少维护频率。ESP-01S的参数如表1-4所示。表1-4ESP-01S参数表名称参数详细描述封装形式DIP-8直插模组尺寸24.7×14.4×11mm±0.2mmSPIFLASH8Mbit默认支持接口/UART/GPIO频谱范围2.4GHz2412~2484MHz天线形式板载板载PCB天线，增益2dBi供电范围3.3V3.0~3.6V，电流>500mA工作温度工业级-20℃~+85℃AT支持内置智能化处理可通过AT指令命令读取其中，ESP-01S模块安装集成简单，易与主控芯片等硬件模块连接，系统可进行远程数据传输及监测，智能化、可操作性强，模块兼容性强，与不同传感器、设备等可无缝接入，满足不同场合下的环境监测需求，ESP-01S无线通信模块具备低功耗、稳定性高、集成简便等特性，是隧道环境监控系统中的理想模块，满足高效传输需求，信号稳定性及抗干扰性强，可提高系统整体性能及可靠性。Wi-Fi技术REF_Ref2779\r\h[7]最早是为实现无线局域网的接入而进行的开发,是当前WLAN的主流技术标准，Wi-Fi的工作频段为2.4GHz，数据传输速率可达11Mbit/s,能够支持50~100m范围内互联网信号的接入。WIFI模块ESP-01S实物图如图10所示。图10WIFI模块ESP-01S实物图3系统硬件设计3.1系统总体设计在系统设计中，总体上系统设计的目标是为轨道交通隧道环境搭建一个实时、可靠的监测系统平台，系统设计围绕实时采集轨道交通隧道环境数据展开，对数据实时处理、预警、远程传输等，保证对轨道交通隧道内温度、湿度、气体浓度、噪声强度等环境数据采集实时、可靠，系统选用了STC15W4K32S4单片机作为系统主控芯片，通过模块化设计，将各个功能模块合理融合到一起，选用DHT11温湿度传感器、MQ-4甲烷气体传感器以及KY-038噪声传感器等模块，实现对系统高速采样，实时数据处理。显示模块使用0.96寸OLED显示屏，提高系统的实时响应能力，系统使用阈值实时调整模块，利用K1-K3键可以动态调整温湿度、气体浓度、噪声等报警阈值，整个系统采用低功耗运行模式。进一步优化系统智能化，系统设计无线通信模块ESP-01S通过无线通信模块Wi-Fi将数据上传至远程平台，实现隧道环境的远程监控，该模块具有Modbus协议，保证数据传输的高效性和稳定性。系统总体设计上，系统设计各个模块使用统一的通信协议进行数据传输，实现系统统一，便于后期进一步扩展升级，系统总体设计通过高效信息采集、实时预警、远程传输和智能控制，实现隧道安全运营的重要保障。系统总体设计结构图如图11所示。图11系统总体设计结构图3.2系统主要功能模块设计3.2.1DHT11温湿度检测模块设计在设计轨道交通隧道环境监测系统时，DHT11温湿度检测模块是其中的重要组成部分，DHT11传感器作为一款基础型温湿度传感器，具有较高的性价比和可靠性，非常适合用于隧道环境监控，模块采用了电阻式感湿元件和NTC热敏电阻作为其测量组件，能够分别准确测量温度和湿度，通过单总线协议进行数据通信，需要一根数据线即可与主控芯片进行通信，简化了硬件设计降低了系统复杂度，DHT11的温度测量范围从0℃到50℃，湿度测量范围从20%RH到90%RH，且温度测量的误差在±2℃以内，湿度测量误差为±5%RH，使得满足大多数隧道环境监测需求，工作电压范围为3.3V至5.5V，适用于多种不同的电源环境尤其在复杂的隧道环境中。模块的设计考虑到了隧道环境的特殊性，DHT11传感器在长期运行中表现出较高的稳定性和可靠性，能够长时间稳定工作。电路接线图如图12所示。