基于ZigBee的下穿式立交橋積水深度提示系統(tǒng)

尹月彤　胡宏偉　劉維富　尹浩　孫儀

關(guān)鍵詞：ZigBee技術(shù)；積水深度；上位機軟件

中圖分類號：TP391 文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）12-0026-03

0 引言

現(xiàn)代城市交通網(wǎng)絡(luò)日趨密集，下穿式立交作為一種傳統(tǒng)的跨越形式隨處可見。因下穿式立交的橋洞低于路面，遇到暴雨天氣時積水的概率增大，產(chǎn)生巨大的安全隱患。在2019年8月的沈陽特大暴雨中，西塔橋下嚴重積水，造成駕駛員溺亡。在2020年6月的沈陽暴雨中，仍然有多處下穿式立交橋嚴重積水。而目前為提示人員、車輛誤入下穿式立交橋深水路段的方案有水位標(biāo)尺，遠程路況監(jiān)控等。存在較為明顯的缺點：1） 水位標(biāo)尺不夠直觀，駕駛員在駕駛過程中很難快速準(zhǔn)確識別水位是否危險，尤其在夜間更是無法看清刻度；2） 僅能提示當(dāng)前的積水深度，而依據(jù)當(dāng)前的積水深度數(shù)據(jù)，過往的行人和車輛往往不能對下一步路徑選擇作出充分的判斷。本文針對立交下積水深度信息溝通不暢的情況，研究構(gòu)建基于ZigBee技術(shù)的下穿式積水深度提示系統(tǒng)，系統(tǒng)具有橋下積水的實時監(jiān)測和水位信息預(yù)測功能[1]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

超聲液位傳感器節(jié)點以CC2530芯片為核心，分布在下穿式立交橋頂部，組建覆蓋立交橋下區(qū)域的無線網(wǎng)絡(luò)，通過協(xié)調(diào)器節(jié)點將傳感器節(jié)點采集的數(shù)據(jù)經(jīng)互聯(lián)網(wǎng)傳送至監(jiān)控中心軟件，數(shù)據(jù)通過監(jiān)控中心軟件進行實時積水水位的監(jiān)測，同時利用積水深度預(yù)測模型對積水深度進行預(yù)測[2]。當(dāng)橋下短時間內(nèi)可能出現(xiàn)積水或已經(jīng)出現(xiàn)積水時，系統(tǒng)將提示并通知用戶注意通行安全，用戶通過終端設(shè)備安裝的App軟件接收并查看橋下相關(guān)水位深度信息。系統(tǒng)工作示意圖如圖1所示。

為了進行實時水位監(jiān)測，由分布在下穿式立交橋頂部的超聲液位傳感器采集的實時水位信息，匯集到ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點，經(jīng)由互聯(lián)網(wǎng)或者移動網(wǎng)絡(luò)傳至監(jiān)控中心軟件，系統(tǒng)會對上傳的數(shù)據(jù)自行進行檢測比對，判斷當(dāng)前水位所處的積水深度級別，警示信息將在立交橋入口路情信息提示屏上顯示，同時該信息會一并顯示在監(jiān)控中心軟件和用戶終端App。為了提供積水預(yù)測信息，在實時獲取的積水深度信息基礎(chǔ)上，監(jiān)控中心軟件中輸入積水速度、排水速度和不同等級積水深度閾值，依據(jù)積水深度預(yù)測模型，計算橋下積水深度到達不同積水深度閾值的時間，水位預(yù)測信息將同時在監(jiān)控中心軟件和用戶終端App上顯示，從而為過往的車輛和行人提供路徑選擇的依據(jù)[3]，系統(tǒng)工作原理如圖2所示。

2 系統(tǒng)硬件仿真設(shè)計

系統(tǒng)硬件利用《京勝世紀(jì)物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真實驗平臺》進行搭建，效果如圖3所示。圖中利用協(xié)調(diào)器、路由器模擬真實節(jié)點，組建星形拓撲結(jié)構(gòu)ZigBee網(wǎng)絡(luò)；通過在路由器節(jié)點搭載超聲液位傳感器和液位模擬器模擬各節(jié)點水位深度數(shù)據(jù)采集；各節(jié)點將采集到的水位深度數(shù)據(jù)匯聚到協(xié)調(diào)器節(jié)點，協(xié)調(diào)器節(jié)點通過串口與網(wǎng)關(guān)相連接；監(jiān)控中心軟件和用戶終端App將通過訪問網(wǎng)關(guān)獲取ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳遞的數(shù)據(jù)[4]。

