地铁线路管理系统的设计与实现_kaic
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摘要
Abstract
第一章 绪论
1.1 研究背景及意义
1.2 国内外研究现状
1.3 研究内容及目的
第二章 地铁站智能通风系统总体方案
2.1 地铁站智能通风系统的基本构成
2.2 地铁站智能通风系统需求分析
2.3 整体方案结构设计
2.4 有线和无线通信传输方案
第三章 智能通风系统的硬件设计
3.1 硬件方案
3.2 主控芯片选型
3.3 蓝牙模块选型
3.4 传感器电路设计
3.5 执行器电路设计
3.6 硬件电路总览
第四章 智能通风系统系统的软件设计
4.1 STM32 主控制器软件设计
4.2 部分程序源代码讲解
第五章 系统调试
5.1 作品外观展示
5.2 系统测试
5.3 手机APP监控界面
第六章 总结与展望
6.1 总结
6.2 展望
致谢
参考文献
摘 要
随着国家人口的不断激增，经济的不断发展，全国各地通过兴建地下轨道交 通以解决出行难题和给人们带来舒适、便捷的出行体验。如何减少地下轨道交通 运作时的高能耗的同时为人们提供良好出行环境，是迫切需要解决的问题。
论文对当前地铁站通风系统和相关解决方案进行了分析，提出了地铁站智能 通风系统方案。地铁站通风系统借助换气稀释和空调手段去控制空气污染物的传 播与造成的危害，以此将地铁站内环境保持在令人感到最舒适的状态。系统基于 微处理器技术、传感器技术和通信技术，根据场景要求对系统的核心处理模块、 监测模块、信息传输模块进行了设计与实现，对实时监测、远程监控、事件上报、 控制命令接受等流程的逻辑功能进行了规划以及系统软件的设计实现，最后对搭 建好的地铁站智能通风系统进行联调和整体测试。通过对测试结果的分析，系统 符合设计需求。
关键词：变速风扇，温度检测，系统架构，ARM
Abstract
With the continuous surge of the country's population and the continuous development of the economy, underground rail transit has been built throughout the country to solve travel problems and bring people a comfortable and convenient travel experience. How to reduce the high energy consumption during the operation of underground rail transit and how to provide a good travel environment for people is an urgent problem to be solved.
This paper analyzes the current subway station ventilation system
and related solutions, and proposes the subway station intelligent ventilation system scheme. The ventilation system of the subway station uses means such as ventilation dilution and air conditioning to control the spread and harm caused by air pollutants, so as to maintain the environment in the subway station in the most comfortable state. Based on microprocessor technology, sensor technology and communication technology, the system designs and implements the core processing module, monitoring module and information transmission module of the system according to the requirements of the scenario, plans the logic functions of real-time monitoring, remote monitoring, event reporting, control command acceptance and other processes and designs and implements the system software, and finally conducts joint adjustment and overall testing of the built subway station intelligent ventilation system. Through the analysis of the test results, the system meets the design requirements.
