城市道路積水多點監(jiān)測及預警系統(tǒng)設(shè)計

夏志川 鐘小建 阮 飛 劉月龍 柳 寶

（湖北工程學院物理與電子信息工程學院，湖北孝感 432000）

1 引言

科暴雨所導致的道路積水不僅有可能直接導致個人及公共財產(chǎn)損失，還可能導致交通中斷及環(huán)境污染，影響城市的正常生產(chǎn)生活秩序。目前，隨著城市化高速發(fā)展，城市氣候和下墊面條件均發(fā)生明顯的變化，城市排水管網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)滯后和排水系統(tǒng)規(guī)劃不夠合理更是加劇了這一問題的嚴重性。

近年來，有一些道路積水形成原因以及排除積水的措施的研究報道[1][2][3]，但其提出解決方法——如升高積水路面高度也易導致附近道路積水，不能較好的解決實際問題，而且沒有對路上行人和車輛做出警示。而且，國內(nèi)各大城市的道路積水監(jiān)測與報警都沒有形成體系。針對以上分析，基于上下位機設(shè)計了城市道路積水多點監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了低成本、易維護和高穩(wěn)定性的道路水位的實時監(jiān)測及預報技術(shù)，并進行了相關(guān)實驗。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

城市道路積水多點監(jiān)測及預警系統(tǒng)框圖如圖1所示，系統(tǒng)以兩片AT89S52單片機為下位機，分別模擬兩個監(jiān)測點，以STM32單片機為上位機，模擬監(jiān)測中心。整個系統(tǒng)由監(jiān)測站STM32單片機系統(tǒng)、監(jiān)測點AT89S52單片機系統(tǒng)、水位測量傳感電路、無線通訊電路、TFT液晶顯示電路、數(shù)碼管顯示電路、LED指示電路和鍵盤控制電路組成。其中，上位機主機負責與各個監(jiān)測點進行通信，實時采集并處理各個監(jiān)測點的數(shù)據(jù)。監(jiān)測點從機負責采集測量點的實時水位數(shù)據(jù)，根據(jù)水位狀態(tài)進行不同的報警提示，最后通過無線方式將數(shù)據(jù)發(fā)送至下位機主機STM32。

在監(jiān)測點從機系統(tǒng)，水位數(shù)據(jù)傳感器采用松下D3A，水深顯示采用數(shù)碼管，交通指示采用LED指示，A/D轉(zhuǎn)換為TLC1543模數(shù)轉(zhuǎn)換器。在監(jiān)測點主機系統(tǒng)中，TFT液晶用于顯示各個監(jiān)測點的實時水位信息，并配有語音報警模塊，可以進行實時的播報。無線模塊采用HC-11無線串口模塊。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊

水位數(shù)據(jù)測量傳感器采用松下D3A傳感器，其是一種無接觸式的傳感器，通過感受氣壓來實現(xiàn)對壓力的測量，其詳細的技術(shù)參數(shù)如表1所示

表1 松下D3A壓力傳感器技術(shù)參數(shù)

由于傳感器輸出為模擬信號，且考慮到系統(tǒng)精度需求，A/D轉(zhuǎn)換器采用TLC1543模數(shù)轉(zhuǎn)換器[4][5]。該轉(zhuǎn)換器為高速（10μS轉(zhuǎn)換時間）、高精度（10分辨率，最大±1LSB不可調(diào)整誤差）轉(zhuǎn)換器，可通過軟件編程設(shè)置增益、信號極性、輸入通道等。

2.3 無線通信模塊

設(shè)計中采用基于CC1101無線串口模塊來實現(xiàn)無線通訊功能，其中，CC1101是一款低于1GHz高性能射頻收發(fā)器，工作頻段為387.0MHz～464.0MHz ；支持0.6kbps～500kbps的數(shù)據(jù)傳輸速率和多種調(diào)制模式(OOK、ASK、GFSK、2-FSK、4-FSK和MSK) ；通過4線SPI接口與MCU連接，同時提供2個可設(shè)定功能的通用數(shù)字輸出引腳。工程實際中，MCU與無線通信模塊以半雙工的方式傳輸數(shù)據(jù)[6][7]。

由于HC-11無線模塊供電電壓為3.3V，而AT89S52單片機的管腳電壓為5V，故串口連接時需要相互轉(zhuǎn)換，這樣才能保證通信正常進行。設(shè)計的轉(zhuǎn)換接口電路如圖2所示，無線模塊發(fā)送端，數(shù)據(jù)傳輸采用P421光耦進行耦合，而接收端采用對電阻進行分壓實現(xiàn)。

