基于無線技術的隧道積水監測系統設計

閆尉深，劉 威，劉家俊，李志達

（1.河北省高速公路延崇籌建處，河北張家口 075400；2.長安大學信息工程學院，陜西西安 710064）

近年來城市交通壓力日益增長，不可避免要新建城市道路[1]，綜合考慮各方面，城市隧道建設得到推進，其安全運營對保障交通順暢有重大意義[2]。然而每逢夏季，因為隧道積水過深造成市民人身和財產安全受到損害的事件屢見不鮮[3]。

天氣惡劣且積水過深的情況下，司機極易忽視隧道前的涉水線標志。同時，相關部門無法掌握隧道內積水情況，從而迅速做出排澇、疏散交通等應對措施。目前，國內多數城市安裝的隧道積水監測系統在時效性、經濟性上仍有待提升，故對隧道積水實時、精準地深度監測成為亟待解決的問題[4]。

1 監測系統總體方案設計

隧道積水深度的遠程監測對于交通事故的發生具有重要防范意義。該系統通過前端超聲波液位計[5]將水深這一物理量轉換為電信號，經過簡單處理后傳輸給后級主控芯片做進一步處理，把模擬量轉換為數字量，之后利用集成的無線通信模塊完成數據傳輸。考慮到陰雨天氣情況下較為密閉的隧道內網絡信號質量不穩定問題，以及LoRa 技術的遠距離、低功耗、低成本、可靠性高等特性[6]，可以同時兼顧更長的隧道距離和更低的功耗，系統選用LoRa 模塊作為第一步無線傳輸，再將隧道外部的接收端LoRa 與4G 通信模塊進行集成，將信息傳輸到控制中心，接著由相關部門利用廣播電臺發出警示信息，同時隧道遠處的可變情報板上會提供行車建議，搭建完備的城市隧道積水遠程監控系統。系統總體方案設計圖如圖1 所示，超聲波液位計輸出電流信號，經過簡單信號處理轉換為電壓信號，然后傳輸給后一級。主控芯片選用TI 設計生產的MSP430 系列單片機，芯片內集成的ADC 模塊完成模數轉換后，利用串口與無線通信模塊進行信息交換。

圖1 系統總體方案設計圖

2 系統硬件電路設計

2.1 傳感模塊技術

目前市面上進行液位測量時，根據測量應用需求的不同和測量原理的差異性，主要有浮力式、電容式、激光式液位傳感器等。隨著超聲波技術的發展，超聲波液位測量方法得到了普遍的應用。相較于其他測量技術，其最大特性為無需接觸介質就能滿足大部分測量環境要求，且對待測環境影響較小[7]，同時避免了壓力式、浮力式等傳統測量方式可能出現的纏繞、堵塞、介質腐蝕、維護不便等不足。就隧道積水監測這一應用而言，考慮到大部分時間下隧道內出現積水的可能性極低，該系統選擇超聲波液位測量方法。

超聲波液位計采用四線制輸出接口，分別為電源正、電源負、輸出正以及輸出負，將聲信號轉換為4～20 mA 的電流信號。在實際使用過程中，通常將電源負和輸出負短接。測量原理圖如圖2 所示。

圖2 測量原理圖

傳感器安裝在隧道內最低處的正上方，探頭產生超聲脈沖波，通過媒介傳遞到被測液面，然后被反射回傳感器，利用式（1）可以計算出液位高度：

其中，h為液面實際高度，H表示探頭端面到底部的總高度，L表示探頭端面到液面的距離（超聲波傳輸距離的一半），v表示超聲波傳輸速度，t表示超聲波傳播時間[8]。

2.2 系統電源電路設計

監測系統的電路正常運行需要使用到3 種不同的電壓：24 V、5 V、3.3 V，其中24 V 用于對超聲波液位計供電，可直接采用外部變壓器對市電進行轉換。5 V 電源需要由24 V 使用電源轉換芯片完成，芯片EUP3484/3A 可以在寬輸入電壓范圍4.5～30 V內穩定工作，通過外部反饋電阻可以很容易實現0.925～20 V 的輸出電壓，輸出電流為3 A。用反饋電阻驅動反饋分壓器，反饋電壓閾值為0.925 V。輸出電壓如式（2）：

