分布式涵洞水深在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：隨著全球氣溫變化和人類活動(dòng)影響加劇，導(dǎo)致我國(guó)城市洪澇災(zāi)害頻發(fā)，城市涵洞及立交橋下低洼處大量積水問(wèn)題日趨嚴(yán)重，致使汛期街道積水長(zhǎng)久不退進(jìn)而嚴(yán)重影響交通。針對(duì)傳統(tǒng)水位尺只能通過(guò)簡(jiǎn)單數(shù)字顯示水位且極易受夜間環(huán)境影響的局限性，設(shè)計(jì)了一套基于STM32和nRF24L01通信模塊的分布式涵洞水深在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了多點(diǎn)水位監(jiān)測(cè)與警報(bào)功能，并引入了語(yǔ)音播報(bào)和短信通知功能，使監(jiān)測(cè)結(jié)果更直觀、及時(shí)，用以滿足城市交通管理的需要。其具備高效、準(zhǔn)確的水位監(jiān)測(cè)能力，融合了多種報(bào)警機(jī)制，為城市涵洞管理提供了一種全面、智能的解決方案。

關(guān)鍵詞：道路積水；STM32；通信模塊；交通管理；水位監(jiān)測(cè)；城市涵洞

中圖分類號(hào)：TP23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2025）08-00-04

0 引 言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和技術(shù)水平的提高，為了適應(yīng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民對(duì)高質(zhì)量生活的追求[1-3]國(guó)家對(duì)交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)給予了高度重視。在城市化進(jìn)程中，為了緩解交通壓力，建設(shè)了多層立交橋、人行天橋、涵洞和隧道等交通設(shè)施。然而，極端天氣事件的增多，如暴雨和短時(shí)強(qiáng)降雨，給城市排水系統(tǒng)帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)，特別是在地勢(shì)低洼的涵洞和天橋下，積水問(wèn)題尤為嚴(yán)重，不僅會(huì)造成交通堵塞，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)威脅到人民的生命財(cái)產(chǎn)安全[4-7]。

為了應(yīng)對(duì)這一問(wèn)題，政府和相關(guān)部門已經(jīng)開(kāi)始采取行動(dòng)，包括在易積水區(qū)域安裝自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)積水深度，并通過(guò)GSM通信模塊在水位達(dá)到警戒線時(shí)自動(dòng)發(fā)送警報(bào)。此外，一些地區(qū)還嘗試通過(guò)改進(jìn)排水設(shè)施來(lái)減輕積水帶來(lái)的影響。但是，由于成本和技術(shù)的限制，這些解決方案在經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)難以實(shí)施。

與此同時(shí)，我國(guó)也正在積水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研發(fā)方面進(jìn)行積極探索[8-10]。例如，基于STM32F103C8T6的分布式涵洞水深在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，不僅能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)積水深度，還具備語(yǔ)音播報(bào)功能，可在積水達(dá)到危險(xiǎn)高度時(shí)發(fā)出警報(bào)，提醒行人和車輛注意安全。這一系統(tǒng)的研發(fā)體現(xiàn)了我國(guó)在物聯(lián)網(wǎng)、5G通信和人工智能等技術(shù)方面的優(yōu)勢(shì)，為積水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的創(chuàng)新和改進(jìn)提供了新的可能。

盡管我國(guó)在積水監(jiān)測(cè)領(lǐng)域取得了一定的進(jìn)展，但與一些發(fā)達(dá)國(guó)家相比，仍然存在差距。例如，英國(guó)和美國(guó)在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研發(fā)方面已取得顯著成果[11-12]，能夠?qū)Τ鞘械屯莸貐^(qū)的積水水位進(jìn)行連續(xù)實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和信息采集。我們需要借鑒這些國(guó)家的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合自身在相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)，不斷推動(dòng)積水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的技術(shù)進(jìn)步和應(yīng)用普及[13-15]。

此外，傳統(tǒng)的水位指示方法，如在涵洞墻壁上設(shè)置的紅色標(biāo)尺和數(shù)字標(biāo)識(shí)，由于長(zhǎng)期暴露在戶外環(huán)境中，容易褪色變得模糊，無(wú)法有效發(fā)揮作用。因此，需要開(kāi)發(fā)更加耐久和清晰的水位指示方法，以提高駕駛員和行人在夜間或視線不佳時(shí)對(duì)水深的判斷能力，降低風(fēng)險(xiǎn)。

1 總體設(shè)計(jì)方案

基于STM32單片機(jī)的分布式涵洞水深在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由水位傳感器、液晶顯示屏模塊、語(yǔ)音播報(bào)模塊、GSM通信模塊、nRF24L01無(wú)線傳輸模塊和按鍵模塊組成。

