高速公路隧道智能巡检装置T15526M

高速公路隧道智能巡检装置摘要高速公路隧道是现代交通网络中的关键节点，其运营安全直接关系到道路通行效率与司乘人员的生命财产安全。当前国内高速公路隧道运维仍以人工巡检为主要模式，存在巡检效率低、数据实时性差、检测结果受主观因素影响大、巡检人员作业安全风险高等突出问题，已无法适配我国高速公路隧道里程快速增长的运维管理需求。针对上述行业痛点，本文设计了一款以STM32单片机为核心控制单元的高速公路隧道智能巡检装置。该装置集成超声波测距、光照强度检测、有害气体监测、红外对管检测、图像采集等功能模块，可对隧道内排水系统、照明设施、空气质量、消防设备状态进行全天候、自动化实时监测。装置通过4G无线通信模块将监测数据实时上传至OneNet云平台，配套手机移动端可实现远程数据查看、阈值设置与异常报警提醒。经功能与性能测试，该装置各模块运行稳定，检测精度与响应速度均达到设计预期，可有效替代传统人工巡检模式，大幅提升隧道运维管理的智能化水平与安全保障能力，在交通基础设施智能运维领域具备良好的应用与推广价值。关键词高速公路隧道；智能巡检；STM32单片机；物联网；传感器技术AbstractHighwaytunnelsarekeynodesinmoderntransportationnetworks,andtheiroperationalsafetyisdirectlyrelatedtoroadtrafficefficiencyandthesafetyofdrivers'livesandproperty.Currently,manualinspectionremainstheprimarymodeofoperationandmaintenanceforhighwaytunnelsinChina.However,thisapproachfacessignificantchallenges,includinglowinspectionefficiency,poorreal-timedatacollection,significantsubjectivityininspectionresults,andhighsafetyrisksforinspectionpersonnel.TheseissueshavemadeitunsuitablefortherapidlygrowingmileageofhighwaytunnelsinChina.Addressingtheseindustrypainpoints,thispaperdesignsanintelligentinspectiondeviceforhighwaytunnels,centeredaroundtheSTM32microcontrollerasthecorecontrolunit.Thisdeviceintegratesfunctionalmodulessuchasultrasonicranging,lightintensitydetection,harmfulgasmonitoring,infraredpairdetection,andimageacquisition,enablinground-the-clock,automatedreal-timemonitoringofthetunnel'sdrainagesystem,lightingfacilities,airquality,andfireequipmentstatus.Thedeviceuploadsmonitoringdatainreal-timetotheOneNetcloudplatformviaa4Gwirelesscommunicationmodule.Acompanionmobileappallowsforremotedataviewing,thresholdsetting,andabnormalalarmnotifications.Functionalandperformancetestshaveshownthatallmodulesofthedeviceoperatestably,withdetectionaccuracyandresponsespeedmeetingdesignexpectations.Itcaneffectivelyreplacetraditionalmanualinspectionmethods,significantlyenhancingtheintelligencelevelandsafetyassurancecapabilitiesoftunneloperationandmaintenancemanagement.Thisdeviceholdsgreatapplicationandpromotionvalueinthefieldofintelligentoperationandmaintenanceoftransportationinfrastructure.Keywordshighwaytunnel;intelligentinspection;STM32microcontroller;InternetofThings;SensorTechnology目录27498摘要 