城市道路積水多點監測及預警系統設計

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損失，還可能導致交通中斷及環境污染，影響城市的正常生產生活秩序。目前，隨著城市化高速發展，城市氣候和下墊面條件均發生明顯的變化，城市排水管網系統建設滯后和排水系統規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，國內各大城市的道路積水監測與報警都沒有形成體系。針對以上分析，基于上下位機設計了城市道路積水多點監測系統，實現了低成本、易維護和高穩定性的道路水位的實時監測及預報技術，并進行了相關實驗。

2 系統硬件設計

2.1 系統總體設計

城市道路積水多點監測及預警系統框圖如圖1所示，系統以兩片AT89S52單片機為下位機，分別模擬兩個監測點，以STM32單片機為上位機，模擬監測中心。整個系統由監測站STM32單片機系統、監測點AT89S52單片機系統、水位測量傳感電路、無線通訊電路、TFT液晶顯示電路、數碼管顯示電路、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測點進行通信，實時采集并處理各個監測點的數據。監測點從機負責采集測量點的實時水位數據，根據水位狀態進行不同的報警提示，最后通過無線方式將數據發送至下位機主機STM32。

在監測點從機系統，水位數據傳感器采用松下D3A，水深顯示采用數碼管，交通指示采用LED指示，A/D轉換為TLC1543模數轉換器。在監測點主機系統中，TFT液晶用于顯示各個監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 系統原理框圖

2.2 數據采集模塊

水位數據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對壓力的測量，其詳細的技術參數如表1所示

表1 松下D3A壓力傳感器技術參數

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

2.3 無線通信模塊

設計中采用基于CC1101無線串口模塊來實現無線通訊功能，其中，CC1101是一款低于1GHz高性能射頻收發器，工作頻段為387.0MHz～464.0MHz ；支持0.6kbps～500kbps的數據傳輸速率和多種調制模式(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個可設定功能的通用數字輸出引腳。工程實際中，MCU與無線通信模塊以半雙工的方式傳輸數據[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換，這樣才能保證通信正常進行。設計的轉換接口電路如圖2所示，無線模塊發送端，數據傳輸采用P421光耦進行耦合，而接收端采用對電阻進行分壓實現。

圖2 無線模塊與AT89S52單片機的接口電路

3 系統軟件設計

3.1 上位機STM32程序流程

上位機任務是與各個監測點通信，可以修改各個監測點水位警戒值，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，系統上電初始化之后，上位機STM32首先調出顯示界面，然后詢問是否設置新的警戒值，在設置完成之后將新值發送至下位機。之后請求各個監測點水位數據，接收到當前水位數據之后，在液晶屏上進行顯示。

3.2 監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化成水位深度值，再在數碼管上顯示出來，并將深度值通過無線通訊發給監控系統。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 監測點下位機程序流程

3 實驗測試及數據分析

依靠上述設計，搭建了實物系統，上位機系統和下位機系統實物分別如圖5(a)和5(b)所示，經上電測試，系統工作正常。采用該系統，制定的實驗測試步驟如下：首先將系統各模塊電路連接好，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生測量誤差）；之后給下位機系統和上位機監控系統通電，待系統工作穩定后，向容器內緩慢注入清水，每隔一定高度，用米尺測量水位高度，并記錄對應的測量值。

圖5 系統實物圖

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

表2 測試實驗數據

4 結論

采用上下位機系統實現了城市道路積水多點監測系統，在此基礎上進行了相關測試實驗，得出了以下結論：

1.經過實物測試，系統工作正常，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測系統設計[J].水利信息化, 2010(2):42-44

[2]萬勝磊, 左林遠, 王松吉.萊西市區道路積水監測系統設計[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測系統中的應用[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節點設計[D].南京:南京信息工程大學, 2011.

[6]郝迎吉.遠距離水位智能監控系統的研究與實現[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鍵問題研究[D].北京：北京工業大學碩士學位論文, 2009

[8]鄭義,陳俊.用AT89C52和TLC1543實現數據采集系統[J].電子世界,2004,(12):24-25

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

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