隧道防汛監控預警系統設計

李 明，董晨樂，楊延寧，2，董軍堂

(1.延安大學 物理與電子信息學院，陜西 延安 716000；2.南昌理工學院 電子與信息學院，南昌 330044)

0 引言

隨著城市的發展，市區規模的進一步擴大，快速路逐漸成為城市道路建設中非常重要的一項基礎建設，下沉式隧道作為城市快速路的一種重要表現形式，有著其他快速路無法比擬的特點，但由于近年來極端天氣頻繁出現，我國部分城市不同程度的出現了內澇災害現象。

本文設計了針對隧道的防汛預警系統，本系統采用非接觸式超聲波測量以及接觸式水位傳感器測量的方法，實時監測雨天時易積水處積水深度，將測量數據發送給上位機，數據由上位機處理后實時顯示在OLED12864顯示屏上。當水位低于安全閾值時，聲光報警模塊不發出警報；當水位達到設定的警戒閾值時，聲光報警器發出第一次警報，OLED12864顯示屏提示車輛繞行；當水位達到設定的最大閾值時，聲光報警器發出第二次警報，OLED12864顯示屏提示車輛禁止通行。

國內隧道防汛預警系統發展較為緩慢，大多數隧道在新建成初起時未考慮到可能面臨的災情，目前國內具有代表性的有廣州市黃埔區19個隧道以及白云區部分隧道安裝了智能自動防汛監控預警系統，安裝的城市基本都是年降水量普遍較高的地區，而內陸大部分城市因為年降水量較少的緣故忽略了對于隧道易積水、易倒灌而可能導致的災情進行有效的監控及預警。

國外部分國家及地區十分重視防汛減災，以日本東京為例，在東京市區由熱島現象引發的局部集中暴雨頻繁發生，都市型水災成為嚴重問題。東京都針對極端降雨，從構筑排水分洪系統、裝備高性能氣象雷達預測突發性暴雨等方面發展對策[1]。

1 系統結構及原理

針對可能出現的暴雨等極端天氣造成的城市內澇現象導致隧道大量積水的情況，本論文以STM32F103C8T6單片機為主控芯片設計了一種針對隧道的防汛預警系統。該系統需要測量的水位信息由HC-SR04超聲波傳感器進行測量，通過設立多機位測量的方式提高水位測定的精確度，在測量的水位最深處達到閾值時發出警報并發送相關警示信息進行提前預警，以減少可能造成的人員傷亡以及財產損失等情況。具體研究內容如下：

1)設立2個機位，1號機負責測量實時水位信息，并將數據發送給2號機，2號機負責接收1號機發送的信息，實時顯示當前水位，在水位到達閾值時發出警報并發送警報提示。

2)當1號機監測水位到達相應閾值時，2號機分別有以下幾種狀態：

(1)1號機監測水位低于4 cm時：聲光報警器不啟動，OLED12864顯示隧道可安全通過，發送安全信息；

(2)1號機監測水位高于4 cm，低于8 cm時：聲光報警器啟動，OLED12864顯示隧道積水較多請繞行，發送二級預警信息；

(3)1號機監測水位高于8 cm時：聲光報警器啟動，OLED12864顯示隧道封閉禁止通行，發送一級預警信息。

總電路是以上各個模塊的組合，其中主控電路由STM32F103C8T6作為主控芯片進行控制，HC-SR04超聲波模塊負責測量水位高度，采用單片機內部定時器記錄超聲波發出與返回的時間差，并通過發送端單片機內部所下載的程序進行計算和判斷水位是否達到相應閾值，并將檢測的水位信息實時發送給接收端，經過接收端單片機處理后顯示在OLED12864上。當達到相應閾值時聲光報警模塊工作，發出警報，接收端在OLED12864上顯示相應的報警提示。隧道防汛監控預警系統總電路如圖1所示。