I4544Abstract II98901绪论 -1-59491.1设计背景与研究意义 -1-89201.2国内外研究现状 -1-261612系统的总体设计 -3-118652.1系统需求分析 -3-44052.2系统总体方案设计 -3-84033系统的硬件设计 -6-191563.1单片机最小系统电路设计 -6-322413.2超声波测距检测模块电路设计 -7-241103.3空气质量检测模块电路设计 -8-271153.4光照强度检测模块电路设计 -10-137723.5图像采集模块电路设计 -11-265103.6显示模块电路设计 -12-107613.7无线通信模块电路设计 -13-213813.8步进电机驱动器电路设计 -14-234774系统的软件设计 -16-283974.1开发环境介绍 -16-176294.2主程序流程设计 -16-70294.3按键函数流程设计 -18-145654.4显示函数流程设计 -18-157724.5处理函数流程设计 -19-57145系统的测试 -21-76315.1软件调试 -21-163695.2硬件调试 -21-100915.3实物展示 -21-246505.3.1管道报警功能 -21-74175.3.2光照报警功能 -22-208515.3.3空气质量报警功能 -23-21278结论 -25-5319参考文献 -27-20485谢辞 -29-1绪论1.1设计背景与研究意义近年来，我国高速公路路网建设持续向山区、丘陵地区延伸，隧道工程在公路建设中的占比不断提升，截至2024年底，全国公路隧道总里程已突破2.5万公里，超长、超宽隧道数量持续增加。隧道作为半封闭的交通构造物，内部光照条件受限、空气流通性差，排水、照明、通风、消防等机电设施的运行状态直接决定了隧道的通行安全。一旦设施出现故障未能及时发现处置，极易引发交通事故，甚至造成重特大人员伤亡与财产损失。长期以来，国内高速公路隧道的运维巡检工作主要依靠人工步行巡检与定期专项检测两种模式完成。人工巡检模式下，工作人员需进入隧道内，依靠目视与简易工具对设施状态进行排查，不仅巡检周期长、工作效率低，还极易受人员经验、责任心等主观因素影响，出现漏检、误检的情况。同时，隧道内车辆通行环境复杂，巡检人员的人身安全面临极大威胁，封闭空间内的有害气体也会对作业人员的身体健康造成损害。而定期专项检测需委托专业机构开展，检测成本高、时效性差，无法实现对隧道设施状态的实时监测与隐患预警，难以满足隧道安全运营的精细化管理需求。随着物联网、传感器、无线通信技术的快速发展，交通基础设施的智能化运维已成为行业发展的必然趋势。交通运输部先后发布多项政策文件，明确提出要推动公路隧道运营安全风险防控的智能化升级，鼓励采用自动化、信息化技术提升隧道设施巡检的效率与精度。在此背景下，设计一款低成本、高可靠性、多功能集成的高速公路隧道智能巡检装置，替代传统人工巡检模式，实现隧道设施状态的全天候、自动化、实时化监测，对于提升高速公路隧道运营安全水平、降低运维管理成本、推动交通基础设施智能化转型具有重要的现实意义与工程应用价值。1.2国内外研究现状在隧道智能巡检技术领域，欧美、日本等发达国家起步较早，已形成较为成熟的技术体系与产品方案。欧洲隧道安全协会早在20世纪初就开展了隧道自动化巡检技术的标准化研究，建立了隧道设施智能检测的技术规范；日本东日本高速道路公团于2008年开发了基于机器视觉的隧道衬砌与机电设施自动巡检系统，可实现隧道内设施缺陷的快速识别与定位；美国联邦公路管理局在2012年推出了多传感器融合的隧道智能检测方案，将激光雷达、气体传感器、高清摄像设备集成于巡检载体，实现隧道环境与设施状态的同步监测；挪威、德国等国家则针对水下隧道、长距离山岭隧道的特殊环境，开发了轨道式智能巡检机器人，解决了人工巡检难以覆盖的场景难题，相关产品已在欧洲多国的隧道工程中实现规模化应用。但国外成熟的智能巡检系统普遍存在设备成本高、后期维护难度大、对隧道基础配套设施要求高等问题，难以适配我国数量庞大的中短距离高速公路隧道的运维需求。