图12DHT11温湿度传感器模块电路接线图DHT11温湿度检测模块的选型，基于其适应性强、成本效益高和稳定性好的特点，完全满足了轨道交通隧道运行环境监测的需求，能够提供温湿度的实时数据，能在各类复杂环境中保持良好的工作性能，为系统的其他模块提供准确的数据支持，进一步提升整个监测系统的实时性和可靠性。温湿度传感器接线图如图13所示。图13温湿度传感器接线图3.2.2MQ-4可燃气体检测模块设计MQ-4可燃气体检测模块在监测可燃气体方面起着至关重要的作用，该模块采用MQ-4传感器，具有对甲烷气体较高的灵敏度，能够有效检测气体浓度的变化。MQ-4传感器的检测范围很广，能够从低至300ppm的浓度开始工作，能够在浓度达到10,000ppm时依然有效，使得该模块能够在不同的环境下都能有效监测到有害气体的浓度变化，确保安全预警的及时性和准确性，传感器本身采用了半导体的敏感材料，这种材料的电阻会随着甲烷气体浓度的变化而变化，通过电阻变化，能够输出与气体浓度相关的信号。电路原理图如图14所示。图14MQ-4传感器模块电路原理图该模块以MQ-4气敏传感器作为检测主体，对甲烷、天然气等具有较好的敏感性，对其他几种有害气体也存在一定的敏感性，选择性较高，能较好检测出对应目标气体，避免其他气体的干扰。当检测环境中目标有害气体的浓度含量变化时，传感器的阻值也将发生变化，经过模块的电路转化，将阻值变化以电压信号的形式输出，便于与单片机等主控电路进行连接，即可实现对有害气体含量的检测，对有害气体浓度进行预警，工作电压通常在5V左右，功耗较低，稳定性高。具体使用时，通常与电子元器件共同使用，构成一个完整的检测系统，需要将其与微控制器的接口相连，读取传感器的输出电压信号，然后转化为浓度信号。该传感器用来检测空气中的甲烷或天然气浓度，做出相应处理或预警输出，成本低廉，便于使用，因此，目前广泛应用于家庭、工业检测、环境等，具有长期稳定性高、可靠性强的特点，能够在不同环境中工作，便于提高工作效率和准确性，在设计传感器模块时，应考虑到环境温湿度的影响，系统设计时还需要加装温湿度传感器，进行优化提高数据的准确性，一体化设置使得气体检测系统更加完善，能够满足更广泛的使用需求。有害气体传感器接线图如图15所示。图15可燃气体传感器接线图3.2.3KY-038噪声检测模块设计KY-038噪声检测模块使用高灵敏度的麦克风探头和信号处理电路，将环境中的声音信号转化成电信号，实现对噪声强度的检测，其工作原理是当声音信号进入麦克传感器，将声音信号转化为电信号，经信号处理线路进行信号处理，如信号放大、滤波处理，提高信号质量稳定性，准确反应噪声变化，灵敏度高，可有效针对低强度噪声的检测，在复杂环境下依旧保持稳定。电路原理图如图16所示。图16KY-038传感器模块电路原理图KY-038噪声探测模块，灵敏度的控制由需求侧主导，模块中电位器的灵敏度可按需求调整，从而适应不同环境的噪声，因为模块可以调整，能被更多的应用场景所适用，且数字输出接口输出信号可以方便与单片机或Arduino等芯片连接，将噪声信号传至模块控制系统，再进行信号的处理与分析。模块的适应性强，可以适用于更多不同设备的应用场景。KY-038噪声探测模块，体积小，功耗低，性价比高，适用于对噪声要求时间久、空间小的地方，模块超低功耗，不需要额外供电也可以使模块工作很长时间。此传感器模块设计较为稳定实用，能在较为恶劣的环境下工作，将噪声数据准确无误地反映出来，为噪声污染检测、噪声警报、环境监控等提供有效的帮助。噪声传感器接线图如图17所示。