水位傳感器用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)涵洞內(nèi)的水位變化；液晶顯示屏用于向來(lái)往行人實(shí)時(shí)顯示水位信息；語(yǔ)音播報(bào)模塊負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)播報(bào)當(dāng)前監(jiān)測(cè)的水位；GSM通信模塊負(fù)責(zé)將STM32單片機(jī)收集的水位信息無(wú)線傳輸至監(jiān)測(cè)手機(jī)；按鍵模塊用于設(shè)定水位閾值和監(jiān)測(cè)終端地址信息；nRF24L01無(wú)線傳輸模塊用于短距離數(shù)據(jù)傳輸，便于主、從板的單片機(jī)通信。STM32單片機(jī)作為整個(gè)裝置的核心處理器，主要功能是收集水位數(shù)據(jù)、處理和分析數(shù)據(jù)、控制顯示屏以實(shí)時(shí)顯示水位高度；語(yǔ)音播報(bào)模塊實(shí)時(shí)播報(bào)水位信息。系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框架如圖1所示，終端負(fù)責(zé)采集信息，通過(guò)無(wú)線模塊向控制主機(jī)發(fā)送信息，控制主機(jī)負(fù)責(zé)顯示、短信報(bào)警、語(yǔ)音提醒等。

信息采集從機(jī)以STM32單片機(jī)為核心，與水位傳感器、nRF24L01無(wú)線通信模塊協(xié)同工作，執(zhí)行數(shù)據(jù)采集和初步處理水位數(shù)據(jù)的任務(wù)。從板負(fù)責(zé)收集水位傳感器的數(shù)據(jù)，并通過(guò)nRF24L01無(wú)線傳輸模塊傳輸給主板。從板系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架如圖2所示。

本系統(tǒng)主板主要負(fù)責(zé)接收整合信息和傳遞水位信息，正常水位信息可通過(guò)液晶顯示屏查看和實(shí)時(shí)語(yǔ)音播報(bào)模塊反饋，超過(guò)閾值后GSM通信模塊向終端發(fā)送預(yù)警信息。主板系統(tǒng)框架如圖3所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 主控制板STM32單片機(jī)電路

主板的主控制電路設(shè)計(jì)以STM32F103C8T6為核心，使用5 V外部電源，并搭載AMS-1117穩(wěn)壓芯片為nRF24L01通信模塊提供穩(wěn)定的3.3 V電源。STM32F103C8T6的引腳配置如下：

按鍵連接：B13、B14、B15、A8引腳連接四個(gè)按鍵，通過(guò)電流限制電阻實(shí)現(xiàn)用戶交互。

GSM模塊：通過(guò)A9和A10引腳與SIM800C模塊的TXD和RXD引腳相連，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送和接收。

OLED顯示：B6引腳連接I2C通信SCK，B7引腳連接SDA，用于STM32與OLED的雙向數(shù)據(jù)傳輸。

nRF24L01模塊：B1引腳連接CS，B0引腳連接CE，A7引腳連接SPI_MOSI，A6引腳連接SPI_MISO，A5引腳連接SPI_SCK，A4引腳連接IRQ，實(shí)現(xiàn)與STM32的通信和數(shù)據(jù)交換。

語(yǔ)音播報(bào)模塊：A2引腳連接TXD，A3引腳連接RXD，用于STM32與語(yǔ)音模塊的數(shù)據(jù)傳輸。

電源管理：5 V電源為主控制器和各模塊供電，AMS-1117的ADJ引腳接地，Vout引腳為nRF24L01供電。

該設(shè)計(jì)確保了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和各模塊的供電需求能夠得到滿足，同時(shí)簡(jiǎn)化了電源管理和通信連接，系統(tǒng)整體電路連接如圖4所示。通過(guò)合理的引腳配置，主機(jī)可驅(qū)動(dòng)所有的硬件。

2.2 從板控制板STM32單片機(jī)電路設(shè)計(jì)

在從板設(shè)計(jì)中，STM32單片機(jī)的引腳與nRF24L01通信模塊相連，實(shí)現(xiàn)主板和從板的穩(wěn)定雙向通信。A0引腳通過(guò)10 kΩ上拉電阻連接水位傳感器，以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水位變化，并在未連接傳感器時(shí)保持高電平。從板也采用電源穩(wěn)壓芯片將5 V電壓降壓至3.3 V，以確保所有模塊在適宜電壓下工作，從而保障系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，準(zhǔn)確獲取的水位數(shù)據(jù)。從板主控制器電路如圖5所示。

2.3 nRF24L01模塊電路設(shè)計(jì)

以主機(jī)為例，詳細(xì)講述各模塊設(shè)計(jì)。將nRF24L01的CS、CE引腳連接到STM32單片機(jī)的B1、B0引腳，供電系統(tǒng)采用3.3 V電壓。nRF24L01模塊電路如圖6所示。

2.4 GSM通信模塊電路設(shè)計(jì)

GSM通信模塊需要與單片機(jī)連接，并且提供合適的電源才可以正常工作。通常情況下，GSM通信模塊需要5 V或

3.3 V電源，因而在本系統(tǒng)中，提供了5 V外部電源以供其正常工作。將本模塊的串行接口TXD引腳連接到STM32單片機(jī)的串行接口A9。同時(shí)，將GSM模塊的電源接口連接適當(dāng)?shù)碾娫?。GSM通信模塊電路如圖7所示。