Keywords：Variable Speed Fan; Temperature Detection; System Architecture; ARM
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第一章 绪论
1.1 研究背景及意义
随着经济的不断发展和人民生活水平的不断提高，人们对便捷出行、舒适旅 途的向往也更加强烈。全国各地通过兴建地铁方便人民出行，位于城市中心区域 的地铁为了缓解用地紧张的情况一般选择铁路建于地下，而地下车站会存在气体 流通不够充分并伴随有害气体无法排出和温度多变的情况。对广大人民群众来说 是否有一个舒适的乘车环境是决定地铁上座率的重要因素，如果地铁站内的二氧 化碳的浓度高同时氧气的含量低必会导致乘客在早晨通勤路上昏昏欲睡，不合适 的温度让人心情烦躁，必然会减少人们通过坐地铁来实现通勤目的的想法，并且 当人们处在更加舒适的通勤环境中，有利于提高后续的工作效率和有益于身心健 康，通风系统的优化迫在眉睫。通风是优化地铁站内复杂物理环境的主要措施， 因此需要设计一套智能的地铁通风空调系统来减少上述现象的发生。
智能通风系统是以地铁站为平台，利用传感器技术、自动控制技术、空调和 通风技术，通过微处理器实现智能统一的系统功能调度和管理，以此实现多点位 温度监测、有害气体检测，当检测到危险气体时自动报警同时更变空调、通风装 置的运行模式。根据《中国城市轨道交通年度报告》指出，地铁车站用能情况中 通风空调系统占比最大，约为 54-71%。因此，在地铁网络遍布城市地下的时代， 如何合理确定车站通风空调系统形式和运行控制模式，将是降低整个车站运行能 耗的关键[1] 。与普通地铁站通风系统相比，智能通风系统不仅有常见的通风功能 还可以实现对环境实时监测并做出分析，判断出适合当前状况的空调温度和通风 装置工作功率，在营造舒适的地铁站内环境的前提下提高能源的利用率，减少大 电流对电网的冲击，最终实现节能减排。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 国外研究发展
英国在 1863 年 1 月首次在伦敦建成地下铁路，当时列车的动力来源是蒸汽 机，在地下相对密闭的环境中蒸汽机工作时会焚烧大量煤炭产生有毒气体，仅仅 依靠列车运作时所产生的活塞效应难以将有毒有害气体排出车站，需通过管道将
有害气体排除车站。伴随着科技的发展进步，伦敦引入更多的地铁线路，地铁站 客流量的增加和地铁运作所产生的巨大热量使地铁站内温度异常的高，原先的活 塞效应显然无法满足散热要求，随后伦敦在地铁车站中引入大型风扇，通过管道 将外部的冷空气引入地铁站，并将地铁站内高温气体抽出，通过这种机械的排风 方式极大的改善了地铁内的空气质量和调节了地铁站内温度[2]。
美国地铁建设初期科学家就考虑到了环境控制问题，地铁站内可能存在的高
温，通过计算公式测出列车活塞效应的影响，通过数据设计建造地下铁路，在站 台处设置通风管道排出高温。1980 到 1990 年期间通过计算机模拟软件，计算地 铁站内空气流通、温度、风量以及空调负载，在实际验证中获得成功。现如今引 入了空气—水空调系统，充分采用暗挖车站的功能，可用于将冷水有效地输送到 相应的盘管位置处，使新风可以通过风管送入车站内部，在公共区域中可以实现 自然通风，在空调运行时新风会与回风混合完成冷却处理之后，供给公共区域使 用，进一步的实现了节能减排。
1.2.2 国内研究发展
国内地铁发展较晚，1965 年开建的北京地铁利用活塞效应自然通风以此来 冷却隧道和地铁站以达到降温的效果。1980 年后专家对地铁站和隧道进行重新 勘探，收集并分析了地铁站和隧道内温度分布、气体流动速度变化等多种数据， 对地铁站通风空调系统进行改造，引入机械通风装置，对自动控制系统提供技术 支持。
上海地铁建成于 1995 年，是国内初次在地铁站内引入屏蔽门系统，地铁屏 蔽门系统的建设一定程度上促进了地铁运行的环保节约[3]。地铁屏蔽门能够很好 地控制车站温度，同时还能控制车站整体的温度，防止过多热量进入隧道，减少 能源上的消耗。地铁中的空调系统能够很好地改善地铁中的温度，利用屏蔽门的 形式进行温度控制。