图17噪声传感器接线图3.2.4系统显示模块设计在设计系统显示模块时，采用了OLED显示屏来实现实时数据的输出，该模块的设计目的在于通过显示屏向用户展示温湿度、气体浓度、噪声等传感器采集到的环境数据，OLED1286412C显示模块是一款常用的OLED显示设备，分辨率为128×64，能够清晰地显示文字、图形等信息，模块通常采用SSD1309等驱动芯片，支持四线SPI/I2C通信接口，具有兼容性好、传输速度快的特点。OLED1286412C显示模块工作电压一般为3.3V或5V，适用于多种不同的电源环境，系统能够确保显示内容实时刷新，避免进程阻塞，确保系统的稳定性与响应速度。显示面板为OLED，具备自发光的特性，无需背光源，拥有高对比度、宽广视角、快速响应等优点，显示的色彩鲜艳，黑色深邃，图像效果出色，厚度薄，重量轻，在一些对空间和重量有要求的设备中也能很好地应用。在实际应用中，常被用于各类电子设备的信息显示，如智能仪表、小型手持设备、开发板项目等，为用户提供清晰直观的视觉显示界面。OLED显示模块接线图如图18所示。图18OLED显示模块接线图3.2.5系统报警模块设计系统的报警模块设计主要是以声光报警的形式提醒用户可能出现的非正常事件，及时做出报警处理，主要包括蜂鸣器和LED灯，能结合系统模块中的各模块综合报警，传感器模块(如温湿度传感器、有害气体传感器等)检测到非正常数据会启动报警模块，在检测到系统的非正常环境数据或系统接收到报警信号时，将电信号传递给报警模块，经蜂鸣器上驱动电路发出高响度的报警声，同时LED灯亮起，发出光信号，以声、光两种形式提醒用户。蜂鸣器的作用就是发出声音，蜂鸣器分贝数高，蜂鸣器可以穿越嘈杂的场所，在嘈杂的场所也能起到警铃的作用，起到警铃的作用，LED灯是通过频闪的方式对使用者进行警醒，更加提醒使用者，声音和光线的双重警醒，提高了警报率，增加了警报的稳定性和可靠性，使得蜂鸣器和LED灯的应用在不同环境下都能起到警示的作用，蜂鸣器报警模块具有结构简单和使用功率低的优点，所以在警铃模块中的应用比较适合，智能家居，工业生产环境，安全防护等使用场所，灵活方便，易安装，可与多种控制单元(例如，单片机)组合成一个安全监控系统。报警模块接线图如图19所示。图19报警模块接线图3.2.6系统通信模块设计 系统通信模块是整个设备中的核心模块，无线数据传输摆脱了设备有线的束缚，扩展了系统的自由度与扩展性，模块应用蓝牙、Wi-Fi、ZigBee、LoRa等无线通信方式，各有优势、各有弊端，各有适应领域，适应系统需求与使用场景，实现设备间稳定、高速的传输。蓝牙是短距离、低功耗的数据传输技术，适用于智能手环与手机之间的数据传输，蓝牙技术适合长期工作，电池寿命短，Wi-Fi传输速度快、覆盖范围较广，智能家居、无线监控等领域中运用广泛，将设备接入到网络中，便于设备与远端的设备服务器进行实时数据交互。ZigBee则具有自组网能力，支持大规模的节点部署，适用于构建覆盖广泛的物联网系统，在智能楼宇中，ZigBee能够实现复杂环境的实时监控和管理，LoRa技术有超远距离传输和低功耗的特点，适用于那些距离要求较高且对功耗有严格要求的场景，例如智慧农业中的传感器数据回传。WiFi因其高带宽、低延迟和优异的隧道覆盖能力，成为轨道交通隧道环境监测的首选通信方案，相较于ZigBee/LoRa等低功耗广域网技术，WiFi支持多传感器数据的实时同步传输，并能适应未来监控需求扩展；相比4G/5G，其在隧道环境中的部署成本更低且稳定性更佳；通过抗干扰技术优化，WiFi可确保环境异常数据的可靠传输。现有隧道WiFi基础设施的复用降低了部署难度，而稳定的供电条件也弥补了其功耗较高的短板，使其成为兼顾性能与成本的最优选择。电路原理图如图20所示。