其中，R1、R2均為反饋電阻，令R1=10 kΩ，R2=44.2 kΩ，經計算得Vout=5.013 5 V。同時接入自恢復保險絲實現過流電路保護，過載后自動切斷電源，待裝置降溫后，保險絲恢復如初，從而實現循環使用。然后選用芯片LM1117-3.3 V[9]將5 V 電壓轉換為3.3 V，這款芯片只需要使用極少數的濾波電容就可以正常工作，使用簡單。

2.3 信號調理電路設計

超聲液位計輸出的電流信號需要經過預處理轉變為電壓信號后才可以傳輸給后級電路完成進一步處理。系統選用的LM324 放大芯片是一種比較典型的四運放集成芯片，此外其支持寬電壓范圍輸入，對電源要求不高，價格低廉[10]。該部分電路原理圖如圖3 所示。

圖3 信號調理部分電路圖

該電路中，LM324 芯片采用單電源供電方式，對負電源端進行接地處理。圖中I+為傳感器信號輸出正極，I-為傳感器信號輸出負極，VO表示經過運放處理后的輸出。輸出電流信號后，傳感器并聯兩個200 Ω的電阻R1和R2，等價于直接連接一個100 Ω電阻，但阻值會變得更加精確，在電阻上會產生0.4～2 V的電壓差，又根據虛短虛斷原理可以得出式（3）：

其 中R3、R4、R5、R6均取10 kΩ，可以得到VO在0.4～2 V 范圍內，單片機內的ADC 模塊基準電壓選用2.5 V，可以將VO傳送給ADC 模塊進行處理。

2.4 主控模塊設計

系統主控芯片選用TI 公司的16 位MSP430F149單片機，其具有低電壓、超低功耗、雙串口數據通信和自帶12 位A/D 轉換模塊等特點[11]。芯片使用多路ADC 通道中的其中一路，用于對完成運放處理后的輸出信號采樣以及由模擬量到數字量的轉換；串口0 與用于無線通信的LoRa 模塊數據收發引腳相連，串口1 與4G 模塊的數據收發引腳相連，實現與上位機軟件的遠程數據通信，解析指令并做出相應的響應[12]。

2.5 無線通信模塊設計

無線通信技術按照傳輸距離劃分，可分為長距離無線廣域網技術（GPRS、LoRa、4G）和短距離無線局域網技術（WiFi、ZigBee）[13]。在隧道環境中，由于橫截面積小、空間有限且密閉等特征，工作在2.4/5G頻段的無線通信技術因為頻率較高、波長較短，在隧道中應用衰減會比較大，并且功耗也較高，電池壽命短[14]。在低頻無線技術中，LoRa 相較其他傳輸技術而言，最大特點是實現了低功耗和遠距離傳輸的統一，且不必依靠基站就能實現遠距離傳輸。該技術采用點對點的傳輸方式，可以實現傳感器信號的無線傳輸，硬件實現簡單，只需連接電源、地和數據收發引腳即可。同時該模塊有多種工作模式可供選擇，不用時工作在省電工作狀態，達到低功耗的目的。

LoRa 接收端與4G 模塊結合使用，實現高速廣域通信。該系統的數據傳輸過程中，無需處理數據，并且相對數據的私密性更關注傳輸質量，故采用4G 模塊的網絡透傳模式，實現遠程上位機指令的接收與應答指令的上傳功能。因此該系統采用LoRa 發送模塊、遠程LoRa 接收中繼模塊和4G 通信模塊的組合模式，實現遠程可靠通信。

3 下位機軟件設計

該系統下位機設計采用模塊化設計的思想[15]，選用MSP430F149 為主控芯片，利用IAR 軟件和C 語言進行設計，對前端信息采集設備采集到的數據作模數轉換，利用串口與無線模塊通信實現I/O 口與LCD 顯示設備的連接。主控程序包括定時器、ADC、串口等模塊初始化以及指令解析，程序設計圖如圖4所示。

圖4 程序設計圖

系統供電后執行初始化程序，打開全局中斷。利用定時器間隔固定時間對采集到的積水深度做模數轉換，然后將信息通過串口由LoRa 發送端無線傳輸到隧道外部，隧道外部的LoRa 接收端將數據交給中繼板的主控芯片，處理后由與I/O 口相連的可變情報板實時顯示積水深度數據及不同的通行建議。同時信息由串口利用4G 模塊發送到上位機進行顯示，上位機也可以設置積水數據更新時間，針對不同的降雨天氣間隔不同時間顯示。

