基于無線MBUS協(xié)議的地道橋水位報警系統(tǒng)的設計

摘 要：地道橋在暴雨天氣容易嚴重積水，引發(fā)安全事故，針對該問題，我們應用遠程集中抄表系統(tǒng)的思想設計了一套地道橋水位報警系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由水位傳感器、采集器、集中器、顯示終端等組成，水位傳感器主要用于獲取水位信息，采集器用于收集水位傳感器獲取的信息，集中器主要負責將采集器上傳的數(shù)據(jù)轉發(fā)給顯示終端。采集器和集中器之間使用無線通信的方式進行數(shù)據(jù)傳輸。該系統(tǒng)主要功能是在地道橋發(fā)生積水時向駕駛員及行人聲光報警，同時向市政部門發(fā)布轄區(qū)各地道橋的水位信息。

關鍵詞：MBUS協(xié)議；地道橋；水位傳感器

1 項目研究價值和意義

地道橋式立交雖然存在著易積水的缺陷，但作為一種傳統(tǒng)跨越形式在全國范圍來看還無法完全被取代，據(jù)新京報統(tǒng)計，僅北京市區(qū)雨季積水點就達63處之多，其中有39個點均為地道橋，因此避免積水對行人及駕駛員的人身安全造成威脅就成為一個重要課題。

為了解決這個問題可以從兩個角度出發(fā)，一是提高地道橋和道路低洼處的排水能力；另一個就是建立有效的報警應急機制，在發(fā)生積水時及時發(fā)布危險信息并封鎖道路防止事故的發(fā)生。第一種解決方案固然理想，但需要大規(guī)模改造城市排水系統(tǒng)，投資巨大，發(fā)達城市尚不能全面普及，小型城鎮(zhèn)幾乎無法實現(xiàn)。因此，設計一種可靠且低成本的地道橋水位報警系統(tǒng)就可以大大減少暴雨災害導致積水時市政部門的處置反應時間，另一方面及時對車輛行人報警也可以避免積水威脅人身安全。

2 設計研發(fā)思路

綜合現(xiàn)有的地道橋積水報警、處置方案，我們經(jīng)過對其優(yōu)缺點進行分析，確定設計目標如下：（1）系統(tǒng)應成本低廉。系統(tǒng)要簡單可靠，成產及保養(yǎng)成本低，不論大中小型城市甚至鄉(xiāng)村都有能力推廣使用。（2）報警指示醒目。在發(fā)生積水時可以給過往車輛和行人可靠地發(fā)布危險信號。（3）須有集中監(jiān)控系統(tǒng)。通過無線傳輸將各地道橋的水位信息第一時間反饋給市政部門監(jiān)控中心等，從而便于快速處置。

3 裝置原理及結構

基于無線MBUS協(xié)議的地道橋水位報警系統(tǒng)主要由水位傳感器（水位開關）、電源、警示燈、語音報警、集中器、采集器等模塊構成。

3.1 系統(tǒng)總體工作原理

圖1 系統(tǒng)安裝示意圖

系統(tǒng)安裝如圖1所示，當積水水位低于報警閾值時，水位傳感器（水位開關）處于斷開狀態(tài)，電路斷開，此時指示燈處于熄滅狀態(tài)，繼電器不發(fā)生動作，采集器處于休眠狀態(tài)，集中器與采集器間沒有通信，顯示終端顯示水位正常。

當積水水位超過閾值時，水位傳感器（水位開關）中的浮球浮起，觸動頂桿使兩觸點接觸，電路導通，此時警示燈亮起并伴有語音報警，向駕駛員及行人發(fā)布危險信息，此時繼電器發(fā)生動作，采集器退出休眠，進入中斷狀態(tài)，采集數(shù)據(jù)，并通過無線射頻模塊將采集到的水位信息上傳到集中器，集中器將接收到的數(shù)據(jù)轉發(fā)給顯示終端并發(fā)出報警聲響以便于提示相關部門采取措施。

3.2 水位傳感器（水位開關）

3.2.1 裝配結構

圖3是水位開關的裝配圖， 其中各符號分別表示以下含義：1、擰緊螺栓，2、接線柱，3、螺母，4、膠木蓋，5、螺母，6、金屬蓋，7、預緊彈簧，8、頂桿，9、殼體，10、浮球，11、接線柱，12、流通槽，13、孔，14，金屬板。