图20WIFI模块ESP-01S内部电路原理图在系统中，通信模块通过无线收发芯片和天线将数字信号转化为无线电磁波信号进行发射，接收端则通过逆向转换将无线信号恢复为数字数据，使得通信模块具备了高度的灵活性和便捷性，能够在没有有线连接的情况下，实现长距离的稳定传输，无线通信模块提升了设备的移动性，使得设备间的连接更加方便，易于扩展，是实现物联网和工业自动化等领域互联互通的基础设施之一。串口模拟输出模块接线图如图21所示。图21串口模拟输出模块接线图4系统软件设计4.1系统主程序流程图在系统主程序流程中，整个工作过程呈现出一个不断循环的模式，从启动到完成数据处理和输出，所有操作都遵循着严格的流程。系统启动后会初始化各个硬件模块，包括温湿度传感器模块、气体传感器模块、噪声传感器模块和显示屏等，系统通过这些传感器实时采集环境数据，数据在采集完成后，会通过主程序进行处理并更新到OLED显示屏上，让用户能够直观地查看当前环境数据，用户可以通过按键输入，设定报警阈值，进而影响报警条件，当传感器采集到的数据超过预设的阈值时，系统会自动触发报警系统，蜂鸣器发出警报声，LED灯会闪烁提醒，确保用户能够及时发现异常情况。过程是自动化的，确保系统的实时性和稳定性，所有这些操作都被组织成一个不断执行的循环，确保数据的及时采集、处理与展示，在流程中各个功能模块如采集、显示、报警和数据上传等是相互独立的，又通过主程序紧密配合，使整个系统能够高效稳定地运行。主程序流程图如图22所示。图22主程序流程图4.2定时数据采集模块程序设计在系统传感器模块的程序设计中，整个过程采用了一个线性流程与条件判断结合的架构，以确保多传感器的数据采集能够稳定、有效地进行，触发传感器采集的总控模块，模块会依次执行多个传感器的数据读取过程，是DHT11温湿度传感器的数据读取，通过单总线协议进行通信，若在读取过程中出现通信失败，系统会自动进行重试，确保数据的有效性，如果成功读取温湿度数据，系统会同步采集MQ-4气体传感器的模拟电压信号，通过ADC转换模块将其转换为甲烷浓度值，系统还会读取KY-038噪声传感器的数据，将其转化为分贝值，来自不同传感器的数据最终都会被集中存储，形成完整的环境参数数据集。整个流程以是否“单总线通信成功”作为条件判断语句，设置错误重试流程，确保每一个传感器均无数据采集异常，采取串行执行与硬件中断的方式确保多感知器协同实时性。传感器模块的程序设计顺序如图23所示。图23定时数据采集模块程序设计流程图4.3系统显示模块程序设计系统显示模块的程序设计采用了状态驱动机制，基于OLED显示屏的实时数据输出，设计首先从系统启动阶段开始，执行OLED屏幕的初始化配置，系统进入一个持续检测的主循环，循环的关键是监测display_flag标志位的状态，只有当该标志位处于有效状态时，系统才会根据当前的运行模式run_mode切换显示内容，如实时数据或系统阈值设置界面。显示模块的程序设计通过三层逻辑架构实现显示内容的动态切换，标志位检测机制确保了系统在适当时机更新显示内容，在标志位有效的情况下，系统会根据当前的运行模式选择显示不同的界面，系统可以展示实时环境监测数据，如温湿度、气体浓度和噪声强度等，或者切换到系统设置界面，让用户调整阈值设置，系统还采用了事件驱动机制来减少不必要的屏幕刷新，降低功耗，保持高效的显示响应。通过状态驱动的方式，显示模块确保了数据的准确显示，兼顾了低功耗特性，使得系统能够在长时间运行中保持稳定性。显示模块程序设计流程图如图24所示。图24显示模块程序设计流程图4.4中断服务程序设计本系统中断服务程序采用了定时器触发型响应机制，确保中断处理的高效性与简洁性，系统会通过定时器中断的触发来启动服务程序。