国内隧道智能巡检技术的研究与应用近年来实现了快速发展，国内高校与科研机构围绕隧道智能巡检开展了大量研究工作。清华大学团队提出了基于三维激光雷达的隧道衬砌结构缺陷检测方法，实现了隧道结构变形的高精度自动化识别；长安大学针对隧道照明系统的运维需求，开发了基于机器视觉的照明设施故障检测系统，可快速定位灯具损坏、亮度不足等问题；中国铁建、中交集团等企业则在轨道交通与公路隧道工程中，研发了轨道式与轮式巡检机器人，集成了环境监测、图像采集、缺陷识别等功能，在部分长大隧道中实现了试点应用。交通运输部公路科学研究院也搭建了公路隧道智能运维的技术框架，推动了传感器技术、无线通信技术在隧道安全监测领域的标准化应用。2系统的总体设计2.1系统需求分析结合高速公路隧道运维管理的实际场景，传统人工巡检模式已无法适配隧道安全运营的精细化管理需求，其存在的核心问题主要体现在四个方面。一是排水系统运维方面，隧道排水管道易出现杂物堵塞、结构损坏等问题，引发路面积水，影响车辆通行安全，人工巡检难以实时发现管道堵塞隐患，往往在积水形成后才能处置，存在严重的滞后性；二是照明系统运维方面，隧道内灯具数量多、分布广，人工巡检难以逐一排查灯具损坏、亮度不足等问题，照明故障会直接影响驾驶员视线，极易引发交通事故；三是通风与空气质量管控方面，隧道内车辆尾气易造成一氧化碳、氮氧化物等有害气体积聚，人工巡检无法实时监测空气质量变化，难以及时评估通风系统运行效能，有害气体超标会威胁司乘人员与巡检人员的身体健康；四是消防设施管理方面，隧道内消防栓、灭火器等设备易出现移位、缺失、损坏等问题，人工巡检周期长，无法保证消防设施始终处于完好可用状态，紧急情况下会延误救援时机。针对上述问题，本次设计的高速公路隧道智能巡检装置需具备四大核心监测功能。一是排水系统监测功能，通过非接触式测距技术，实时监测隧道排水管道的堵塞情况，当管道堵塞距离超出预设阈值时，可自动触发报警；二是照明系统监测功能，实时采集隧道内光照强度数据，判断照明灯具是否出现损坏、亮度不足等故障，实现照明设施状态的实时监测与故障预警；三是空气质量监测功能，实时检测隧道内一氧化碳、氮氧化物等有害气体浓度，评估通风系统运行状态，有害气体超标时自动触发报警；四是消防设施监测功能，通过红外检测技术，实时监测消防设备的在位状态，当设备出现移位、缺失时，可立即触发报警并联动图像采集模块完成现场拍照取证。2.2系统总体方案设计本次设计的高速公路隧道智能巡检装置采用模块化架构设计，整体系统分为中控部分、输入部分和输出部分三大核心单元，各单元模块独立工作、协同运行，既保证了系统运行的稳定性，也提升了装置后期维护与功能扩展的灵活性。系统整体架构中，输入部分的各类传感器完成隧道环境与设施状态数据的采集，传输至中控部分的主控单片机进行数据处理与逻辑判断，再由中控单元向输出部分的执行模块发送控制指令，完成显示、报警、运动控制、数据上传等一系列动作，形成完整的自动化巡检闭环。中控部分是整个装置的控制核心，采用单片机作为主控制器，输入部分由七个功能模块组成，负责完成隧道巡检各类数据的采集与指令输入。第一部分是超声波测距模块，用于检测隧道排水管道的堵塞情况，通过非接触式测距获取管道内障碍物距离，判断管道是否出现堵塞；第二部分是光敏电阻模块，用于采集隧道内光照强度数据，监测照明灯具的运行状态；第三部分是有害气体传感器模块，用于检测隧道内有害气体浓度，评估空气质量与通风系统运行状态；第四部分是红外对管模块，用于检测隧道内消防设施的在位状态，判断设备是否出现移位、缺失；第五部分是摄像头模块，用于异常状态下的现场图像采集与拍照取证；第六部分是独立按键模块，用于实现人机交互，完成显示界面切换、监测阈值调整等操作；第七部分是供电电路，通过Type-C接口输入电源，经稳压电路处理后为整个系统提供稳定的工作电源。输出部分由五个功能模块组成，负责执行主控单元的控制指令，完成对应的输出动作。第一部分是显示屏模块，用于本地实时显示监测数据、阈值参数、系统运行状态与报警信息；第二部分是蜂鸣器报警模块，异常状态下接收主控指令发出声光报警，提醒现场运维人员处置隐患；第三部分是步进电机驱动模块，接收主控指令驱动步进电机正反转，实现装置的往复巡检运动，扩大监测覆盖范围；第四部分是USB灯模块，用于指示系统运行状态，同时可辅助照明模块完成低光照环境下的补光；第五部分是无线通信模块，负责实现装置与云平台之间的数据交互，将监测数据与报警信息实时上传至云端，同时接收云平台与移动端下发的控制指令。具体如下REF_Ref21535\h图2.1所示：图2.1高速公路隧道智能巡检装置功能3系统的硬件设计3.1单片机最小系统电路设计单片机最小系统是整个智能巡检装置的控制核心，为保证装置稳定运行，本次设计选用STM32F103C8T6单片机作为主控制器，完成最小系统电路的设计。