圖1 隧道防汛監控預警系統總電路圖

2 系統設計

隧道防汛監測預警系統由主控電路、水位檢測模塊、GSM短信發送模塊、OLED顯示屏模塊、無線通信模塊、聲光報警模塊共六部分組成。本章重點闡述系統各個功能模塊所需器件的選型和控制系統設計方案以及工作原理。

2.1 系統方案論證

2.1.1 主控芯片選擇

方案一：選用MSP-EXP430G2 LaunchPad系列中的MSP430G2553單片機。MSP430G2553單片機可在230 μA，2.2 V的條件下運行，具有24個觸摸感測的I/O接口、多個通用串行通信接口等外設的超低功耗16位微控制器[2]。該單片機板載串口程序下載調試器，可使用IAR Embedded Workbench或者Code Composer Studio集成開發環境對軟件程序進行編寫、下載和調試應用。其優點是超低功耗，具有相對成熟的開發環境，下載程序較為簡單，缺點是引腳較少，成本較高。

方案二：選用STM32F103系列中的STM32F103C8T6單片機。STM32F103C8T6包含以72 MHz頻率的高性能Cortex-M3 RISC內核、高速嵌入式內存以及增強型I/O接口和外圍電路[3-4]。同時具有2個1 μs的12 bit ADC通道，2個18 M/s的SPI通信接口，3個4 M/s的USART串口等外設。其優點是具有較高的性能，功耗較低，具有成熟完整的開發環境，成本低，缺點是開發難度較高，指令相對復雜。

綜上所述，MSP430系列單片機雖然具有指令較為簡單、超低功耗等特點，但由于MSP430G2553單片機運算速度慢于STM32F103C8T6單片機，且價格相對較高[5]。故從價格、運算速度等方面考慮，本系統采用方案二。STM32F103C8T6管腳如圖2所示。

圖2 STM32F103C8T6管腳圖

2.1.2 水位檢測模塊選擇

水位檢測常用的方法主要有以下五種：

1)水壓測液位法：測量水壓，通過壓強公式Ρ=ρ·g·H+Po計算出水位高度。

2)光學折射測液位法：利用光在兩種不同介質的交界面會發生反射折射現象，且在不同的介質中折射率不同的原理來檢測水位高度[6]。

3)浮子浮力測液位法：利用浮力，使浮子上浮，通過浮子上升來確定水位。

4)接觸式電容測液位法：根據有水和無水狀態時不同的電容變化來確定水位。

5)非接觸式超聲波測液位法：利用超聲波測距原理，通過檢測計算超聲波發射和接收的時間差來計算水位高度。

6)通過對以上五種方法的了解，隧道防汛預警系統的研究和設計過程中選擇使用相對簡便且成本較低的非接觸式超聲波測液位法。

方案一：選用HY-SRF05超聲波模塊。該超聲波模塊可以實現2～450 cm的非接觸式測距功能，也可自動發送方波并檢測回波，但是要求被測物體面積不少于0.5 m2，這個測距條件難以滿足。

方案二：選用HC-SR04超聲波傳感器。該傳感器內部電路中由發射、接收聲波電路以及控制電路組成。該傳感器所使用的測量方法是渡越時間法，并且其測量范圍寬廣，精度很高，可達3 mm。HC-SR04傳感器的部分電氣參數如表1所示。

表1 HC-SR04電氣參數

綜上所述，HC-SR04超聲波傳感器具有完整的集成電路，降低對了單片機的需求，使用方法簡單便捷且工作性能和電氣性能比較符合本設計系統，因此選用HC-SR04傳感器[7]。

2.1.3 顯示屏模塊選擇

方案一：OLED12864(7Pin)采用SSD1306為主芯片，其顯示分辨率為128×64，通信方式有SPI通信或IIC通信兩種方式，引腳完全兼容IIC，其默認通信方式是4-Wire SPI通信，OLED12864可完成BMP格式的圖形顯示以及四行八列共32個16×16點陣大小的中文漢字顯示，其優點是功耗較低，顯示清晰，價格相對較低，程序電路相對簡單。