系统首先完成中断使能配置和触发方式设置，随后主程序进入常规任务循环并等待中断触发，当中断事件发生时，处理器暂停当前任务，检测中断源并跳转至对应的中断服务程序，ISR执行过程中会先保护现场（保存关键寄存器状态），清除中断标志以避免重复触发，随后处理具体的中断任务（如数据采集或设备控制），最后恢复现场并执行RETI指令返回主程序。流程图中特别以定时器中断为例，展示了从触发检测到ISR执行完毕的完整闭环，体现了中断机制“保存-处理-恢复”的核心特征，确保主程序与中断任务能高效协同运行而不丢失系统状态。中断服务程序设计流程图如图25所示。图25中断服务程序设计流程图4.5数据上传模块程序设计本模块负责定时触发无线通信数据的发送，以确保环境数据的远程传输，系统在启动时完成串口初始化，随后进入一个循环检测模式，主要监控定时器变量，当定时器时间累积到一定数值（如100ms）时，触发数据采集周期，系统会从不同的传感器中获取相关数据，包括温湿度（DHT11传感器）、气体浓度（MQ-4传感器）、噪声数据（KY-038传感器），获取的数据会被格式化为标准的字符串形式，准备好发送。当数据准备好后，系统通过UART1串口接口发送数据，无线通信模块也会借助串口通信将数据发送出去，系统能够实现每隔一定时间就发送一次数据，确保环境监控数据的周期性更新和传输，在数据发送完成后，系统会清除定时器标志位，标志着本次数据传输的完成，准备好迎接下一次的数据采集和传输。采用“定时采集-打包-串口发送-中断配合”的设计方案，保证数据传输的周期性和稳定性，在低功耗的前提下允许后台定时采集、避免数据传输的浪费，检测硬件标志、与中断配合实时传输数据、保证监控数据的可靠性和实时性，数据传输模块可扩展多种传感器类型和通信协议，可扩展性好、柔性好、在多种场合具有良好的数据通信效果，数据上传模块程序设计如图26所示。图26数据上传模块程序设计流程图5系统测试5.1测试环境搭建在仿真阶段，采用Proteus8.15平台作为测试平台，通过导入特定的原理图文件，将STC15W4K28S4单片机的HEX程序加载到系统中进行模拟，为了模拟实际使用时的传感器输入，系统利用虚拟信号的注入方式进行测试，通过调节电位器来模拟MQ-4甲烷气体传感器的浓度（0%～100%ppm），并通过调整另一个电位器模拟KY-038噪声传感器的噪声强度（0-130dB），通过P2.0引脚连接DHT11温湿度传感器模型来设定温湿度参数，无线通信功能的测试则使用虚拟终端仿真代替，数据能够正确传输并实现远程监控，系统可以进行全方位的功能验证，每个传感器模块都能稳定地采集到正确的数据，进行精确的显示与报警。5.2分模块功能测试5.2.1显示模块该测试方案要求在仿真启动后首先检查OLED是否正常显示预设初始界面（如"Temp:Humi:Mq4:Voice:"），同时通过P3.1引脚连接的虚拟终端验证串口输出的温湿度、气体浓度等数据流，预期结果为OLED屏幕显示内容与程序逻辑完全匹配，且串口传输的数据字段格式符合设计要求。仿真启动的OLED初始界面如图27所示。图27仿真启动的OLED初始界面5.2.2传感器模块传感器模块测试包含三个部分,温湿度检测通过DHT11模型设定30℃/60%RH后验证OLED显示对应数值；有害气体检测向P1.0引脚（ADC0）输入电位器的87%阻值大小（对应87%浓度的甲烷）时触发LED闪烁及蜂鸣器报警；噪声检测则向P1.1引脚（ADC1）输入电位器的39%阻值大小以确认OLED显示“Voice:39dB”且报警逻辑符合预设阈值规则。如图28所示。