基于ZigBee的下穿式立交橋積水深度提示系統

尹月彤　胡宏偉　劉維富　尹浩　孫儀

關鍵詞：ZigBee技術；積水深度；上位機軟件

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）12-0026-03

0 引言

現代城市交通網絡日趨密集，下穿式立交作為一種傳統的跨越形式隨處可見。因下穿式立交的橋洞低于路面，遇到暴雨天氣時積水的概率增大，產生巨大的安全隱患。在2019年8月的沈陽特大暴雨中，西塔橋下嚴重積水，造成駕駛員溺亡。在2020年6月的沈陽暴雨中，仍然有多處下穿式立交橋嚴重積水。而目前為提示人員、車輛誤入下穿式立交橋深水路段的方案有水位標尺，遠程路況監控等。存在較為明顯的缺點：1） 水位標尺不夠直觀，駕駛員在駕駛過程中很難快速準確識別水位是否危險，尤其在夜間更是無法看清刻度；2） 僅能提示當前的積水深度，而依據當前的積水深度數據，過往的行人和車輛往往不能對下一步路徑選擇作出充分的判斷。本文針對立交下積水深度信息溝通不暢的情況，研究構建基于ZigBee技術的下穿式積水深度提示系統，系統具有橋下積水的實時監測和水位信息預測功能[1]。

1 系統總體設計

超聲液位傳感器節點以CC2530芯片為核心，分布在下穿式立交橋頂部，組建覆蓋立交橋下區域的無線網絡，通過協調器節點將傳感器節點采集的數據經互聯網傳送至監控中心軟件，數據通過監控中心軟件進行實時積水水位的監測，同時利用積水深度預測模型對積水深度進行預測[2]。當橋下短時間內可能出現積水或已經出現積水時，系統將提示并通知用戶注意通行安全，用戶通過終端設備安裝的App軟件接收并查看橋下相關水位深度信息。系統工作示意圖如圖1所示。

為了進行實時水位監測，由分布在下穿式立交橋頂部的超聲液位傳感器采集的實時水位信息，匯集到ZigBee協調器節點，經由互聯網或者移動網絡傳至監控中心軟件，系統會對上傳的數據自行進行檢測比對，判斷當前水位所處的積水深度級別，警示信息將在立交橋入口路情信息提示屏上顯示，同時該信息會一并顯示在監控中心軟件和用戶終端App。為了提供積水預測信息，在實時獲取的積水深度信息基礎上，監控中心軟件中輸入積水速度、排水速度和不同等級積水深度閾值，依據積水深度預測模型，計算橋下積水深度到達不同積水深度閾值的時間，水位預測信息將同時在監控中心軟件和用戶終端App上顯示，從而為過往的車輛和行人提供路徑選擇的依據[3]，系統工作原理如圖2所示。

2 系統硬件仿真設計

系統硬件利用《京勝世紀物聯網虛擬仿真實驗平臺》進行搭建，效果如圖3所示。圖中利用協調器、路由器模擬真實節點，組建星形拓撲結構ZigBee網絡；通過在路由器節點搭載超聲液位傳感器和液位模擬器模擬各節點水位深度數據采集；各節點將采集到的水位深度數據匯聚到協調器節點，協調器節點通過串口與網關相連接；監控中心軟件和用戶終端App將通過訪問網關獲取ZigBee網絡傳遞的數據[4]。

ZigBee設備按照協議規定的格式，通過網關與上層應用進行數據的交互。控制命令數據格式為A5BB CC DD DD DD DD DD 5A，由協調器廣播給各節點；各節點通過ZigBee網絡傳遞監測數據，格式為B5BB CC DD DD DD DD DD 5B；其中A5或者B5是節點數據包頭，5A或者5B是數據包尾；BB為指定WSN設備類型（協調器為00） ；CC為指定WSN設備類型的地址；5位DD代表長度為5的數據位。

網關通過網絡信息與應用軟件進行數據交互，通過串口與協調器節點交互數據，如圖4所示，網關分別通過不同接口傳遞數據包。網關從應用軟件接收ping指令（A5 00 00 FF FF FF FF FF 5A） ，并且轉發；然后從串口接收到終點節點的采集數據信息，例如B549 01 00 00 00 0A FF 5B，其中49表示設備類型，即超聲波液位傳感器；01表示地址，即設備地址；00 00 000A FF表示長度為5的數據，數據位0、1、2、3的數值為0A代表液位數據，即水位為10mm，數據位4固定為0xFF。在本文中假設立交橋下布置了5個超聲液位傳感器節點用于積水深度信息的獲取。

3 系統上位機軟件設計

上位機軟件具有實時積水深度監測和預測的功能；積水深度監測功能通過解析傳感網采集的下穿式立交橋下的積水深度數據來實現；為了實現積水深度預測功能，設計了積水預測模型，結合實時積水深度和降雨信息預測積水水位的變化[5]。上位機的人機交互界面基于C#語言設計，軟件設計要考慮系統的穩定性，安全性和可靠性，系統的實時操作能力，用戶界面的友好性。

3.2 上位機軟件功能模塊

上位機軟件有監控中心軟件和終端App兩種形式。監控中心軟件具有傳感網絡連接、降雨信息輸入、積水深度實時監測和積水深度預測等功能，由交通監管部門的管理員操作使用。管理員通過輸入網關和端口號可以連接橋下積水監測的傳感網絡，獲取實時積水深度信息[6]；結合該信息，同時輸入降雨信息和積水等級閾值，管理員可以獲取積水深度預測信息。監控中心管理軟件如圖5所示。

用戶終端App具有用戶登錄，獲取橋下實時積水深度信息與積水深度變化信息的功能，可以在手持終端設備上安裝，為橋下過往的行人和駕駛員提供路徑選擇的依據，終端App的使用界面如圖6所示。

4 總結

本文在對下穿式立交橋橋下積水且信息提示不到位的現狀和市場現有產品應用進行充分調研的基礎上，結合過往行人和車輛的實際需求，基于ZigBee技術組建了覆蓋立交橋橋下通行區域的無線傳感網絡，實現了下穿式立交橋積水深度提示系統的設計，具有橋下積水深度的實時監測和積水深度變化的預測功能。系統經過反復調試可正常運行，能夠實現預期功能，穩定性和可靠性達到了設計要求。上位機端軟件主體功能模塊均已設計完成，后續仍將對軟件的附加功能繼續完善，使其更符合用戶的需求。