基于物聯網的城市洪澇應急預警及管理系統

蔡雄友 徐 勛 姜世芬

(江門職業技術學院 廣東 江門 529000)

引言

近年來，隨著城市化進程的快速發展，城市地面硬化面積逐年增加，嚴重削弱了地面積水滲透能力。當城市長時間處于暴雨襲擊狀態時，地勢比較低的地方就會出現大面積積水，從而造成嚴重的洪澇災害，大大影響機動車和行人的安全。為此，針對城市洪澇現象，本文開發一種能在復雜道路情況下實時監測路面積水狀況的城市防汛預警應急系統。

一、系統工作原理

本系統主要包括預警信息終端、車載終端和終端管理中心三大模塊，如圖1所示。預警信息終端采用STM32F407嵌入式系統采集水位、雨量和水質等傳感器數據，分析行人或行車路過安置預警信息終端的監控范圍洪澇積水情況，使用閃燈提示和語音模塊預警，同時，通過GSM模塊和北斗/GPS模塊把現場的洪澇積水信息傳輸給車載終端和終端管理中心。

圖1 系統工作原理

車載終端除了獲取車輛路過預警信息終端區域的洪澇積水信息，同時還使用了語音報警模塊，及時播報車輛路過區域的積水情況。

終端管理中心為上位機監控中心，基于地理信息系統(GIS)提供的XML接口技術針對城市實時掌握具體道路水情、預警信息發送；對數據進行可視化，自動化讀取和顯示積水區域；對監測系統的子系統進行一站式管理。

二、系統硬件設計

本系統設計的硬件部分主要是預警信息終端，該終端的具體包含的硬件模塊如圖2所示。系統核心使用ST意法半導體公司的32位低功耗STM32F407ZET6芯片，該芯片具有強大的硬件功能，多個UART和SPI等功能模塊，且運行速度快，較好地滿足系統要求；使用該芯片的AD功能連接傳感器采集模塊，I2C功能連接語音模塊，I/O功能連接閃燈預警模塊，UART功能連接通信模塊。

圖2 預警信息終端硬件模塊組成

傳感器采集模塊主要用于采集水位、雨量和水質等信息，用于判斷洪澇情況。水位傳感器使用測量范圍在0～5m，分辨率為3mm的一體式超聲波液位計傳感器。測量雨水量時，使用大面積的雨滴傳感器模塊。

語音模塊主要用于洪澇現場語音播報，當水位或雨量超過預警值時，該模塊提醒行人或車輛路過洪澇現場時注意安全。本系統使用WT588D-U語音模塊，能驅動大功率喇叭，使路過該地區的行人或車輛能聽到語音播報。

閃燈預警模塊主要用于洪澇現場閃燈提醒，當水位或雨量超過預警值時，該模塊通過亮紅燈或紅閃來提醒行人或車輛路過該地區時，應注意安全。本系統包含多個閃燈預警模塊，每個模塊都有一個大面積燈板，每個燈板由多顆高亮度LED燈組成。

通信模塊主要包含閃燈預警模塊之間通信、車載模塊與預警信息終端之間通信、終端管理中心與預警信息終端之間通信以及車載模塊與預警信息終端之間通信等。閃燈預警模塊之間通信使用zigbee無線模塊，終端管理中心與預警信息終端之間通信使用GSM和北斗/GPS進行通信。

三、系統軟件設計

軟件設計主要包括預警信息終端、車載終端和終端管理中心。預警信息終端的程序設計流程如圖3所示，程序系統初始化，主要是嵌入式系統、傳感器采集模塊、閃燈預警模塊和通信模塊的程序初始化。系統在運行之后，傳感器采集模塊先采集城市洪澇情況數據，嵌入式系統通過算法分析與處理采集到的數據，判斷采集到的水位數據是否超過洪澇預警水平，如果超過，則啟動閃燈預警和語音模塊告知行人和車輛，否則，傳感器繼續采集水位數據。無論采集的數據是否超過洪澇預警水平，系統都無線傳輸采集得到的信息給車載終端和終端管理中心。

圖3 預警信息終端程序流程

終端管理中心使用Labview軟件開發，界面能實時監控城市的水位情況，從界面中能看到發生洪澇嚴重地點的信息。同時實時傳輸預警信息到車載終端，從而提醒行駛到該地點的車輛。該系統能存儲城市各地點的水情信息，并提供相關管理部門。

四、結語

本文提出了一種基于物聯網的城市洪澇應急預警及管理系統。該系統能解決城市洪澇造成道路積水實時監控難問題、能有效實時的為過往行駛車輛和行人提供預警信息，提高安全性；可為救援特種車輛快速反應機制，提高排水人員的作業效率。該項目實施將進一步有效提升我國城市洪澇監測預警預報與應急響應管理能力。