图28(a)调节MQ-4与Voice输入图28(b)MQ-4数值超出阈值的声光报警5.2.3按键模块按键模块测试分为模式切换与阈值调节两部分，首先验证K1（P3.3）通过五次点击可循环切换OLED显示模式（实时数据→温度/湿度/MQ4/噪声阈值设置→返回实时界面），其次在温度设置模式下操作K2（P3.4）增加阈值、K3（P3.5）减少阈值，观察数值变化是否符合程序设定的范围限制（如温度阈值0-35℃），预期结果为模式切换逻辑正确，阈值调整数值实时响应且受控于预设边界。如图29所示。图29(a)按下一次K1图29(b)按下K2增加阈值图29(c)按下K3减少阈值5.2.4报警模块报警模块测试通过设置Voice阈值为85dB并向P1.1引脚输入电位器90%阻值大小（对应90bB噪声强度超限），触发报警后需验证P2.4引脚输出的蜂鸣器声音及P2.3引脚红色LED的周期性亮灭状态，预期结果为报警响应延迟低于100ms，且报警信号频率稳定为2Hz（亮灭周期250ms）以满足实时警示要求，实现报警功能的蜂鸣器响动提醒工作人员。如图30所示。图30(a)调节电位器RV2引发超限图30(b)Voice数值超出阈值的声光报警5.2.5无线通信模块验证无线通信模块与虚拟终端的交互功能，确保传感器数据（温度、湿度、甲烷浓度、噪声）能够准确、实时地传输。仿真启动后观察到虚拟终端的弹窗显示数据与OLED界面实时显示的数据相同且数据刷新速率合适，当正在进行阈值调试时，终端数据会暂停上传至接收端，等待调试结束。如图31所示。图31虚拟终端界面5.3整体功能测试整体功能测试部分是对系统从模块到整体的正确运行进行检验，验证系统在不同环境下的稳定性和响应性，这部分从系统开始运行开始，从Proteus仿真平台中加载程序，系统是否正常显示初始化画面，对虚拟终端、OLED显示同步输出数据，系统分别经过显示模块测试、传感器模块测试、按键模块测试、报警模块测试、无线通信模块测试。各个模块经过测试后确保模块功能正常，采集、显示、传送正确，其中显示模块测试系统是否正常显示正确实时数据，OLED显示是否同步，数据更新是否准确。传感器模块通过模拟输入不同环境数据，测试系统根据阈值是否正常响应，触发报警。第一步进行系统初始化验证，启动Proteus仿真，加载HEX程序；观察OLED显示内容是否为预设初始界面（"Temp:Humi:Mq4:Voice:"）；检查虚拟终端是否自动弹出并建立串口连接，预期结果是OLED与虚拟终端同步显示初始化状态，串口持续输出信号。启动仿真初始界面如图32所示。图32启动仿真初始界面第二步是多传感器联动测试，设置DHT11参数为28℃/55%RH；调节RV1%至50%（模拟50%ppm甲烷）；调节RV2%至75%（模拟75dB噪声）。验证结果是OLED同步更新显示"Temp:2830Humi:5560Mq4:5065Voice:7585",虚拟终端数据流字段格式为"Temp:28,Humi:55,Mq4:50,Voice:75"，确认蜂鸣器与LED保持静默状态（未超阈值）。传感器联动测试如图33所示。图33传感器联动测试第三步是阈值超限报警测试，通过K1键切换至温度阈值设置模式；设置上限为30℃；设置DHT11温度参数至32℃；调节RV1%至92%（模拟92%ppm甲烷）。如图34所示。图34按下K1键进入温度阈值设置界面验证内容为P2.4蜂鸣器输出2Hz报警音，P2.3LED同步闪烁，报警响应时间＜100ms（从参数设置完成到首次蜂鸣）。温度与有害气体浓度超限报警界面如图35所示。图35温度与有害气体浓度超限报警界面第四步为动态阈值调整测试，在报警状态下操作K1进入噪声阈值设置模式，通过K2/K3将噪声阈值从85dB逐步调整为80dB。