基于STM32的城市內澇水位監測系統設計

徐智凡，吳有龍，楊方宜，賈 方，周圩穎，陸昱帆，陳文豪

（1.金陵科技學院 電子信息工程學院，江蘇 南京 211169；2.金陵科技學院 智能科學與控制工程學院，江蘇 南京 211169）

0 引言

近年來，由于國內極端天氣頻繁發生，許多城市發生嚴重內澇[1]，“城市看海”現象幾乎每年都出現，且頻率呈上升趨勢。比如2021年7月鄭州地區的特大暴雨災害，根據鄭州市公安局交警支隊統計數據顯示，截至2021年7月6日鄭州市新能源汽車保有量是12.1 萬輛，而在此次災害中至少有1 萬輛面臨泡水問題[2]。鄭州市建立了暴雨洪澇預警預報服務系統，但該系統局限性較大，僅能在整體尺度上對市區內澇進行一定的預警，并不能進行積水實時精準監測與精細化交通疏導。因此，需要設計水位監測系統進一步降低車輛在通行中的風險[3]，幫助車輛安全通行，及時提供通行信息，協助解決城市內澇所造成的通行問題，構建出城市防澇的工程體系，推進城市內澇的治理。

針對不同的環境，國內有不少關于水位監測方面的研究。例如，張森[4]為監測煤礦井下的水位信息，設計基于機器視覺的礦用水位監測系統。國外也有不少這方面的研究，Chi等人[5]研究了一種高精度、低功耗的智能城市無線水位監測物聯網裝置。Ufuoma 等人[6]研究了一種能夠監測水位變化規律的相機傳感器，以應對洪水對公共設施的危害。STM32單片機技術、多傳感器數據融合技術被廣泛應用于交通數據的采集[7,8]。

要解決由城市內澇導致的車輛通行問題，降低車輛道路通行的風險，協助建設城市排水防澇工程體系[9,10]，設計水位監測系統是有效手段，具有可靠的實用價值。在車輛通行前對道路水位以及設備環境狀況進行監測，做好提前預警的準備。當所測區域水位多處預警，可及時通知交通管理部門進行道路緊急搶救，保障交通的通暢。本文主要利用北斗定位技術、傳感器技術等物聯網技術設計一種基于STM32 的城市交通水位監測系統。

1 系統設計

基于STM32 的城市內澇水位監測設計硬件部分主要是以STM32 單片機作為核心處理器，采用北斗定位，通過激光測距模塊WT53R、DHT11 溫濕度模塊、慣性傳感器、氣體監測模塊、北斗定位模塊采集相應的數據，發送給單片機處理，然后通過4G 模塊，以MQTT 協議發送給騰訊服務器。主要實現如下功能：顯示設備所在環境，實時顯示設備位置、環境溫濕度，測量水位高度是否可使車輛正常通過。此外，當超過設定閾值時，向服務器發送報警信息和位置信息。總體設計流程如圖1所示。

圖1 總體設計流程

交通水位監測設計在滿足防水防風、安裝方便等安全要求的基礎上，通過在水位監測附近位置布局其他傳感元件，實時監測現場數據。監測的實時數據主要包含以下3 大類：

（1）交通道路環境數據，包括氣溫、濕度、空氣質量等；

（2）實時監測水位數據，判斷是否可安全通行；

（3）水位監測系統信息，包括設備位置、設備姿態、周圍環境等。

2 硬件設計

2.1 硬件總體設計

硬件設計使用STM32 單片機控制系統正常工作，開發板承載單片機控制模塊、激光測距模塊、慣性傳感器模塊、北斗模塊、溫濕度模塊，通過4G 模塊傳輸數據到控制模塊以及連接服務器各個部分。要求所有模塊同時工作，實現對城市交通水位情況的實時監測。

2.2 STM32 開發板

整個水位監測系統通過STM32F407 開發板進行控制，首先通過串口發送指令對4G 模塊進行初始化，判斷4G 模塊初始化成功后進行下一步操作，若初始化失敗，則重新進行初始化；然后傳感器開始工作，對水位監測的相關數據進行處理，依據設定的閾值判斷是否發出警報；最后通過4G模塊將數據發送到服務器并存儲在數據庫中，傳感器暫停工作，待到設定的間隔時間結束繼續進行數據的采集、分析、上傳。硬件連接如圖2所示。