该单片机基于ARMCortex-M3内核，主频72MHz，内置64KBFlash程序存储器与20KBRAM，可满足装置复杂程序的存储与运行需求；片上集成3个12位ADC、4个通用定时器、2个高级定时器与3路USART串口、2路I2C接口、2路SPI接口，丰富的外设资源可同时满足多路传感器数据采集、多模块通信与执行机构控制的需求，无需额外外接扩展芯片，大幅简化了电路设计，同时具备优异的抗干扰能力，可适应隧道内的复杂电磁环境。本次设计的STM32F103C8T6最小系统电路，主要包含电源电路、晶振电路、复位电路、BOOT设置电路、下载接口电路与引脚外引电路六个核心部分。电源电路采用XC6206稳压芯片，将Type-C接口输入的5V电源降压至3.3V，为单片机与各外设模块提供稳定的工作电源，同时搭配多个100nF去耦电容，滤除电源中的高频噪声，保证供电稳定性；晶振电路分为主晶振与低速晶振两部分，主晶振采用8MHz无源晶振，为单片机内核提供时钟基准，低速晶振采用32.768KHz无源晶振，为单片机内置RTC时钟提供时钟源，两路晶振均搭配30pF匹配电容，保证时钟信号的稳定输出；复位电路采用按键复位与上电复位结合的设计，通过10K电阻对NRST引脚进行上拉，搭配复位按键实现手动复位功能，保证单片机出现运行异常时可快速复位重启；BOOT设置电路通过跳线帽选择BOOT0与BOOT1引脚电平，可灵活设置单片机的启动模式，本次设计默认设置为Flash启动模式，满足装置正常运行需求；下载接口采用SWD串行调试接口，仅需4根连接线即可完成程序下载与在线调试，大幅简化了电路设计，同时占用单片机I/O口资源少；引脚外引电路设计了两组20针排针，将单片机的主要I/O口、ADC通道、通信接口全部引出，方便与各外设功能模块进行连接，提升了装置调试与功能扩展的灵活性。其电路图如下REF_Ref22802\hREF_Ref22884\h图3.1所示：表3.1单片机最小系统电路端口分配表电路单元信号/引脚名称STM32对应引脚核心功能说明电源电路3.3V稳压输出VDD/VSSA为单片机及外设提供稳定3.3V工作电源主晶振电路OSC_IN/OSC_OUTPD0/PD1外接8MHz无源晶振，为内核提供72MHz时钟基准低速晶振电路OSC32_IN/OSC32_OUTPC14/PC15外接32.768KHz无源晶振，为RTC实时时钟提供时钟源复位电路NRSTNRST外接上电复位+按键复位电路，实现系统异常复位重启BOOT设置电路BOOT0/BOOT1BOOT0/BOOT1跳线配置启动模式，默认设置为Flash启动模式SWD下载接口SWDIO/SWCLKPA13/PA14串行调试接口，实现程序下载与在线仿真调试引脚外引电路通用I/O、ADC、通信接口全功能引脚引出外接各外设功能模块，满足数据采集与控制需求图3.SEQ图3.\*ARABIC1单片机最小系统电路图3.2超声波测距检测模块电路设计本次设计对比了HC-SR04与SRF05两款主流超声波测距模块，最终选用HC-SR04超声波测距模块完成排水系统监测功能设计。HC-SR04模块基于超声波反射原理实现非接触式测距，工作频率40KHz，测量范围覆盖2cm-400cm，测量精度可达±3mm，完全满足隧道排水管道堵塞监测的测距需求；该模块集成了超声波发射器、接收器与信号处理电路，外围电路设计简单，工作电压5V，功耗低、抗干扰能力强，性价比优异，可适应隧道内粉尘、潮湿的恶劣环境。HC-SR04模块共设置4个引脚，分别为VCC电源引脚、Trig触发信号输入引脚、Echo回波信号输出引脚与GND接地引脚。电路设计中，模块VCC引脚接入系统5V电源，GND引脚与系统地连接，Trig引脚与STM32F103C8T6的PB12引脚连接，Echo引脚与单片机的PB13引脚连接，通过单片机通用GPIO口即可完成模块的触发控制与回波信号采集。模块工作时，单片机通过Trig引脚发送持续时间不小于10μs的高电平脉冲，即可触发模块发射8个40KHz的超声波脉冲；超声波在空气中传播遇到障碍物后发生反射，模块接收器接收到反射的回波信号后，会将Echo引脚拉高，Echo引脚高电平的持续时间与超声波的往返传播时间成正比；单片机通过定时器捕获Echo引脚高电平的持续时间，结合空气中的声速即可计算出模块与障碍物之间的距离，从而判断隧道排水管道是否出现堵塞。当测距结果小于预设的安全阈值时，即可判定管道内出现杂物堵塞，单片机立即触发报警程序，实现排水系统堵塞隐患的实时监测与预警。