圖3 水位傳感器（水位開關）裝配圖

3.2.2 工作原理

當積水水位低于水位開關時，水位開關處于斷開狀態(tài)，當積水水位高于水位開關時，浮球浮起觸動頂桿使頂桿上方觸點與接線柱下方觸點接觸，水位開關接通。

3.3 電源及電源管理模塊

該系統(tǒng)電源模塊分為兩部分，即LED警示燈及語音報警模塊的供電電源和采集器的供電電源：（1）警示燈及語音報警模塊采用12V蓄電池搭配光伏板的方式，在陽光充足時，光伏板將采集的電能通過太陽能電源控制器儲存到蓄電池中，其中太陽能電源控制器具有防短路、過載、反接的作用，并通過對蓄電池電壓、放電電流、環(huán)境溫度等參數(shù)采樣，經(jīng)控制模型計算，實現(xiàn)符合蓄電池特性的放電率、溫度補償修正的高效、高準確率控制，并采用高效的PWM蓄電池充電模式，保證蓄電池工作在最佳狀態(tài)，延長其使用壽命。（2）由于采集器平時處于休眠狀態(tài)，能耗極低，因此這里采用獨立供電的方式，使用兩節(jié)1.5V鋰電池供電，一般可以維持使用7年以上，并且當電池電量不足時采集器會自動發(fā)送電量不足的提示，提醒管理人員更換電池。

3.4 通信模塊

3.4.1 問題分析

各城市地道橋數(shù)量繁多，為防止暴雨后因積水引發(fā)溺水事故，市政部門往往要投入大量人力、物力監(jiān)測各地道橋積水狀況，但由于人力監(jiān)測往往存在嚴重滯后的問題，每年此類事故仍屢見不鮮。為提高地道橋水位監(jiān)測的實時性和準確性，我們考慮將遠程集中抄表系統(tǒng)的思想運用到地道橋水位報警系統(tǒng)上，集中抄表系統(tǒng)具有以下特征：（1）采集器采用電池供電，能工作7年以上；（2）采集器具有很強的實時性；（3）集中器可以實現(xiàn)遠程監(jiān)控；（4）數(shù)據(jù)傳輸?shù)膮f(xié)議可以保證其傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

為了進一步降低該系統(tǒng)的設計成本，增強其應用的可行性和工作的可靠性，我們采用無線載波技術，對地道橋的水位數(shù)據(jù)以無線的方式進行遠距離數(shù)據(jù)傳輸。

3.4.2 系統(tǒng)結構

地道橋水位報警系統(tǒng)是由集中器通過無線的傳輸媒體將多個采集器的記錄值的信息集中抄讀的系統(tǒng)，并對數(shù)據(jù)進行監(jiān)控報警。該系統(tǒng)由采集器、集中器、信道和終端主站構成，其框圖如圖4所示：

圖4 系統(tǒng)結構框圖

采集器x對各個地下橋的水位進行現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集，一旦出現(xiàn)地道橋水位異常的情況，就通過480MHz民用免費的無線信道將地道橋的實時信息上傳給集中器。

集中器處于采集器和顯示終端的中間位置，是管理者決策的直接信息來源，顯示終端也可通過集中器下傳命令，同時集中器也是采集器上傳數(shù)據(jù)的對象，一旦水位異常，采集器源源不斷的將不同地道橋水位的信息上傳給集中器。

顯示終端（主站）則是通過對集中器上傳的數(shù)據(jù)進行處理，并對整個系統(tǒng)運行狀態(tài)進行監(jiān)測的計算機系統(tǒng)。

為避免集中器漏掉采集器上傳的水位異常數(shù)據(jù)，從而造成更大的損失，我們采用閉環(huán)設計的思路。只要水位異常，采集器就不停的上傳數(shù)據(jù)給集中器，直到集中器對采集器作出正確應答后，才停止發(fā)送，保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕鐖D5所示。

圖5 內部聯(lián)系圖

3.4.3 設計的關鍵技術

（1）采集器的低功耗設計。采集器本身沒有外部電源供電，只能依靠內部自帶電池供電，所以采集器的低功耗設計是這次研究設計的重點。這里從采集器硬件各部分的選型和軟件編程思想的優(yōu)化等方面實現(xiàn)采集器的低功耗。