圖2 硬件連接

2.3 激光測距模塊

系統采用維特智能激光測距傳感器WT53R，由于水位監測系統使用環境處于戶外，該模塊具備防水功能，工作穩定。采用高精度測距傳感器與相應的光學過濾蓋片有效地濾除光學干擾。該傳感器自帶硬件報警功能，使用時可以根據危險水位值設置報警閾值，當測量距離小于報警閾值時，報警線會產生報警電平（低電平）信號；距離傳感器采用工業標準ModBus 協議，ModBus 通信命令分為讀命令與寫命令兩種，0x03（讀命令）讀取相應寄存器數據，0x06（寫命令）向相應寄存器寫入數據。監測預警流程如圖3所示。

圖3 監測預警流程

2.4 慣性傳感器模塊

水位監測系統中采用慣性傳感器測量設備的情況，防止設備出現位置的偏移導致測量水位數據錯誤，采用JY901S型號傳感器通過加速度計、陀螺儀、磁強計等測量數據，經過軟件算法解算，依據采樣的原始數據和當前的傳感器角度推算出新的姿態角度，并更新系統對應的均方誤差和狀態信息。姿態傳感器解算的過程主要分為傳感器修正、狀態估計、觀測量計算、濾波融合修正、角度更新等步驟。解算基本過程如圖4所示。

圖4 解算基本過程

3 功能闡述

3.1 實時水位顯示

在北斗模塊的基礎上，定位每一個硬件的具體位置，使用激光測距模塊，管理者可以實時了解到當地的水位深度，針對不同的水位情況，及時做出道路引導的調整，實時水位檢測還能夠方便管理層了解何處有水位暴漲的情況，能快速做出決策來進行救援。

3.2 網頁界面功能

使用了前后端分離技術，對于網頁開發后端采用SpringBoot、MybatisPlus、Swagger、Maven等實用工具來促進后端實用功能的開發。前端采用VS code、HTML、CSS、JavaScript 等使頁面更加精美，對于前后端數據交互采用Ajax，開發工具使用的是IDEA 集成開發工具。頁面首頁如圖5所示。

圖5 頁面首頁

3.3 設備狀態信息

硬件設備端采集完各個模塊的具體數據，通過串口發送至4G 模塊，4G 模塊將數據發送至EMQ 代理服務器，借助EMQ 服務器將硬件端數據發送至數據庫中。數據庫中的數據會經過后端的處理，前端直接會根據后端的不同功能，取到相應的數據顯示在前端。在客戶端可以看到設備的相關數據，讓管理者能夠實時了解到當前設備所處環境的情況。

3.4 水位情況信息

在硬件端將數據發送至服務器之后，后端同步將數據傳到前端，客戶端同樣可以看到設備所在地水位的實時情況，了解到當地的水位情況。使得客戶能夠判斷目標道路是否能夠使車輛安全通過，及時做出反應，決定是否通過當前路段，保證車輛安全。水位監測情況如圖6所示。

圖6 水位監測情況

4 可視化數據大屏

設備狀態總覽功能可將設備日常數據以可視化形式在大屏上展示，實現對天氣信息、降水情況、車輛通行狀況等信息進行實時匯總和數據顯示。通過此數據化大屏，管控人員可及時發現交通道路上的異常情況，并及時采取合理的應急措施，以實現對城市交通的智能化管理。主要采用Visual Tools 進行數據大屏開發，其中的組件、數據等較豐富，代碼開源，便于數據大屏的開發。該功能可以對整個網站的數據通過可視化大屏的方式呈現，能夠實時地展示水位的變化，方便管理人員快速地找到需要的數據。

在設備狀態總覽這一功能上，選擇采用數據大屏的形式來展示，不僅可以方便管理者查看數據，還能夠實時地展示涉水深度的變化以及降水趨勢，能夠及時地反映道路上的預警等級，為管理者提供最直觀的安全顯示和操作建議，從而輔助管理者采取相應的措施，提升水位監測的智能化管理和安全防護水平，是水位監測及其管控平臺中最核心的技術組成部分。信息總覽如圖7所示。

圖7 信息總覽

5 結語

當前，由于強降雨天氣導致的城市內澇問題時有發生，為了降低該問題對城市交通造成的惡劣影響，本設計基于STM32 開發板，結合激光測距、慣性傳感器、溫濕度和氣體檢測等模塊，實時監測交通道路的水位情況，并且將測量數據傳送到網頁中，同時使用可視化數據大屏的形式直觀、清晰地展示監測數據的變化情況，協助管理人員進行道路疏通，降低車輛在行駛過程中的風險，協助建設城市排水防澇工程體系。