表3.2超声波测距检测模块端口分配表模块引脚名称STM32对应引脚引脚类型核心功能说明VCC系统5V电源电源引脚为HC-SR04模块提供5V工作电源GND系统地接地引脚模块电源地，与主控系统共地TrigPB12输出引脚主控发送触发信号，≥10μs高电平触发超声波发射EchoPB13输入引脚主控采集回波信号，通过高电平持续时间计算测距距离其电路图如下REF_Ref23364\h图3.2所示：图3.SEQ图3.\*ARABIC2超声波测距检测模块电路图3.3空气质量检测模块电路设计空气质量检测模块用于实时监测隧道内的有害气体浓度，评估隧道通风系统的运行效能，本次设计选用MQ-135有害气体传感器模块完成空气质量监测功能设计。MQ-135传感器采用金属氧化物半导体传感技术，对隧道内车辆尾气产生的一氧化碳、氮氧化物、苯、氨气等有害气体均具备极高的检测灵敏度，检测范围宽、响应速度快、长期稳定性好，工作电压5V，外围电路设计简单，成本低廉，非常适用于隧道内空气质量的长期连续监测。MQ-135传感器模块共设置4个引脚，分别为VCC电源引脚、GND接地引脚、AOUT模拟量输出引脚与DOUT数字量输出引脚。电路设计中，模块VCC引脚接入系统5V电源，GND引脚与系统地连接，AOUT模拟量输出引脚与STM32F103C8T6的PA4引脚（ADC1通道4）连接，DOUT引脚未使用。模块核心传感元件为二氧化锡半导体气敏材料，其内部加热电极通电加热后，传感材料达到工作温度，当空气中存在目标有害气体时，气体分子会吸附在传感材料表面发生氧化还原反应，导致传感材料的电阻值发生变化，且气体浓度越高，电阻值变化幅度越大；模块通过电阻分压电路，将传感材料的电阻值变化转换为模拟电压信号输出，电压值与有害气体浓度呈正相关关系。单片机通过内置12位ADC采集模块输出的模拟电压信号，将其转换为对应的空气质量数值，与预设的安全阈值进行对比，当检测数值超出阈值时，判定隧道内空气质量超标、通风系统运行异常，立即触发报警程序，提醒运维人员及时处置。表3.3空气质量检测模块端口分配表模块引脚名称STM32对应引脚引脚类型核心功能说明VCC系统5V电源电源引脚为MQ-135模块提供5V工作电源GND系统地接地引脚模块电源地，与主控系统共地AOUTPA4（ADC1通道4）模拟输入引脚输出与有害气体浓度正相关的模拟电压信号，主控通过ADC采集换算DOUT未使用数字输出引脚预留数字量阈值报警接口，本次设计未启用其电路图如下REF_Ref24073\h图3.3所示：图3.3空气质量检测模块电路图3.4光照强度检测模块电路设计光照强度检测模块用于实时采集隧道内的光照强度数据，监测照明灯具是否出现损坏、亮度不足等故障，本次设计选用光敏电阻作为核心检测元件，完成光照强度检测电路设计。光敏电阻是一种基于内光电效应的光敏半导体元件，其电阻值会随环境光照强度的变化而发生改变，在黑暗环境下电阻值可达1MΩ以上，在强光环境下电阻值可降至10KΩ以下，响应速度快、信号采集电路设计简单、成本低廉，完全满足隧道照明系统状态监测的使用需求。本次设计的光照强度检测电路，采用光敏电阻与10KΩ固定精度电阻串联组成分压电路，电路供电电压3.3V，分压节点连接至STM32F103C8T6的PA5引脚。电路工作时，环境光照强度发生变化会导致光敏电阻的阻值发生同步变化，进而改变分压节点的输出电压；当环境光照强度升高时，光敏电阻阻值降低，分压节点输出电压随之升高，反之光照强度降低时，分压节点输出电压同步降低。单片机通过内置12位ADC采集分压节点的模拟电压信号，将其转换为对应的光照强度数值，与预设的最低光照阈值进行对比；当检测到光照强度低于阈值时，即可判定隧道内照明灯具出现损坏、亮度不足等故障，立即触发报警程序，实现照明设施故障的实时监测与定位。同时，电路设计中加入了软件滤波算法，可有效过滤隧道内车辆灯光、环境光线变化带来的瞬态干扰，保证光照强度检测结果的稳定性与准确性。表3.4光照强度检测模块端口分配表电路节点名称STM32对应引脚引脚类型核心功能说明分压电路供电端系统3.3V电源电源端为光敏电阻分压电路提供3.3V工作电源分压电路接地端系统地接地端电路电源地，与主控系统共地分压节点输出端PA5模拟输入引脚输出随光照强度变化的模拟电压信号，主控通过ADC采集换算光照强度其电路图如下REF_Ref24278\h图3.4所示：图3.4光敏电阻电路图3.5图像采集模块电路设计图像采集模块用于隧道内异常状态的现场拍照取证，为运维人员提供直观的现场画面，辅助隐患处置工作，本次设计选用ESP32-CAM摄像头模块完成图像采集功能设计。