（2）采用的控制芯片。控制芯片是遠程抄表系統(tǒng)的核心部分，采用何種控制芯片要從它的功耗和性能方面結合考慮，單獨考慮芯片的功耗而忽略其性能是不合適的，要做到采用的芯片功耗盡可能低，同時也要滿足遠程集中抄表系統(tǒng)的各項功能。

（3）采用的抄表方式。現(xiàn)在遠程集中抄表系統(tǒng)有很多種抄表方式，結合實際情況，采用合適的抄表方式是保證數(shù)據(jù)可靠傳輸，進行實時監(jiān)控的關鍵。本次設計所采用的抄表方式是大量采集器通過無線數(shù)據(jù)傳輸自組網(wǎng)的方式，同時終端管理系統(tǒng)可以通過集中器對采集器所采集的各個地道橋水位進行實時監(jiān)控。

（4）可靠準確的數(shù)據(jù)傳輸。由于水位采集器位于地道橋下的環(huán)境中，障礙物的存在不利于無線數(shù)據(jù)的傳輸，故可靠地數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議是保障數(shù)據(jù)傳輸可靠性和準確性的關鍵，在地道橋水位報警系統(tǒng)中，采集器本身扮演的就是一個水位表的角色，故我們使用基于Meter-Bus（MBUS協(xié)議）的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。來保障數(shù)據(jù)可靠而又準確的數(shù)據(jù)傳輸。

3.4.4 通信協(xié)議

（1）通訊方式：無線射頻通訊

（2）通訊速率：1200BPS

（3）數(shù)據(jù)通信格式

a、集中器向采集器發(fā)送數(shù)據(jù)通信格式：

對采集器設置數(shù)據(jù)格式

D0

Bit[1：0]：控制采集器的開關；

00：開

01：關

10：保持現(xiàn)狀

Bit[3：2]：數(shù)據(jù)應答；

00：請求發(fā)送數(shù)據(jù)

01：告知收到正確數(shù)據(jù)

10：收到數(shù)據(jù)出錯。請求重新發(fā)送，

11：再次發(fā)送后，告知收到正確信息。

其余保留。

D1

Bit[3：0]： 數(shù)據(jù)上傳周期：

0：

1：

2：

3：

4：

5：

6：

7：

Bit[7：4]： 多少天與集中器通信失敗，自動關閥

0：

1：

2：

3：

4：

5：

6：

7：

數(shù)據(jù)通信舉例：

FEFEFE 前導字節(jié)（3）

68 起始字節(jié)（1）

10 表具類型，（1）

AAAAAAAAAAAAAA表地址，BCD編碼，低字節(jié)在前，

AAAAAAAAAAAAAA為廣播地址（7）

01 控制碼，符合CJT188-2004標準（1）

11 數(shù)據(jù)長度（1）

1F90 數(shù)據(jù)標識（2）

00 序列號，遞增，取256模（1）

57101706071220 實時時間，秒、分、時、日、月、年（7）

0000 采集器設置 D0在前，D1在后（2）

E1 校驗字節(jié)（從起始字節(jié)68H開始和校驗）（1）

16 結束字符（1）

共計（28）字節(jié)

b、采集器向集中器發(fā)送數(shù)據(jù)格式：

數(shù)據(jù)通信舉例：

FEFEFE 前導字節(jié)（3）

68 同步字節(jié)（1）

10 表具類型（1）

37010087001111 采集器地址，BCD編碼，低字節(jié)在前（7）

81 控制碼，符合CJT188-2004標準（1）

20 數(shù)據(jù)長度，二進制編碼（1）

1F90 數(shù)據(jù)標識（2）

00 序列號，遞增，取256模。（1）

00 水位正常

FF 校驗字節(jié)（從起始字節(jié)68H開始和校驗）（1）

16 結束字符（1）

共計（27）字節(jié)

4 結束語

據(jù)不完全統(tǒng)計，每年我國因地道橋積水溺水死亡人數(shù)達近百人，相關消息層出不窮。

基于無線MBUS協(xié)議的地道橋水位報警系統(tǒng)作為一種低成本報警措施，各地區(qū)均有能力購置安裝該系統(tǒng)，因此可以有效的防止因地道橋積水引發(fā)的人員溺水事故，大大減少乃至杜絕全國因此引發(fā)的人員傷亡。

參考文獻

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