圖2 無線模塊與AT89S52單片機的接口電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 上位機STM32程序流程

上位機任務(wù)是與各個監(jiān)測點通信，可以修改各個監(jiān)測點水位警戒值，向各個點請求并接收當前的水位值，然后在上位機TFT液晶上進行顯示。其程序流程圖如圖3所示，系統(tǒng)上電初始化之后，上位機STM32首先調(diào)出顯示界面，然后詢問是否設(shè)置新的警戒值，在設(shè)置完成之后將新值發(fā)送至下位機。之后請求各個監(jiān)測點水位數(shù)據(jù)，接收到當前水位數(shù)據(jù)之后，在液晶屏上進行顯示。

3.2 監(jiān)測點下位機程序流程

下位機程序流程如圖4所示：先對系統(tǒng)進行初始化，然后不停的進行AD采集，將采集到的AD值通過一定的軟件算法轉(zhuǎn)化成水位深度值，再在數(shù)碼管上顯示出來，并將深度值通過無線通訊發(fā)給監(jiān)控系統(tǒng)。同時將深度值與警戒線相比較，如果深度值大于警戒線，則紅燈亮，表示積水過高，該路段禁止通行；如果深度值低于警戒線而高于警戒線的二分之一，則黃燈閃，表示該路段有一定的積水，但可以緩慢通行；如果深度值低于警戒線，則綠燈亮，表示該路段可以正常通行。

圖3 上位機STM32程序流程

圖4 監(jiān)測點下位機程序流程

3 實驗測試及數(shù)據(jù)分析

依靠上述設(shè)計，搭建了實物系統(tǒng)，上位機系統(tǒng)和下位機系統(tǒng)實物分別如圖5(a)和5(b)所示，經(jīng)上電測試，系統(tǒng)工作正常。采用該系統(tǒng)，制定的實驗測試步驟如下：首先將系統(tǒng)各模塊電路連接好，將透明塑料導管的一端連接壓力傳感器，另一端放如玻璃容器底部，并彎折一小段（防止水位太高時水壓入導管產(chǎn)生測量誤差）；之后給下位機系統(tǒng)和上位機監(jiān)控系統(tǒng)通電，待系統(tǒng)工作穩(wěn)定后，向容器內(nèi)緩慢注入清水，每隔一定高度，用米尺測量水位高度，并記錄對應(yīng)的測量值。

圖5 系統(tǒng)實物圖

考慮到測試水溫對傳感器數(shù)據(jù)有一定的影響，分別在不同的水溫下進行了上述的測試實驗，數(shù)據(jù)如表2所示，可見不同的測試溫度和不同水深值對測試結(jié)果都會產(chǎn)生一定的影響。

表2 測試實驗數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

采用上下位機系統(tǒng)實現(xiàn)了城市道路積水多點監(jiān)測系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上進行了相關(guān)測試實驗，得出了以下結(jié)論：

1.經(jīng)過實物測試，系統(tǒng)工作正常，成本較低

2.采用D3A傳感器進行測試時，不同的水溫和不同水深值均會影響測量結(jié)果，但本文未作深入研究。

實驗中對不同的測試溫度和傳感器的測量線性度均為涉及，這是下一步研究的方向。

[1]潘崇倫.上海市下立交積水自動監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].水利信息化, 2010(2):42-44

[2]萬勝磊, 左林遠, 王松吉.萊西市區(qū)道路積水監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].山東水利, 2011, (11):61-62, 65

[3]徐海軍, 劉林海.電子水尺在城市道路積水監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].水利信息化, 2010(6):45-47

[4]郭鳳儀, 李斌, 馬文龍, 等.深水水深檢測用壓力傳感器補償方法研究[J].儀表技術(shù)與傳感器,2010,(6):6-8

[5]元保軍.壓力式雨量及路面積水檢測的WSN節(jié)點設(shè)計[D].南京:南京信息工程大學, 2011.

[6]郝迎吉.遠距離水位智能監(jiān)控系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[J].儀器儀表學報, 2004, (6):809-812.

[7]王新慶.基于GIS的城市道路積水可視化關(guān)鍵問題研究[D].北京：北京工業(yè)大學碩士學位論文, 2009

[8]鄭義,陳俊.用AT89C52和TLC1543實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].電子世界,2004,(12):24-25

[9]林雪梅,彭佳紅,姚志成.單片機多機通信協(xié)議的設(shè)計[J].微計算機信息,2006,22(22):24-27, 125.

[10]賀敬凱,潘曉寧,王瑞春.多機串口通訊協(xié)議的設(shè)計[J].深圳信息職業(yè)技術(shù)學院學報, 2011,9(1): 48-51