ESP32-CAM模块集成了ESP32-S主控芯片与OV2640摄像头，最高支持200万像素图像采集，内置WiFi与蓝牙功能，支持JPEG格式图像压缩与网络传输，可快速完成图像采集、压缩与云端上传，模块体积小、集成度高、功耗低，非常适用于嵌入式设备的图像采集场景。ESP32-CAM模块电路设计中，模块采用5V电源供电，保证摄像头工作时的供电稳定性；模块的U0TXD串口发送引脚与STM32F103C8T6的PA2引脚连接，U0RXD串口接收引脚与单片机的PA1引脚连接，通过串口实现单片机与模块之间的指令通信与数据传输。模块工作在从机模式，实时接收单片机下发的控制指令，当隧道内出现设施异常、报警触发时，单片机会通过USART2串口向ESP32-CAM模块发送拍照指令；模块接收到指令后，立即初始化摄像头完成现场图像采集，将采集到的图像数据压缩为JPEG格式，通过内置WiFi网络将照片上传至云服务器，与对应的报警信息进行关联存储；运维人员可通过手机移动端随时查看异常现场的照片，掌握隐患现场的实际情况，大幅提升运维处置的效率。同时，模块还支持定时拍照功能，可按预设周期定期采集隧道内设施画面，实现隧道设施状态的常态化可视化记录。表3.5图像采集模块端口分配表模块引脚名称STM32对应引脚引脚类型核心功能说明VCC系统5V电源电源引脚为ESP32-CAM模块提供5V稳定工作电源GND系统地接地引脚模块电源地，与主控系统共地U0TXDPA2（USART2_TX）串口输入引脚模块串口数据发送端，向主控传输指令应答与图像数据U0RXDPA1（USART2_RX）串口输出引脚模块串口数据接收端，接收主控下发的拍照、采集控制指令其电路图如下REF_Ref24716\h图3.5所示：图3.5摄像头模块电路图3.6显示模块电路设计显示模块用于实现装置的本地人机交互，实时显示监测数据、阈值参数、系统运行状态与报警信息，本次设计对比了LCD1602液晶显示屏与OLED显示屏，最终选用0.96英寸OLED显示屏作为装置的显示单元。OLED显示屏采用自发光技术，无需背光源，分辨率128×64，控制芯片为SSD1306，支持I2C通信接口，工作电压范围3.3V-5V，适配单片机系统供电；该显示屏对比度高达2000:1，即使在隧道强光环境下仍可保证显示内容清晰可读，可视角度接近180°，不同角度均可清晰查看，同时具备功耗低、响应速度快、工作温度范围宽、抗干扰能力强等优势，完全适配隧道复杂环境下的使用需求。OLED显示屏模块共设置4个引脚，分别为VCC电源引脚、GND接地引脚、SCL时钟线引脚与SDA数据线引脚。电路设计中，模块VCC引脚接入系统5V电源，GND引脚与系统地连接，SCL引脚与STM32F103C8T6的PB14引脚连接，SDA引脚与单片机的PB15引脚连接，通过硬件I2C接口实现单片机与显示屏之间的通信，通信速率设置为400KHz，通信地址设置为0x78。针对显示屏尺寸较小的特点，软件设计中采用多页面显示模式，通过按键可切换不同显示界面，主界面可实时显示管道测距数值、光照强度、空气质量、红外检测状态等核心监测数据，异常状态下可同步显示报警信息；设置界面可分别显示与调整排水、光照、空气质量监测的阈值参数，实现便捷的本地人机交互。表3.6显示模块电路端口分配表模块引脚名称STM32对应引脚引脚类型核心功能说明VCC系统5V电源电源引脚为0.96英寸OLED显示屏提供5V工作电源GND系统地接地引脚模块电源地，与主控系统共地SCLPB14输出引脚I2C通信时钟线，主控提供通信时钟信号SDAPB15双向引脚I2C通信数据线，实现主控与显示屏的双向数据传输其电路图如下REF_Ref23619\h图3.6所示：图3.6显示模块电路图3.7无线通信模块电路设计无线通信模块是实现装置与云平台数据交互的核心单元，考虑到隧道内WiFi网络覆盖不足、信号稳定性差的问题，本次设计摒弃了传统的WiFi通信方案，选用ML307R4G无线通信模块完成数据传输功能设计。ML307R模块是中移物联推出的低功耗LTECat.1模块，支持国内三大运营商的4G网络，可适应隧道内复杂的信号环境，保证数据传输的连续性与稳定性；模块内置TCP/IP协议栈，支持MQTT、HTTP等多种网络通信协议，可通过串口AT指令快速完成配置与数据传输，外围电路设计简单，适配单片机系统的接入需求，同时具备极低的功耗，可满足装置长期连续运行的需求。ML307R模块电路设计中，模块采用3.3V电源供电，通过TXD、RXD串口引脚与STM32F103C8T6的USART1串口连接，模块TXD引脚与单片机PA10引脚连接，RXD引脚与单片机PA9引脚连接，通过串口实现单片机与模块之间的AT指令交互与数据传输。