ZigBee設(shè)備按照協(xié)議規(guī)定的格式，通過網(wǎng)關(guān)與上層應(yīng)用進行數(shù)據(jù)的交互?？刂泼顢?shù)據(jù)格式為A5BB CC DD DD DD DD DD 5A，由協(xié)調(diào)器廣播給各節(jié)點；各節(jié)點通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳遞監(jiān)測數(shù)據(jù)，格式為B5BB CC DD DD DD DD DD 5B；其中A5或者B5是節(jié)點數(shù)據(jù)包頭，5A或者5B是數(shù)據(jù)包尾；BB為指定WSN設(shè)備類型（協(xié)調(diào)器為00） ；CC為指定WSN設(shè)備類型的地址；5位DD代表長度為5的數(shù)據(jù)位。

網(wǎng)關(guān)通過網(wǎng)絡(luò)信息與應(yīng)用軟件進行數(shù)據(jù)交互，通過串口與協(xié)調(diào)器節(jié)點交互數(shù)據(jù)，如圖4所示，網(wǎng)關(guān)分別通過不同接口傳遞數(shù)據(jù)包。網(wǎng)關(guān)從應(yīng)用軟件接收ping指令（A5 00 00 FF FF FF FF FF 5A） ，并且轉(zhuǎn)發(fā)；然后從串口接收到終點節(jié)點的采集數(shù)據(jù)信息，例如B549 01 00 00 00 0A FF 5B，其中49表示設(shè)備類型，即超聲波液位傳感器；01表示地址，即設(shè)備地址；00 00 000A FF表示長度為5的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)位0、1、2、3的數(shù)值為0A代表液位數(shù)據(jù)，即水位為10mm，數(shù)據(jù)位4固定為0xFF。在本文中假設(shè)立交橋下布置了5個超聲液位傳感器節(jié)點用于積水深度信息的獲取。

3 系統(tǒng)上位機軟件設(shè)計

上位機軟件具有實時積水深度監(jiān)測和預(yù)測的功能；積水深度監(jiān)測功能通過解析傳感網(wǎng)采集的下穿式立交橋下的積水深度數(shù)據(jù)來實現(xiàn)；為了實現(xiàn)積水深度預(yù)測功能，設(shè)計了積水預(yù)測模型，結(jié)合實時積水深度和降雨信息預(yù)測積水水位的變化[5]。上位機的人機交互界面基于C#語言設(shè)計，軟件設(shè)計要考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性，安全性和可靠性，系統(tǒng)的實時操作能力，用戶界面的友好性。

3.2 上位機軟件功能模塊

上位機軟件有監(jiān)控中心軟件和終端App兩種形式。監(jiān)控中心軟件具有傳感網(wǎng)絡(luò)連接、降雨信息輸入、積水深度實時監(jiān)測和積水深度預(yù)測等功能，由交通監(jiān)管部門的管理員操作使用。管理員通過輸入網(wǎng)關(guān)和端口號可以連接橋下積水監(jiān)測的傳感網(wǎng)絡(luò)，獲取實時積水深度信息[6]；結(jié)合該信息，同時輸入降雨信息和積水等級閾值，管理員可以獲取積水深度預(yù)測信息。監(jiān)控中心管理軟件如圖5所示。

用戶終端App具有用戶登錄，獲取橋下實時積水深度信息與積水深度變化信息的功能，可以在手持終端設(shè)備上安裝，為橋下過往的行人和駕駛員提供路徑選擇的依據(jù)，終端App的使用界面如圖6所示。

4 總結(jié)

本文在對下穿式立交橋橋下積水且信息提示不到位的現(xiàn)狀和市場現(xiàn)有產(chǎn)品應(yīng)用進行充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，結(jié)合過往行人和車輛的實際需求，基于ZigBee技術(shù)組建了覆蓋立交橋橋下通行區(qū)域的無線傳感網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了下穿式立交橋積水深度提示系統(tǒng)的設(shè)計，具有橋下積水深度的實時監(jiān)測和積水深度變化的預(yù)測功能。系統(tǒng)經(jīng)過反復(fù)調(diào)試可正常運行，能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期功能，穩(wěn)定性和可靠性達到了設(shè)計要求。上位機端軟件主體功能模塊均已設(shè)計完成，后續(xù)仍將對軟件的附加功能繼續(xù)完善，使其更符合用戶的需求。