基于STM32的城市內(nèi)澇水位監(jiān)測系統(tǒng)設計

徐智凡，吳有龍，楊方宜，賈 方，周圩穎，陸昱帆，陳文豪

（1.金陵科技學院 電子信息工程學院，江蘇 南京 211169；2.金陵科技學院 智能科學與控制工程學院，江蘇 南京 211169）

0 引言

近年來，由于國內(nèi)極端天氣頻繁發(fā)生，許多城市發(fā)生嚴重內(nèi)澇[1]，“城市看海”現(xiàn)象幾乎每年都出現(xiàn)，且頻率呈上升趨勢。比如2021年7月鄭州地區(qū)的特大暴雨災害，根據(jù)鄭州市公安局交警支隊統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，截至2021年7月6日鄭州市新能源汽車保有量是12.1 萬輛，而在此次災害中至少有1 萬輛面臨泡水問題[2]。鄭州市建立了暴雨洪澇預警預報服務系統(tǒng)，但該系統(tǒng)局限性較大，僅能在整體尺度上對市區(qū)內(nèi)澇進行一定的預警，并不能進行積水實時精準監(jiān)測與精細化交通疏導。因此，需要設計水位監(jiān)測系統(tǒng)進一步降低車輛在通行中的風險[3]，幫助車輛安全通行，及時提供通行信息，協(xié)助解決城市內(nèi)澇所造成的通行問題，構(gòu)建出城市防澇的工程體系，推進城市內(nèi)澇的治理。

針對不同的環(huán)境，國內(nèi)有不少關于水位監(jiān)測方面的研究。例如，張森[4]為監(jiān)測煤礦井下的水位信息，設計基于機器視覺的礦用水位監(jiān)測系統(tǒng)。國外也有不少這方面的研究，Chi等人[5]研究了一種高精度、低功耗的智能城市無線水位監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)裝置。Ufuoma 等人[6]研究了一種能夠監(jiān)測水位變化規(guī)律的相機傳感器，以應對洪水對公共設施的危害。STM32單片機技術、多傳感器數(shù)據(jù)融合技術被廣泛應用于交通數(shù)據(jù)的采集[7,8]。

要解決由城市內(nèi)澇導致的車輛通行問題，降低車輛道路通行的風險，協(xié)助建設城市排水防澇工程體系[9,10]，設計水位監(jiān)測系統(tǒng)是有效手段，具有可靠的實用價值。在車輛通行前對道路水位以及設備環(huán)境狀況進行監(jiān)測，做好提前預警的準備。當所測區(qū)域水位多處預警，可及時通知交通管理部門進行道路緊急搶救，保障交通的通暢。本文主要利用北斗定位技術、傳感器技術等物聯(lián)網(wǎng)技術設計一種基于STM32 的城市交通水位監(jiān)測系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設計

基于STM32 的城市內(nèi)澇水位監(jiān)測設計硬件部分主要是以STM32 單片機作為核心處理器，采用北斗定位，通過激光測距模塊WT53R、DHT11 溫濕度模塊、慣性傳感器、氣體監(jiān)測模塊、北斗定位模塊采集相應的數(shù)據(jù)，發(fā)送給單片機處理，然后通過4G 模塊，以MQTT 協(xié)議發(fā)送給騰訊服務器。主要實現(xiàn)如下功能：顯示設備所在環(huán)境，實時顯示設備位置、環(huán)境溫濕度，測量水位高度是否可使車輛正常通過。此外，當超過設定閾值時，向服務器發(fā)送報警信息和位置信息?？傮w設計流程如圖1所示。

圖1 總體設計流程

交通水位監(jiān)測設計在滿足防水防風、安裝方便等安全要求的基礎上，通過在水位監(jiān)測附近位置布局其他傳感元件，實時監(jiān)測現(xiàn)場數(shù)據(jù)。監(jiān)測的實時數(shù)據(jù)主要包含以下3 大類：

（1）交通道路環(huán)境數(shù)據(jù)，包括氣溫、濕度、空氣質(zhì)量等；

（2）實時監(jiān)測水位數(shù)據(jù)，判斷是否可安全通行；

（3）水位監(jiān)測系統(tǒng)信息，包括設備位置、設備姿態(tài)、周圍環(huán)境等。

2 硬件設計

2.1 硬件總體設計

硬件設計使用STM32 單片機控制系統(tǒng)正常工作，開發(fā)板承載單片機控制模塊、激光測距模塊、慣性傳感器模塊、北斗模塊、溫濕度模塊，通過4G 模塊傳輸數(shù)據(jù)到控制模塊以及連接服務器各個部分。要求所有模塊同時工作，實現(xiàn)對城市交通水位情況的實時監(jiān)測。

2.2 STM32 開發(fā)板

整個水位監(jiān)測系統(tǒng)通過STM32F407 開發(fā)板進行控制，首先通過串口發(fā)送指令對4G 模塊進行初始化，判斷4G 模塊初始化成功后進行下一步操作，若初始化失敗，則重新進行初始化；然后傳感器開始工作，對水位監(jiān)測的相關數(shù)據(jù)進行處理，依據(jù)設定的閾值判斷是否發(fā)出警報；最后通過4G模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到服務器并存儲在數(shù)據(jù)庫中，傳感器暫停工作，待到設定的間隔時間結(jié)束繼續(xù)進行數(shù)據(jù)的采集、分析、上傳。硬件連接如圖2所示。