方案二：LCD12864是一種具有4位或8位并行，2線或3線串行多種接口方式的點陣圖形液晶顯示模塊，其顯示分辨率是128×64，可完成圖形顯示，也可顯示四行八列共32個16×16點陣大小的中文漢字或16×8點陣大小的ASCII字符集。其優點可顯示圖形及漢字，缺點是價格相對較高，功耗相較于OLED較高，程序及電路相對復雜。

綜上所述，因為本設計需要清晰顯示漢字及相關信息，LCD12864與OLED12864都可同時顯示多個漢字，但OLED12864的顯示效果及對比度相較于LCD12864好，同時基于成本、功耗和程序代碼的簡潔程度等方面的考慮，所以選用OLED12864液晶顯示屏進行顯示，圖3為OLED_7 Pin原理圖。

圖3 OLED_7 Pin原理圖

2.1.4 無線通信模塊選擇

本設計采用雙機位進行系統構建，在兩個機位中需要進行短距離無線通信，常見的無線通信方案有以下幾種：

1)無線編解碼芯片：其具有編碼選擇端口供用戶選擇，用戶可對數據進行編碼操作后以無線傳輸的形式發送數據給解碼器；無線解碼器接收編碼器所發送的數據并執行解碼操作，并進行相應處理。常用的編碼解碼芯片有PT2262與PT2272。

2)無線數據傳輸芯片：在短距離無線通信中，無線數據傳輸芯片以其特有的抗干擾能力強、可靠性高、安全性好、安裝簡便靈活等特點被廣泛運用[8]。 nRF24L01與CC1100被廣泛運用于生活中的無線傳輸場景。

3)ZigBee：ZigBee技術是一種可實現無線自組網的技術，可以按照使用者的不同需求構建出有相應差異的網絡拓撲結構[9，10]，ZigBee適合具有低功耗要求的中小型設備進行組網。

4)Wi-Fi：Wi-Fi作為無線通用局域網連接方式，基于2.4 GHz的ISM頻段進行數據的無線傳輸，具有更高的安全性、更寬的帶寬、更低的功耗、更強的射頻信號等優點，其缺點是無法有效進行中長距離通信[11]。

5)藍牙：藍牙的連接方式與Wi-Fi類似，同樣使用2.4 GHz的ISM頻段進行短距離慢速數據收發。藍牙連接方式非常簡單、功耗低，在日常生活中應用范圍非常廣泛。其缺點是通信距離很短，收發兩端障礙較多時無法有效連接，無法快速傳輸大量數據。

6)IrDA：IrDA使用紅外進行通信，是一種低成本、低功耗的短距離無線通信方案。該協議保證了通信距離為0～1 m，偏軸角為0～15°的無錯通信[12]。IrDA在短距離傳輸信息時具有很高的安全性，其最大缺點是對傳輸路徑的要求相對較高，無法穿透墻壁等不透明物體，并且傳輸距離和收發器角度非常有限。

綜上所述，本設計采用無線數據傳輸芯片作為無線通信方式，使用nRF24L01進行通信，這是一款新型單片射頻收發器件，可在2.4～2.5 GHz ISM頻段內進行工作[13]。其內置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調制器等功能模塊，并集成了增強型Shock Burst技術，可通過編程的方式對輸出功率和通信頻道進行配置[14]。nRF24L01具有超低功耗，高性能，價格低，傳輸距離遠等優點，因此本系統選擇使用nRF24L01作為數據傳輸模塊。

2.1.5 GSM短信收發模塊

本系統需要將發生險情時的水位信息以及相應報警信息以短信的方式發送至手機端以進行險情預警[15-16]。考慮到實際中發送短信的情況，本系統采用GPRS無線通信的方式，使用SIM800C模塊，該模塊成本較低，具有多樣的硬件接口，與單片機連接簡單。

