【案例分享】基于开源鸿蒙的隧道安全管理系统设计与实现

基于开源鸿蒙的隧道安全管理系统设计与实现

摘要：

针对隧道施工时面临的诸多挑战进行研究。首先，由于隧道处于半封闭状态，易受自然灾害和地质条件恶化等因素影响，引发硫化氢、二氧化硫、氨气等有害气体泄漏以及隧道漏水、隧道岩壁位移等危险，最终导致安全事故发生。其次，施工人员作为施工现场中最活跃且贯穿整个工程的关键因素，人员管控是现场施工管控的重点。第三，当前隧道监测技术单一，操作系统国有化程度低。针对以上三点，设计并实现了基于开源鸿蒙的隧道安全管理系统。该系统主控芯片采用华为海思Hi3861V100芯片，利用多种环境监测传感器和RFID射频技术实现隧道施工的环境数据实时采集和应急报警，及人员的实时定位，最后通过MQTT协议实现设备与华为云IoTDA平台的数据交互。实验测试表明，该系统能够有效解决上述三大问题，显著提升隧道施工过程中的安全管理 水平。 

关键词：Hi3861V100；Openharmony ；RFID 定位；MQTT；华为云物联网平台；隧道安全

0 引言

随着我国智慧交通的快速发展，轨道交通建设已成为一项至关重要的国家战略。交通基础设施作为我国的经济命脉和文化纽带，不仅承载着“新丝绸之路”的梦想，而且正在逐步向智能交通转型。在整个转型过程中，道路建设和交通安全仍然是首要问题。 

在我国，面积辽阔且多山的地形使得隧道成为交通基础设施的重要组成部分。然而，当前我国在隧道施工阶段面临诸多的挑战：高难度、高风险、众多的环境不确定性以及车辆和人员进出的复杂管理^[1]。在隧道内部施工，存在隧道顶部岩石坍塌、有害气体泄漏、突发火灾以及被困工人难以实时定位等危险^[2]。 

目前，中国的隧道管理系统大多基于Linux、Android和Windows 等国外操作系统，国产操作系统在此领域应用比例较低，且系统的功能太过单一，集成度低。2020年9月10日，国产操作系统Openharmony 1.0版本正式上线，为此提供了新的解决方案^[3]。 

为了应对这些挑战，本系统以Hi3861V100为主控芯片，基于Openharmony 3.0 小型系统设计了一套隧道安全管理系统。系统的通信网络通过WiFi方式实现中控与服务器之间的连接，而服务器与华为云之间则采用MQTT通信协议连接，确保了数据的实时监控和控制，该设计可以对隧道安全进行实时管理，从而有效提升隧道的安全性^[4]。

1 系统整体架构 

本系统架构分为三层，分别是感知层、网络层、应用层^[5]，如图1所示。感知层用于采集数据，其由多种传感器和应急设备组成，如温湿度传感器、光照传感器、距离传感器、红外线传感器、空气质量传感器、三色RGB灯、蜂鸣器、风扇、LED灯以及数字安全帽中的电子标签和超高频RFID（Radio Frequency Identification, RFID）读写器。当隧道内部施工温湿度和空气质量传感器检测到的数据超过设定的值时，会触发应急设备风扇和蜂鸣器开启，以及三色RGB灯发出红光作为警示。当隧道施工时顶部岩石发生位置偏移时，距离传感器可以检测到厘米级的岩石偏移，同时开启应急设备蜂鸣器以及设定三色RGB灯（显示红色）。 网络层用于将感知层收集到的数据传输到应用层，主要通过WiFi网络实现设备与服务器的通信，再通过MQTT通信协议与华为云IoTDA平台交换数据^[6]。应用层是系统的核心，负责数据的处理、分析响应，分析网络层传输的数据，对隧道进行安全评估，进行实时数据监控。

2 系统设计 

本系统分为两个子系统，分别是环境监控子系统和数字定位子系统。环境监控子系统由温湿度传感器SHT20、三合一传感器（光照、距离、红外）AP3216C、空气质量传感器MQ-135、三色RGB灯AW2013以及控制芯片PCF8574组成，其中PCF8574用于控制LED、蜂鸣器、风扇的状态，实现对隧道内部环境状况的实时获取。数字定位子系统由数字安全帽内嵌RFID标签，配合超高频RFID读写器组成，利用射频识别技术实现了施工人员进出隧道管理、施工人员和检修人员的实时定位，提高了工作效率以及施工安全性。

2.1 系统硬件设计

2.1.1 Hi-12F 模组

本系统Hi-12F模组，该模组基于Hi3861V100芯片设计，被广泛应用于智能家居、智慧城市、智能安防等物联网产品中，其内置PCB天线和WiFi 模组，简化了无线连接的复杂性，确保设备在隧道环境下可稳定通信。该模组还具有高集成度以及紧凑的尺寸，仅为16 mm×24 mm。此外，Hi-12F模组还具有低功耗的特点，在3.3 V 正常供电情况下，功耗仅为235 mA，适合在恶劣环境中使用，以及要求长时间持续运行的隧道安全管理系统中使用，能够极大地降低维护成本。