3.1 串口數據收發程序設計

一般單片機串口接收程序只能完成一個接一個字符的傳輸，或者進一步規定接收的數據長度來判斷數據是否接收完畢。該系統中硬件設備與上位機客戶端之間的無線通信由不同的指令來完成，不同指令對應的數據長度也有所不同，因此正確的串口數據收發程序設計起到了重要作用。對此，在特定波特率的傳輸條件下，串口接收數據的同時啟動定時器，在規定時間內完成數據的接收，每完成一次接收便復位定時值，保證定時器不會溢出，定時器的超時值可以設定為接收一幀數據所需時間的1.5 倍。如此，當定時器超時的情況下，就意味著串口停止接收數據，設定一個標志位，之后交給通信處理函數處理，串口數據接收判定如圖5 所示。

圖5 串口數據接收判定

程序設計流程如下：在串口接收中斷服務函數中使能定時器，一旦開始接收數據，定時器開始計時，計數到設定值時，定時器中斷標志位自動置位，另外設定接收標志位為1，數據接收完成之后，定時器關閉，重新設置定時值，等待下一次數據接收。

3.2 下位機程序測試

將編寫完成的單片機程序燒錄到開發板內，利用串口轉USB 設備和串口調試助手測試程序中數據收發的實現情況。理論上，發送采集當前積水深度的指令“AA 55 00 05 FF 55 AA”，其中“AA 55”和“55 AA”作為判斷指令的開始和結束使用，00 05 表示當前硬件設備地址，“FF”用于控制后接繼電器的通斷，之后會接收到一條形如“AA 55 00 05 FF xx xx 55 AA”的指令，“xx xx”即為當前深度的十六進制表示。首先將該十六進制轉為十進制，再結合ADC 的基準電壓與位數即可反推出當前積水深度。

4 上位機軟件設計

上位機軟件由管理部門進行管理維護，方便實時了解隧道內積水情況并迅速做出應對。根據指令傳輸協議編寫一個可運行在Windows 操作系統上、帶UI 的人機交互應用程序，實現對現場數據采集設備的統一監控管理。系統采用TCP/IP 協議[16]，通過Python 開發語言完成軟件設計，利用PyQt 創建GUI，完成軟件可視化，易上手操作，再將開發好的腳本通過Pyinstaller 打包成一個可執行文件，方便軟件在不同上位機之間移植。

通過上位機端的IP 和端口號可使傳感器與服務器連接，輸入不同的傳感器地址管理相應硬件設備，可以實現當前積水深度查詢，可以自動地間隔固定時間上傳數據，也可以通過點擊對應按鈕實時查詢。硬件傳輸的數據只是經過了模數轉換，未作進一步處理，因此需要在上位機中利用傳感器量程與ADC 的基準電壓在電路中的數學關系，將數據解析為實際的積水深度，然后顯示到界面上。上位機軟件采用分模塊方法設計，軟件設計框圖如圖6 所示。

圖6 軟件設計框圖

5 實驗結果

模擬實驗在最大程度還原隧道真實情景的條件下進行，將超聲波液位儀懸在一個水桶的正上方，然后與電路板連接，放置在4G 信號較差的環境內，外部相隔較遠的距離安放中繼板，與一塊液晶顯示屏相連。最后操作人員遠程打開上位機客戶端，通過點擊對應按鈕觀察顯示屏上的數據變化即可。由于上位機所處的網絡屬于局域網，需要對電路板上的4G 模塊按照一定步驟進行IP 和端口號配置，實現軟硬件信息之間的無線通信。

改變水桶內的水量，觀察上位機顯示的信息，對二者進行比對，可以得出系統正常運行的結論，同時在測試時間內，系統可持續穩定工作。

6 結束語

該文針對雷雨季節或其他突發情況下出現隧道積水的時候，采用前端數據采集加后臺信息顯示的形式，設計了一種基于MSP430F149 主控芯片的數據采集、處理、傳輸設備。得益于超聲波液位計的采集原理，設備安裝方便，可維修性強，同時，LoRa 與4G通信模塊的結合完美解決了信號屏蔽與傳輸距離的問題，保障了信息在硬件與后臺之間的傳遞。

對于給司機提示的行車建議，系統目前給出信息電子屏、交通廣播這兩種形式。除此，還可以考慮將行駛建議上傳到電子地圖，可以更好地避免意外發生。該系統的低成本、高可靠性，使其可廣泛應用于各種需要實時監管實地狀況的情景。