验证结果是OLED阈值设置界面实时显示调整数值，当阈值降至80dB时，当前75dB噪声立即停止报警，虚拟终端暂停数据上传直至退出阈值设置模式。如图36所示。图36(a)按下K1键进入噪声阈值设置界面图36(b)通过按键K3将噪声阈值调整至80dB图36(c)阈值设置模式下虚拟终端暂停数据上传第五步是极限压力测试，同时设置DHT11参数至35℃/90%RH；调节RV1/RV2%至100%满量程；快速切换K1进行5次模式循环操作。验证结果为系统无死机/重启现象，数据刷新延迟＜100ms，报警信号频率波动小，OLED显示屏工作正常。全参数超限功能测试如图37所示。系统还会暂停数据上传，确保阈值调整过程的完整性，避免数据的干扰，在整个操作过程中，OLED显示屏、蜂鸣器和LED的配合工作确保了用户能够及时、清晰地接收到系统的状态变化和报警信息。图37全参数超限功能测试6总结与展望6.1总结本文主要是对轨道交通隧道环境检测系统进行了设计，目的是对隧道运营环境实现现代化手段的改善，主要是以STC15W4K32S4单片机和温湿度、气体浓度、噪声等环境检测传感器为核心，对隧道内的各种数据信号检测处理进行实时检测和处理，系统设计主要是模块化设计方案，模块化的系统设计能够增加功能性，并且灵活多变，能够减少系统的安装和维护，系统检测精度较高，温度检测±2℃，湿度检测＜5%，甲烷气体浓度检测范围为300ppm，噪声检测范围为0-130dB，响应时间也保持在3秒以内，检测精度实时性、可靠性良好。本系统设计有阈值动态调整报警系统设计，在隧道内环境监测超过阈值后，会利用声光报警装置进行报警。系统将数据经过无线通信功能模块发送到远程平台，隧道运营人员能够及时掌握环境数据情况，避免人工巡检效率不高，死角较多的问题，避免发生事故，保障隧道运营安全。因为它低功耗、模块化系统体系结构，可在不同应用领域进行推广，如轨道交通隧道需要的环境监测多，系统需要低功耗。系统设计仍缺失部分控制功能，后续系统完善应学习尹其畅等人REF_Ref5431\r\h[21]设计环境检测系统负责采集隧道内的环境数据，并将该数据通过无线传感网络传送给通风控制系统的控制器，通风控制系统以PLC为核心，可接收环境检测系统所采集的环境数据，并将其与预先设定值进行比较，同时输出信号来控制变频器的输出频率，从而控制风机转速，实现隧道自动通风的目的。6.2展望在系统的发展与应用方面，未来的工作中，系统将会从各个方面进行拓展，在传感器的选型和布置方面，将考虑引入更多类型，如增加PM2.5和CO传感器等，形成复合污染物监测系统，探索集成基于MEMS的小微型传感器簇的开发，进一步提升系统的监测精度和泛化能力，增强无线数据传输的抗电磁干扰能力，将LoRa和NB-IoT的混合组网也将作为今后发展的工作内容，可以进一步扩展现有的系统覆盖范围，提高信号稳定性和可靠性，引入边缘计算技术为数据处理工作提供新的发展可能性，通过在终端设备上部署轻量级LSTM神经网络模型，使得系统可以对环境参数的时序特征进行分析和趋势预测，对潜在危险因素进行提前预警，从能源效率到可持续发展，在未来的工作中将拓展绿色节能的工作方面，对长期运行的监测系统进行研究，能量收集技术以及低能耗边缘计算架构，将可以降低系统的能耗量，使得监测系统更加绿色和节能，未来将搭建数字孪生平台，将监测系统与BIM（建筑信息模型）深度融合与结合，进一步提升轨道交通建设的智能化，也为智慧轨道交通提供技术支撑。参考文献聂柳,李阳,王武,等.基于SBAS-InSAR技术的城市轨道交通隧道形变