2.1.2 温湿度传感器SHT20 

SHT20 是由Sensirion 公司出品的高精度、低功耗频率传感器，其采用CMOSens®芯片，内部含有带隙温度传感器和电容式相对湿度传感器，其温度测量范围为-40～＋125 ℃， 在常温25 ℃下精度为0.3 ℃，分辨率为0.01 ℃；湿度测量范围为0～100%RH，精度为3%RH，分辨率为0.01%RH，RH代表相对湿度。

SHT20采用数字信号输出，通过I2C总线接口通信，对应的7位I2C地址为0×40。 

SHT20 是环境监控子系统的关键组件之一，用于监控隧道内部的温湿度情况。隧道作为一种半密闭空间，易发生火灾和水泄漏事件。即部署SHT20温湿度传感器对预防并及时响应火灾和水泄漏事件至关重要，并能够减少设备的腐蚀损害，保证施工人员的安全。SHT20电路连接如图2 所示。 

2.1.3 空气质量传感器MQ-135 

本系统采用MQ-135空气质量传感器，它是一款对氨气、硫化物、苯系蒸汽灵敏度高，对烟雾和其他有害气体监测也较理想的传感器，其具有灵敏度高、寿命长、成本低、驱动电路简单等特点。

MQ-135 输出接口包括模拟输出（AO）和数字输出（DO），本系统采用模拟输出接口，与Hi3861V100芯片的ADC通道通信。MQ-135 作为环境监控子系统的组成部分，适用于监测隧道内部是否发生有害气体泄漏和是否发生火灾^[7]。

2.1.4 三合一环境传感器AP3216C 

AP3216C 是由敦南科技出品的一种集成传感器，其集成了一个数字环境光传感器（ALS）、 一个接近传感器（PS）和一个红外（IR）LED。环境光传感器提供给用户四种可选择的动态检测范围，数据采集范围为0～65 535，具备抗闪烁特性，可以有效避免50/60 Hz的光线闪烁干扰。接近传感器具有10 bit有效线性数据输出，数据采集范围为 0 ～1 023。 

AP3216C采用标准的I2C接口，支持400 kHz的通信频率，对应的7位I2C地址为0x1E。 

AP3216C 作为环境监测子系统的一部分，其接近传感器可用于监测隧道内的光照情况以及隧道内部岩壁是否发生形变。在隧道施工时，其内部空间一般呈半封闭状态，容易发生水泄漏造成设备线路腐蚀，从而导致灯光熄灭。同时，在隧道施工时，两侧岩壁和顶部岩壁受到环境和设备的影响容易发生形变导致隧道塌方，给施工人员带来生命安全危险，所以隧道内岩壁形变的监测至关重要。AP3216C电路连接如图3所示。

2.1.5 I/O 扩展芯片PCF8574

本系统采用I/O扩展芯片PCF8574来控制LED、蜂鸣器、风扇的状态。PCF8574通过I2C总线接口与Hi3861V100通信，使用少量引脚便可控制更多的外围设备，极大地提高了系统的可扩展性^[8]。 

当隧道内部发生有害气体泄露、火灾等危险情况时，PCF8574 会触发相应的警报并采取施救措施，例如蜂鸣器报警、LED应急灯开启、风扇开启等，也可以通过华为云IoTDA平台下达相应的命令。PCF8574电路如图4 所示。

2.1.6 三色 RGB-AW2013 

本系统采用的AW2013驱动三色RGB灯，其可驱动三个单独的LED或者一组RGB。AW2013通过I2C总线与Hi3861V100 通信，其最大工作频率为 400 kHz，处于快速I2C接口工作模式，对应的7位I2C地址为0x45。其正常工作电压范围为2.5～3.3 V，具有低功耗、低成本、高效益等特点。 

在隧道安全管理系统中，三色LED灯的颜色变化被作为不同危险程度的警示，在无危险区域施工时，三色LED灯显示绿色；当检测到潜在安全危险时，三色LED灯就会转变为黄色进行预警；当发生紧急情况时，三色LED灯转变为红色进行警示，警告车辆和人员禁止靠近。AW2013电路如图5所示。

2.1.7 数字安全帽与读写器 

传统的安全帽只有物理防护功能，具有很大的局限性，而本系统的数字安全帽采用内嵌RFID无源标签的方式，在确保不影响头盔舒适性和防护性能，同时保证信号稳定传输的前提下，在安全帽的前后分别嵌入了一个RFID无源标签。采用深圳远诺德通信公司出品的R200模块作为超高频RFID读写器，通过UART串口与Hi3861V100进行通信。其具有稳定性高、功耗低、体积小、功率高等特点，是低成本RFID 系统的优良选择。 