北京地铁建成后国内地铁通风系统进入缓慢发展，在往后的十几年间引入空 调系统冷冻水。陈华等人在 2004 年通过对某常规建筑通风空调系统的研究，得 出可以通过不同的控制方式来对通风空调系统的能效进行一定优化改进[4]。王童 等人在 2012 年通过MATLAB 软件模拟了水泵的变流量运行模式对冷水机组工作效 率的影响,得出水泵变流量模式下冷水机组的效率下降的不多，因此可以利用变 流量模式进行节能[5] 。
到 2020 年各地地铁站通风系统结合了活塞风、屏蔽门和通风空调冷冻水系
统等设施能有效的创造舒适环境。地铁站设施已经相对完善但通风空调系统仍然 消耗非常多的能量，根据《中国城市轨道交通年度报告》指出，地铁车站用能情 况中，通风空调系统占比最大，约为 54-71%。想要使地铁站的运作成本下降的 同时给乘客营造一个舒适的乘车环境，在后续的发展中，节能智能的地铁站通风 空调系统引入显得尤为重要。
1.3 研究内容及目的
本论文研究地铁站内智能通风系统，通过查阅有关地铁站通风系统的文献和 有关自动化控制的文献，找出当前地铁站通风系统所存在的问题，结合实际情况 设计制作一套适合地铁站的通风系统。智能控制作为一个新型的产业，将智能硬 件与无线通信相结合，能推动传统通风系统更新换代。系统集安全监测报警、环 境状况检测、通风装置控制、空调系统控制于一体，可以使得地铁站内长期保持 一个温度合适和各种气体含量平衡的舒适的环境。系统的环境监控平台可以通过 手机 APP 进行访问，实时查看各种环境数据，如遇火情或有有害气体可以在第一 时间内通知到地铁管理人员。系统通过多点的环境检测设施给出的数据进行分析 决策，最终决定通风装置的工作效率和空调的开启以此做到节能减排的目的。
第二章 地铁站智能通风系统总体方案
本章主要介绍基于 STM32F103 微处理器的地铁站智能通风系统的基本概念 和涉及到的主要技术。给出环境检测的重要技术指标，最终确定智能通风系统的 总体方案。
2.1 地铁站智能通风系统的基本构成
地铁站智能通风系统是以 STM32 微处理器和传感器技术为核心，其主要目 的是实现对地铁站内的温度、空气质量以及危险气体进行监测，在获得上述数据 的基础上合理控制通风系统和空调系统的运作。系统利用蓝牙通信技术、计算机 技术、嵌入式技术、传感器技术构建一个智能化监控管理平台，以此打造一个舒 适、舒心、安全的候车乘车环境。
2.2 地铁站智能通风系统需求分析
随着人口增长，地铁作为广受人们青睐的公共交通工具，人们对在地下候车 时的环境舒适度提出更高的要求。经过资料搜集和实地调查，地下车站的温度和 空气质量还有安全是人们广泛关注的问题，地下车站的通风空调系统的能耗也一 直占据这地下车站总能耗的一半以上，因此能够创造良好环境同时又可以节约能 耗的智能通风系统尤为重要。
2.2.1 地铁站内环境质量指标
根据国家地铁设计规范中指出夏季车站中心温度不得超过 25℃ ，采用通风 系统时室内每个乘客每小时所获的新鲜空气量不少于 30 平方米。采用空调系统 时每个人所获得的新鲜空气含量不得少于 12.6 平方米。当车站内发生火灾事故 时，应具备排烟、通风功能。车站公共区内的二氧化碳 (CO2)日平均浓度应小于 1.5%。车站内空气中存在的可吸入颗粒物浓度应小于 0.25mg/平方米[6]。
2.2.2 系统需求分析
本文设计的地铁站智能通风系统需求分析如下：
(1) 地铁站位于地下，站内环境多变充满不确定性，将多种传感器如温度传感器、湿度传感器、空气质量传感器、危险气体传感器等布局在不同点位进 行实时监测以此达到全面监测，传感器将数据发送到主控芯片上，主控芯片 进行分析和校准数据以此得到准确数值。
(2) 系统需要具有手机端监控功能，除了固定的显示屏获取实时更新得 到的数据，微处理器还能通过蓝牙将数据发送到手机，在手机上通过 APP 可 以查看实时的环境数据和收到报警信息，有助于车站管理员第一时间内收到 通知并进行险情处置。
(3) 系统需要具有通风装置、空调多设备联动功能。系统在收到传感器 数据后进行分析， 自动判断是否需要打开空调和是否需要打开通风系统， 以 此营造舒适的候车环境。
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