2.1.6 聲光報警模塊

本系統在需要水位到達相應閾值時發出警報，在實際情況中，人對于較為尖銳的聲音以及燈光較為敏感，考慮以上兩個特點，本系統采用蜂鳴器與LED燈相結合的方式作為聲光報警模塊。

2.2 系統設計方案及工作原理

隧道防汛預警系統基于STM32單片機，使用超聲波傳感器對水位進行實時測量，并保證測量數據的準確性，圖4為系統總體方案框圖。該系統由主控芯片、超聲波測距、OLED12864顯示、nRF2L01通信、GSM短信模塊、聲光報警、電源共七部分構成。

圖4 系統總體方案圖

隧道防汛預警系統的工作原理為，以STM32為該系統的主要結構，通過從機HC-SR04傳感器進行超聲波信號的發出和接收來進行水位測量，測量的數據通過nRF24L01傳輸至主機并通過OLED12864進行相關信息值的顯示，在達到相關閾值時發出警報。

3 系統硬件電路設計

隧道防汛預警系統的硬件電路包括主控部分、超聲波傳感器檢測部分、顯示部分、通訊部分及聲光報警五部分。硬件電路采用立創EDA進行繪制，其操作界面簡單，增強功能多，原理圖庫文件豐富，能夠提高工作效率，實現設計工作流程可視化和快速布線并保障硬件設計質量[17]。

3.1 主控電路設計

主控電路是以STM32F103C8T6作為主要控制單元，使用其最小核心系統板進行設計，確保電路正常運行。其最小核心板基于Cortex-M3內核，采用LQFP48封裝，擁有2個12 bit ADC通道，4個16 bit 定時器以及2個I2C通信接口、2個SPI通信接口、3個USART串口通信接口和1個CAN總線接口等外圍電路。在燒錄程序時，使用ST-Link與單片機的SW調試引腳相連接進行燒錄。主控電路設計如圖5所示。

圖5 主控電路設計圖

3.2 水位檢測電路設計

系統選擇將HC-SR04超聲波傳感器作為水位檢測電路中的測距模塊。該傳感器是成熟的集成產品，性能穩定，測量范圍為20～400 cm，其測量盲區小，測距精度比較高。根據要求將單片機的引腳分配給傳感器，就可以實現單片機與監控模塊的聯動。水位檢測電路的電路如圖6所示。

圖6 水位檢測電路

該超聲波模塊有4個引腳，分別為VCC、Trig、Echo和GND，HC-SR04超聲波模塊的引腳說明如表2所示。

表2 HC-SR04引腳說明

3.3 顯示電路設計

系統采用OLED12864顯示屏將測量的水位信息進行實時顯示并將相關報警信息表示出來，方便人們及時觀察到系統所檢測的實時水位信息以及險情發生時的報警提示。根據OLED12864引腳情況說明，確定顯示部分硬件電路，圖10為OLED12864顯示電路圖。OLED12864引腳說明如表3所示。

表3 OLED12864引腳說明

3.4 數據傳輸電路設計

隧道防汛監控預警系統在實際應用過程中，因隧道設計長度較長以及的原因，測試端與顯示端必須采用無線通信的方式進行數據傳輸，為了進行中長距離通信，該系統選用nRF24L01通信模塊進行數據傳輸。在系統中，nRF24L01可以進行百米以上的中長距離通信，nRF24L01的引腳說明如表4所示。

表4 nRF24L01引腳說明

根據nRF24L01引腳情況說明，確定數據傳輸部分硬件電路，nRF24L01數據傳輸電路如圖7所示。

圖7 nRF24L01數據傳輸電路圖

3.5 聲光報警電路設計

由于該設計需要在水位達到閾值時進行報警，將聲光報警電路連接到端口，選用2.2 K電阻保護電路。使用8550PNP三極管進行連接，同時使用1 K電阻對LED二極管進行限流保護。本系統選用有源蜂鳴器，可以通過單片機內部定時器進行計時操作，實現波形的輸出從而驅動蜂鳴器。當測量的水位達到既定閾值時，蜂鳴器發出報警同時LED點亮。