系统上电后，单片机通过串口向模块发送AT指令，完成模块初始化、网络附着、SIM卡检测与OneNet云平台连接；网络连接成功后，模块通过MQTT协议与云平台建立稳定的通信链路，单片机将采集到的监测数据、报警信息打包为JSON格式，通过模块实时上传至云平台；同时，模块可实时接收云平台与手机移动端下发的控制指令，传输至单片机完成阈值参数调整、设备远程控制等操作。电路设计中加入了通信超时检测与自动重连机制，当出现网络中断时，模块可自动尝试重新连接云平台，保证数据传输的稳定性与可靠性。表3.7无线通信模块电路端口分配表模块引脚名称STM32对应引脚引脚类型核心功能说明VCC系统3.3V电源电源引脚为ML307R4G模块提供3.3V工作电源GND系统地接地引脚模块电源地，与主控系统共地TXDPA10（USART1_RX）串口输入引脚模块串口数据发送端，向主控传输网络应答与下行数据RXDPA9（USART1_TX）串口输出引脚模块串口数据接收端，接收主控下发的AT指令与上行监测数据其电路图如下REF_Ref24487\h图3.7所示：图3.7无线通信模块电路图3.8步进电机驱动器电路设计步进电机驱动模块用于驱动步进电机完成正反转运动，实现装置的往复巡检，扩大监测覆盖范围，本次设计选用ULN2003达林顿管阵列芯片搭配28BYJ-48步进电机，完成步进电机驱动电路设计。ULN2003芯片内部集成7组达林顿晶体管对，每路最大可承受500mA电流，耐压值达50V，可将单片机输出的小电流控制信号放大为可驱动步进电机的大电流信号，芯片接口简单、驱动能力强、稳定性高、成本低廉，非常适配28BYJ-48步进电机的驱动需求。28BYJ-48步进电机为4相5线制减速步进电机，工作电压5V，减速比1:64，每周转动共2048步，控制精度高、转动平滑性好，可满足装置往复巡检的运动控制需求。ULN2003驱动芯片共16个引脚，其中IN1-IN4为信号输入端，OT1-OT4为信号输出端，COM为公共端，GND为接地引脚。电路设计中，STM32F103C8T6的PB8-PB11引脚分别与芯片的IN1-IN4输入端连接，28BYJ-48步进电机的四相相线分别与芯片的OT1-OT4输出端连接，芯片COM引脚接入5V电源，为步进电机提供驱动电源。单片机通过GPIO口向ULN2003芯片输入脉冲控制信号，芯片内部达林顿管将信号放大后驱动步进电机转动，软件设计中采用四相八拍的驱动方式，一个完整驱动周期分为8步，相邻步之间相位差45°，相比传统四相四拍驱动方式，大幅提升了电机转动的平滑性与输出扭矩。通过控制脉冲信号的输出顺序与频率，可精准控制步进电机的转动方向、转速与转动角度，实现装置的左右往复巡检运动，有效扩大了装置的监测覆盖范围。表3.8步进电机驱动器电路端口分配表驱动单元引脚STM32对应引脚引脚类型核心功能说明IN1PB8输出引脚步进电机驱动控制信号1，主控输出脉冲信号控制相序IN2PB9输出引脚步进电机驱动控制信号2，主控输出脉冲信号控制相序IN3PB10输出引脚步进电机驱动控制信号3，主控输出脉冲信号控制相序IN4PB11输出引脚步进电机驱动控制信号4，主控输出脉冲信号控制相序COM端系统5V电源电源端步进电机驱动供电端GND系统地接地端驱动电路电源地，与主控系统共地其电路图如下REF_Ref23860\h图3.8所示：图3.8步进电机驱动器电路图4系统的软件设计4.1开发环境介绍本次设计的装置嵌入式软件开发，采用KeiluVision5作为核心开发环境。Keil5是ARM公司推出的专为嵌入式微控制器设计的集成开发环境，支持STM32全系列单片机的开发，内置了功能完善的代码编辑器、C/C++编译器、链接器、调试器与仿真工具，界面简洁、操作便捷，编译效率高，生成的可执行文件代码体积小、运行效率高，是目前STM32单片机开发的主流工具。开发过程中，采用STM32HAL库完成底层外设驱动的开发，HAL库是ST官方推出的硬件抽象层库，封装了STM32单片机底层外设的操作函数，提供了标准化的API接口，大幅简化了单片机外设的配置与开发流程，提升了代码的可移植性与兼容性。软件设计采用模块化编程思路，将不同功能的程序代码拆分为独立的驱动模块，每个模块对应独立的.c源文件与.h头文件，模块之间通过标准化的函数接口进行调用，既保证了程序代码的可读性与可维护性，也便于后期功能的扩展与优化。4.2主程序流程设计系统的主流程图如图4.1所示；在main.c中，先写入其他.c的头文件，接着是定义用到的全局变量和用到的函数，然后就进入到主函数中。在主函数中，先完成初始化，然后在while循环中按顺序执行按键逻辑、用户业务逻辑、ESP32摄像头通信逻辑及OneNet云平台交互逻辑，同时每隔10ms周期性执行OLED显示、蜂鸣器控制、巡检数据监测、USB灯亮度调节等任务。