2.5 OLED顯示模塊電路設(shè)計(jì)

將OLED的輸入、輸出端口分別連接單片機(jī)的B6、B7端口，此處電壓為5 V。OLED顯示模塊電路如圖8所示。

2.6 語(yǔ)音播報(bào)模塊電路設(shè)計(jì)

將語(yǔ)音播報(bào)模塊的TXD、RXD接口與單片機(jī)的A2、A3端口連接，電源電壓為5 V。語(yǔ)音播報(bào)模塊電路如圖9所示。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本程序基于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）開(kāi)發(fā)，主程序界面如圖10所示。設(shè)計(jì)的主程序流程首先在啟動(dòng)時(shí)進(jìn)行了必要的初始化操作，即通過(guò)HAL庫(kù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，包括系統(tǒng)時(shí)鐘的配置、外設(shè)的初始化等，通過(guò)nRF24L01_Check（）函數(shù)檢查nRF24L01模塊是否正常工作，確保通信鏈路正常。隨后，通過(guò)nRF24L01_TX_Mode（）函數(shù)將nRF24L01模塊設(shè)置為發(fā)送模式，為數(shù)據(jù)傳輸做好準(zhǔn)備。執(zhí)行A/D校準(zhǔn)操作，以確保ADC測(cè)量的準(zhǔn)確性。

隨后，進(jìn)入RTOS初始化階段，調(diào)用osKernelInitialize（）和MX_FREERTOS_Init（）。RTOS將負(fù)責(zé)任務(wù)的管理和調(diào)度，實(shí)現(xiàn)多任務(wù)協(xié)同。通過(guò)osKernelStart（）進(jìn)入RTOS任務(wù)循環(huán)。在任務(wù)循環(huán)中，RTOS會(huì)調(diào)度不同的任務(wù)執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)多任務(wù)協(xié)同工作。各任務(wù)可以通過(guò)RTOS任務(wù)管理器進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)以及獨(dú)立開(kāi)發(fā)。

在主函數(shù)的最后，通過(guò)無(wú)限循環(huán)來(lái)防止主函數(shù)結(jié)束。由于RTOS接管任務(wù)的調(diào)度，主函數(shù)不再負(fù)責(zé)具體任務(wù)的執(zhí)行。此循環(huán)一般用于處理系統(tǒng)錯(cuò)誤、異常等情況，保證系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中的穩(wěn)定性和容錯(cuò)性。

整體而言，該主程序流程為分布式涵洞水深在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供了一個(gè)穩(wěn)健的框架。通過(guò)任務(wù)的模塊化設(shè)計(jì)和RTOS的任務(wù)調(diào)度，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)各模塊的協(xié)同工作，確保了監(jiān)測(cè)和通信功能的正常運(yùn)行。除主函數(shù)外，還包括數(shù)據(jù)采集子程序、OLED顯示子程序、無(wú)線通信子程序、按鍵掃描子程序等。

以GSM通信為例，數(shù)據(jù)通信主要是串口通信，首先需對(duì)引腳初始化，配置NVIC中斷，同時(shí)將波特率配置為

9 600，如果有程序需要發(fā)送，則通過(guò)AT指令執(zhí)行，其他子程序在此不再贅述。

4 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，焊接實(shí)物如圖11所示。在焊接過(guò)程中需確保主板和終端都正確接入電源模塊。使用電壓表測(cè)量電源處的輸出電壓，確保電壓處于3.3～5 V范圍，以免電壓過(guò)高損壞裝置。隨后分別測(cè)量各部件的電壓，確保各項(xiàng)功能能夠正常運(yùn)行。

設(shè)兩處檢測(cè)點(diǎn)分別為S1和S2，實(shí)時(shí)采集兩處水深信息，液晶顯示屏顯示如圖12所示。

將S1置于積水較深環(huán)境中，S2安置于積水較淺環(huán)境中，同時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。S2處水深不變，S1處逐漸增加積水深度，為水位傳感器設(shè)定閾值，當(dāng)S1處的水位傳感器檢測(cè)到此處水深超過(guò)設(shè)定的閾值時(shí)，會(huì)觸發(fā)報(bào)警，向終端發(fā)送水深信息，以警示此地危險(xiǎn)，如圖13所示。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文采用STM32F103C8T6作為主控制器，開(kāi)發(fā)了一套分布式涵洞水深在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)通過(guò)nRF24L01通信模塊實(shí)現(xiàn)主從板之間的數(shù)據(jù)交互，搭載水位傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)集成了語(yǔ)音播報(bào)、GSM通信、按鍵調(diào)整和液晶顯示模塊，提供了全面的水位異常監(jiān)測(cè)解決方案。該系統(tǒng)不僅能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)涵洞水位，還能在異常情況下通過(guò)語(yǔ)音和短信及時(shí)報(bào)警，提高了應(yīng)對(duì)效率。在硬件設(shè)計(jì)上，主板和各模塊均按照電路圖精確焊接和連接，確保了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。總體而言，本文通過(guò)分布式結(jié)構(gòu)和智能報(bào)警機(jī)制，為城市涵洞管理提供了一個(gè)全面、高效的監(jiān)測(cè)方案，有助于提升城市交通管理的響應(yīng)能力和公共安全水平。

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