3.6 總電路設計

總電路是以上各個模塊的組合，其中主控電路由STM32F103C8T6作為主控芯片進行控制，HC-SR04超聲波模塊負責測量水位高度，采用單片機內部定時器記錄超聲波發出與返回的時間差，并通過發送端單片機內部所下載的程序進行計算和判斷水位是否達到相應閾值，并將檢測的水位信息實時發送給接收端，經過接收端單片機處理后顯示在OLED12864上。當達到相應閾值時聲光報警模塊工作，發出警報，接收端在OLED12864上顯示相應的報警提示。

4 軟件設計

4.1 軟件電路主流程設計

在系統初始化后，發送機通過HC-SR04超聲波傳感器測量實時水位距離信息，通過單片機程序中相應計算公式進行計算，將距離信息通過nRF24L01發送給接受機，接收機處理數據后在OLED12864上顯示實時水位信息，同時接收機根據收到的數據與閾值進行對比，當未達到閾值時，OLED12864僅顯示水位信息；當超過閾值時，OLED12864在顯示水位信息的同時顯示相關警示信息，聲光報警模塊啟動工作，蜂鳴器發出聲響，LED燈被點亮，GSM模塊將警示信息以短信方式發送至手機。當水位降至閾值以下時，系統返回第一個循環并繼續執行，重復上述循環。主程序流程如圖8所示。

圖8 系統主流程圖

4.2 水位檢測流程設計

超聲波測距模塊通過電源的連接啟動測距子函數，Trig引腳發出超聲波，Echo引腳處于置高狀態，使用STM32-F103C8T6單片機自帶的16 bit定時器進行計時操作。STM32F103C8T6單片機的定時器根據超聲波傳感器的Echo引腳電平被置高的工作時間來記錄超聲波從發出到接收的時間，根據單片機中已經設定好的距離計算程序計算出所測量的距離。

4.3 液晶顯示流程設計

OLED12864液晶顯示步驟：

1)OLED12864顯示屏使用語句OLED_Clear()進行初始化操作，顯示屏清屏，無錯誤信息顯示；

2)使用語句OLED_ShowString()顯示數字及字符，OLED_ShowCHinese()顯示中文漢字，通過坐標方式確定字符顯示的位置信息；

3)根據字符的位置信息進行字符顯示，確保字符正常顯示在正確的位置。

5 系統的仿真與調試

基于STM32F103C8T6單片機的隧道防汛監測預警系統的程序仿真和硬件調試包括：STM32CubeMX配置并定義管腳；Keil μV5程序編譯、調試與燒錄；硬件電路仿真設計與焊接，具體實現步驟如下：

1)使用STM32CubeMX配置STM32F103C8T6的管腳，Keil5編寫的C語言程序運行檢測、編譯等過程生成.c文件；

2)對系統總電路進行設計并進行相關測試，保障系統程序和硬件電路拓撲結構的正確性；

3)使用Keil μV5將已經編譯通過的程序下載到芯片內的同時對芯片原有程序進行Reset；

4)焊接電路，并對隧道防汛監控預警系統的硬件電路進行最終測試。

系統的軟件測試可以涵蓋以下參數：程序運行時間、內存占用、功耗消耗等。表5是對隧道防汛監測預警系統軟件部分的測試參數及測試結果。

表5 系統軟件部分的測試參數

從測試結果可以看出，該水位檢測系統在精度、響應速度、功耗和安裝難度方面表現良好。該系統能夠有效地監測下穿式隧道的水位高度，及時發出警報以提醒人們注意隧道安全。此外，該系統的低功耗設計可以確保系統能夠長時間運行而不需要更換電池。該系統的安裝也相對簡單，可以快速在隧道口易積水地區安裝并投入使用。因此，該系統提供了一種新穎有效的下穿式隧道積水檢測解決方案，并為其他類似場景中的水位監測提供了參考。