按键函数用于实现功能界面切换、光照、空气质量、超声波等巡检参数阈值的调节与设置等操作；监测函数采集并换算得到隧道排水堵塞状态、照明灯光状态、空气质量数据、消防设施在位状态的实时监测数据；显示函数在OLED屏上展示各项巡检实时值、预设阈值及系统运行状态；处理函数对巡检数据进行分析处理，执行蜂鸣器报警、4G数据上报、步进电机巡检动作的相关控制逻辑。图4.2主程序工作流程图4.3按键函数流程设计按键函数子流程图如图4.2所示；按键设置函数首先通过按键扫描函数，获取按键按下的相关信息，通过不同的键值，进行相应变量的改变。如果获取的键值为1，循环切换系统显示界面；如果获取的键值为2，界面0时切换USB灯控制状态，非界面0时对应巡检参数阈值+1；如果获取的键值为3，界面0时切换步进电机控制状态，非界面0时对应巡检参数阈值-1。图4.2按键函数子流程图4.4显示函数流程设计显示函数子流程图如图4.3所示；根据显示界面标志位显示对应内容；界面0，显示隧道巡检的实时距离、光照强度、空气质量百分比、红外传感器触发状态；界面1，显示设置距离阈值；界面2，显示设置光照阈值；界面3，显示设置空气质量阈值。图4.3显示函数子流程图4.5处理函数流程设计处理函数子流程如下图4.4所示，在处理函数中，执行隧道智能巡检的各类设备联动控制逻辑，驱动蜂鸣器完成异常报警、USB灯完成亮灭控制，同时控制步进电机完成左右周期巡检动作。系统根据距离、光照强度、空气质量、红外传感器的监测数据与预设阈值做判定，当任一监测项触发异常条件时，触发蜂鸣器报警，反之则关闭报警；同时根据USB灯控制标志位调节灯的亮度，根据步进电机控制标志位驱动电机执行正反转周期动作。图4.4处理函数子流程图5系统的测试5.1软件调试软件调试基于Keil5开发环境与STM32仿真工具开展，核心验证程序逻辑的完整性与稳定性。首先完成各模块驱动程序的单元测试，通过串口调试助手监测超声波测距、ADC数据采集、4G模块通信等关键函数的输出结果，修正定时器中断配置、数据换算公式等细节问题。随后进行系统集成调试，模拟传感器异常信号，验证主程序中按键逻辑、监测数据处理、报警触发等流程的联动响应，确保按键切换界面、阈值调整等操作实时生效，数据采集周期稳定在500ms。最后通过OneNet云平台调试工具，核查JSON格式数据上报的完整性与实时性，解决数据丢包、协议解析失败等问题，保障软件系统全流程稳定运行。5.2硬件调试硬件调试采用分步测试与整体联调相结合的方式。先对单片机最小系统进行独立测试，通过万用表测量电源电压、晶振波形，确认3.3V稳压输出稳定，复位电路与BOOT设置正常。随后逐一测试各外设模块，用示波器检测超声波模块的Trig触发信号与Echo回波信号，验证ADC通道采集的模拟电压波形，检查OLED屏I2C通信、步进电机驱动信号的输出情况，排查虚焊、引脚接错等硬件故障。整体联调阶段，接通12V直流电源，观察各模块上电状态，通过手动模拟传感器异常，验证蜂鸣器报警、摄像头拍照、4G模块数据上传等功能的硬件联动，确保各电路模块供电稳定、信号传输正常，无电磁干扰导致的功能异常。5.3实物展示5.3.1管道报警功能实物通电后，超声波测距模块实时监测模拟管道内距离。当用障碍物模拟管道堵塞，使测距结果低于10cm阈值时，蜂鸣器立即发出间歇式报警声，OLED屏显示距离信息，同时4G模块将报警数据与现场照片上传至云平台，手机移动端同步收到报警推送，报警响应迅速且准确。图5.SEQ图5.\*ARABIC1管道报警功能5.3.2光照报警功能将光敏电阻模块置于模拟隧道照明环境中，正常光照下OLED屏显示光照强度数值稳定。用手指遮挡光敏电阻模拟灯具损坏，当光照强度低于8479Lx阈值时，蜂鸣器触发报警，OLED屏显示光照强度，同步上报云平台，解除遮挡后报警自动解除，功能验证符合设计要求。图5.2光照报警功能5.3.3空气质量报警功能MQ-135传感器预热完成后，实时检测环境空气质量并显示百分比数值。用打火机气体模拟有害气体超标，当检测数值超过41%阈值时，蜂鸣器报警，OLED屏显示空气质量数值，报警数据同步上传云平台，移除气源后数值恢复正常，报警自动解除，检测响应灵敏。图5.3空气质量报警功能结论本文针对高速公路隧道传统人工巡检模式存在的效率低、实时性差、安全风险高等行业痛点，设计了一款基于STM32F103C8T6单片机的高速公路隧道智能巡检装置，完整完成了装置的总体方案设计、硬件电路设计、软件程序开发、云平台对接与系统测试全流程工作。该装置采用模块化设计思路，集成了超声波测距、