射频识别技术（RFID）是一种非接触式自动识别技术，通过无线射频的方式在读写器和电子标签之间进行数据 通信。在该系统中，读写器中接入了陶瓷天线，根据天线的发射频率可以实现不同距离的标签读写，而电子标签包括电子芯片和标签天线。当数字安全头盔进入读写器的识别范围中时，读写器发射的射频信号通过陶瓷天线产生的电磁波传播到数字安全头盔内的电子标签，电子标签接收到射频信号后将信号中的能量转为电能存储到电容当中，标签利用存储的电能激活电路，并与读写器通信^[9]。读写器与电子标签的通信原理如图6所示。

数字安全帽在此系统中有两个重要的功能，分别是实时区域定位功能和灾后提供急救定位信息功能。

2.2 系统软件设计 

2.2.1 鸿蒙开发环境搭建 

本系统软件可采用两种方式进行开发，分别是Ubuntu+Windows 模式和Windows 模式。在第一种开发模式下，Ubuntu 作为整个系统开发的编译服务器，Windows作为整个系统开发的烧录、编译调试服务器，其中烧录需使用华为海思提供的Hiburn烧录软件；在第二种开发模式下，需要用到华为提供的DevEco Device Tool软件工具，以及Microsoft 提供的Visual Studio Code 软件工具，DevEco Device Tool 软件工具提供了一站式开发环境，可以直接获取需要的Openharmony源码，实现了编码、编译、调试、烧录环节的全覆盖^[10-12]。 

本次开发选择相对简单的Windows模式，免去了源码从Ubuntu 镜像到Windows烧录的麻烦。最后在MobaXterm终端软件上进行调试工作。

2.2.2 系统工作流程 

WF-H861-RTA1 模组在上电之后，会进行三合一传感器AP3216C、温湿度传感器SHT20等各个外设模块的初始化。 Hi3861V100 的 WiFi 功能会通过驱动程序中预定义的SSID和密码连接无线网络，成功联网后将自动连接MQTT服务器。MQTT通信协议具有轻量、代码开销低、成本低、可靠性高等特点，这些特性使其成为物联网应用中理想的通信协议，特别是在资源受限的嵌入式系统中。MQTT通过发布和订阅的方式通信，通信中的数据和命令以JSON格式传输。MQTT通信方式如图7所示。

2.2.3 物联网平台搭建 

本系统采用华为云IoTDA平台。首先用户需要注册华为云账户并登录华为云，进入华为云控制台之后，选择控制台地区为北京四，搜索IoTDA服务，选择设备接入IoTDA。接着根据平台提供的MQTT服务器IP地址和端口号创建产品模型，配置设备的接入参数。在产品模型下添加服务ID和服务类型，然后在此服务下添加所需要的属性，用于上传开发板上的数据，例如风扇状态、蜂鸣器状态等。也可在此服务下添加命令，用于控制开发板上的设备。

添加华为云IoTDA 设备管理属性如图9所示。最后根据设备信息，在华为云提供的MQTT Client ID生成工具—Huaweicloud IoTDA MQTT ClientId Generator 中生成用户名和密码。通过Windows下的CMD控制窗口连接MQTT接入地址，得到MQTT服务器的IP地址，将此MQTT服务器IP地址和MQTT服务器IP端口号，以及生成的用户名、密码和设备ID烧写进开发板，重启开发板，初始化各传感器设备，成功完成设备与华为云IoTDA平台的连接。

3 系统验证与测试 

本系统采用模拟的方式进行系统验证与测试，设备搭建完成之后，Hi3861V100上电，连接WiFi，建立与华为云IoTDA 平台的连接。用户可以通过本地串口终端和华为云网页端进行数据监测和控制。

 设定模拟环境因素，当温度超过设定的30 ℃、湿度超过80%RH代表温湿度异常，启动风扇为洞内通风；当光照强度低于200 lx代表隧道内的灯光状态异常，需进行灯光检查；当距离传感器检测到监测的岩壁处与传感器之间的距离小于设定的10 cm，代表隧道内部岩壁发生形变，启动RGB灯和蜂鸣器预警；当AQI空气质量指数低于15 mg/m3，代表空气中含有有毒物质和烟雾，开启风扇通风，蜂鸣器报警，三色RGB灯变为红色作为警示。同时在华为云IoTDA平台上可以看到各属性的变化，以及在区域A和区域B中的人员定位，如图10所示。通过调试窗口可以看到全部数据，包括接收和下发的命令，如图11所示。

4 结语 

本系统以Hi3861V100作为主控，基于国产嵌入式操作系统、物联网技术以及无线通信技术，与各类传感器和RFID 设备相结合，设计了一种低成本、便捷、高效且安全可靠的隧道安全管理系统。解决了目前国内隧道安全管理系统存在的国产化水平低下、传统安全帽存在局限性以及隧道施工过程中施工人员安全难以保障，因施工安全导致的施工效率低等问题。虽然利用RFID技术实现了隧道内施工人员的实时区域定位，但定位精度有待改善，需要深入研究定位算法和定位所需的读写器数量和天线摆放位置。

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