5.1 系統軟件調試

該系統設計采用Keil μV5軟件的C語言開發系統進行軟件部分程序的編寫以及調試，Keil提供了包括C語言編譯器、宏匯編、鏈接器、庫管理和一個功能強大的仿真調試器等在內的完整開發方案，通過集成開發環境μVision將這些部分組合在一起[18]。并且C語言在功能上、結構性、可讀性、可維護性上有明顯的優勢，相較于其他語言來說更容易理解。

5.2 系統硬件調試

硬件系統在設計之初使用STM32CubeMX對STM32-F103C8T6的管腳進行配置[19]。對于發送機，配置SYS_SW燒錄端口、RCC高速時鐘、USART串口通信端口、SPI通信端口 以及定義兩個GPIO為Echo和Trig。對于接收機，配置SYS_SW燒錄端口、RCC高速時鐘、SPI通信端口并定義四個GPIO為OLED12864的時鐘輸入、數據輸入或應答輸出、數據或命令選擇輸入、片選。對管腳配置完成后進行時鐘配置，單片機選用72 MHz外部高速時鐘[20]。圖9分別為發送機與接收機管腳定義圖。

圖9 發射與接收機管腳定義圖

在進行基于STM32F103C8T6單片機的隧道防汛監測預警系統的硬件調試時，需要對系統的關鍵參數進行測試和分析，以保證系統的穩定性和可靠性。表6列出了需要測試軟件的關鍵參數及其測試方法：

表6 系統硬件部分的測試參數

在傳感器測量數據的精度和靈敏度測試中，測試結果顯示傳感器的測量誤差小于2.5%，符合設計要求。在通信協議的可靠性和穩定性測試中，測試結果顯示系統在不同環境下的數據傳輸穩定可靠，通信協議的糾錯能力良好，符合設計要求。在硬件電路的穩定性和可靠性測試中，測試結果顯示電路響應時間快，功耗低，符合設計要求。在系統響應時間和運行效率測試中，測試結果顯示系統響應時間短，能耗低，運行效率高，符合設計要求。在芯片內存和存儲空間的使用情況測試中，測試結果顯示程序代碼和數據的內存和存儲空間占用率較低，有充足的空間進行優化和改進。

6 結束語

本文介紹了一種基于STM32F103C8T6的隧道防汛監控預警系統的設計。該系統可以在險情發生前發送短信至手機等，有效減少人員傷亡和財產損失。設計過程包括文獻資料查閱、模塊方案選擇與確定、硬件電路設計與軟件程序調試測試等步驟。然而，該系統還存在一些不足，比如所選用的超聲波傳感器只支持短距離的低精度測量，且受溫度影響較大。系統采用未加功率芯片的nRF24L01模塊無法進行遠距離通信等。因此，未來可以對該系統進行改進，提高系統的測量精度和可靠性。

為了改進該系統，可以設計設值恒溫系統，使裝置所工作的外界環境的溫度處于25～30 ℃之間。同時，可以設置安全裝置，以應對裝置在使用的所產生的特殊情況。在裝置中設置備用檢測路線，以應對因為外界因素導致主檢測路線損壞而影響正常工作。可以設置多個從機進行測量，將測量結果發送至主機，主機對測量結果求取平均值，以此提高測量精度。另外，加入GPS定位模塊，并將數據上傳至云端，從云端即可查看積水所在的具體位置。這些改進將使整套系統更加高效、便捷，具有更廣泛的應用前景。

綜上所述，該系統可以有效預防隧道積水等險情的發生，具有重要的應用價值。未來的改進設計將使其更加完善和可靠，為預防險情的發生提供更好的技術支持。