圖2 硬件連接

2.3 激光測距模塊

系統(tǒng)采用維特智能激光測距傳感器WT53R，由于水位監(jiān)測系統(tǒng)使用環(huán)境處于戶外，該模塊具備防水功能，工作穩(wěn)定。采用高精度測距傳感器與相應的光學過濾蓋片有效地濾除光學干擾。該傳感器自帶硬件報警功能，使用時可以根據(jù)危險水位值設置報警閾值，當測量距離小于報警閾值時，報警線會產(chǎn)生報警電平（低電平）信號；距離傳感器采用工業(yè)標準ModBus 協(xié)議，ModBus 通信命令分為讀命令與寫命令兩種，0x03（讀命令）讀取相應寄存器數(shù)據(jù)，0x06（寫命令）向相應寄存器寫入數(shù)據(jù)。監(jiān)測預警流程如圖3所示。

圖3 監(jiān)測預警流程

2.4 慣性傳感器模塊

水位監(jiān)測系統(tǒng)中采用慣性傳感器測量設備的情況，防止設備出現(xiàn)位置的偏移導致測量水位數(shù)據(jù)錯誤，采用JY901S型號傳感器通過加速度計、陀螺儀、磁強計等測量數(shù)據(jù)，經(jīng)過軟件算法解算，依據(jù)采樣的原始數(shù)據(jù)和當前的傳感器角度推算出新的姿態(tài)角度，并更新系統(tǒng)對應的均方誤差和狀態(tài)信息。姿態(tài)傳感器解算的過程主要分為傳感器修正、狀態(tài)估計、觀測量計算、濾波融合修正、角度更新等步驟。解算基本過程如圖4所示。

圖4 解算基本過程

3 功能闡述

3.1 實時水位顯示

在北斗模塊的基礎上，定位每一個硬件的具體位置，使用激光測距模塊，管理者可以實時了解到當?shù)氐乃簧疃?，針對不同的水位情況，及時做出道路引導的調(diào)整，實時水位檢測還能夠方便管理層了解何處有水位暴漲的情況，能快速做出決策來進行救援。

3.2 網(wǎng)頁界面功能

使用了前后端分離技術，對于網(wǎng)頁開發(fā)后端采用SpringBoot、MybatisPlus、Swagger、Maven等實用工具來促進后端實用功能的開發(fā)。前端采用VS code、HTML、CSS、JavaScript 等使頁面更加精美，對于前后端數(shù)據(jù)交互采用Ajax，開發(fā)工具使用的是IDEA 集成開發(fā)工具。頁面首頁如圖5所示。

圖5 頁面首頁

3.3 設備狀態(tài)信息

硬件設備端采集完各個模塊的具體數(shù)據(jù)，通過串口發(fā)送至4G 模塊，4G 模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至EMQ 代理服務器，借助EMQ 服務器將硬件端數(shù)據(jù)發(fā)送至數(shù)據(jù)庫中。數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)會經(jīng)過后端的處理，前端直接會根據(jù)后端的不同功能，取到相應的數(shù)據(jù)顯示在前端。在客戶端可以看到設備的相關數(shù)據(jù)，讓管理者能夠?qū)崟r了解到當前設備所處環(huán)境的情況。

3.4 水位情況信息

在硬件端將數(shù)據(jù)發(fā)送至服務器之后，后端同步將數(shù)據(jù)傳到前端，客戶端同樣可以看到設備所在地水位的實時情況，了解到當?shù)氐乃磺闆r。使得客戶能夠判斷目標道路是否能夠使車輛安全通過，及時做出反應，決定是否通過當前路段，保證車輛安全。水位監(jiān)測情況如圖6所示。

圖6 水位監(jiān)測情況

4 可視化數(shù)據(jù)大屏

設備狀態(tài)總覽功能可將設備日常數(shù)據(jù)以可視化形式在大屏上展示，實現(xiàn)對天氣信息、降水情況、車輛通行狀況等信息進行實時匯總和數(shù)據(jù)顯示。通過此數(shù)據(jù)化大屏，管控人員可及時發(fā)現(xiàn)交通道路上的異常情況，并及時采取合理的應急措施，以實現(xiàn)對城市交通的智能化管理。主要采用Visual Tools 進行數(shù)據(jù)大屏開發(fā)，其中的組件、數(shù)據(jù)等較豐富，代碼開源，便于數(shù)據(jù)大屏的開發(fā)。該功能可以對整個網(wǎng)站的數(shù)據(jù)通過可視化大屏的方式呈現(xiàn)，能夠?qū)崟r地展示水位的變化，方便管理人員快速地找到需要的數(shù)據(jù)。

在設備狀態(tài)總覽這一功能上，選擇采用數(shù)據(jù)大屏的形式來展示，不僅可以方便管理者查看數(shù)據(jù)，還能夠?qū)崟r地展示涉水深度的變化以及降水趨勢，能夠及時地反映道路上的預警等級，為管理者提供最直觀的安全顯示和操作建議，從而輔助管理者采取相應的措施，提升水位監(jiān)測的智能化管理和安全防護水平，是水位監(jiān)測及其管控平臺中最核心的技術組成部分。信息總覽如圖7所示。

圖7 信息總覽

5 結(jié)語

當前，由于強降雨天氣導致的城市內(nèi)澇問題時有發(fā)生，為了降低該問題對城市交通造成的惡劣影響，本設計基于STM32 開發(fā)板，結(jié)合激光測距、慣性傳感器、溫濕度和氣體檢測等模塊，實時監(jiān)測交通道路的水位情況，并且將測量數(shù)據(jù)傳送到網(wǎng)頁中，同時使用可視化數(shù)據(jù)大屏的形式直觀、清晰地展示監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化情況，協(xié)助管理人員進行道路疏通，降低車輛在行駛過程中的風險，協(xié)助建設城市排水防澇工程體系。