城市道路积水多点监测及预警系统设计

夏志川 钟小建 阮 飞 刘月龙 柳 宝

（湖北工程学院物理与电子信息工程学院，湖北孝感 432000）

1 引言

科暴雨所导致的道路积水不仅有可能直接导致个人及公共财产损失，还可能导致交通中断及环境污染，影响城市的正常生产生活秩序。目前，随着城市化高速发展，城市气候和下垫面条件均发生明显的变化，城市排水管网系统建设滞后和排水系统规划不够合理更是加剧了这一问题的严重性。

近年来，有一些道路积水形成原因以及排除积水的措施的研究报道[1][2][3]，但其提出解决方法——如升高积水路面高度也易导致附近道路积水，不能较好的解决实际问题，而且没有对路上行人和车辆做出警示。而且，国内各大城市的道路积水监测与报警都没有形成体系。针对以上分析，基于上下位机设计了城市道路积水多点监测系统，实现了低成本、易维护和高稳定性的道路水位的实时监测及预报技术，并进行了相关实验。

2 系统硬件设计

2.1 系统总体设计

城市道路积水多点监测及预警系统框图如图1所示，系统以两片AT89S52单片机为下位机，分别模拟两个监测点，以STM32单片机为上位机，模拟监测中心。整个系统由监测站STM32单片机系统、监测点AT89S52单片机系统、水位测量传感电路、无线通讯电路、TFT液晶显示电路、数码管显示电路、LED指示电路和键盘控制电路组成。其中，上位机主机负责与各个监测点进行通信，实时采集并处理各个监测点的数据。监测点从机负责采集测量点的实时水位数据，根据水位状态进行不同的报警提示，最后通过无线方式将数据发送至下位机主机STM32。

在监测点从机系统，水位数据传感器采用松下D3A，水深显示采用数码管，交通指示采用LED指示，A/D转换为TLC1543模数转换器。在监测点主机系统中，TFT液晶用于显示各个监测点的实时水位信息，并配有语音报警模块，可以进行实时的播报。无线模块采用HC-11无线串口模块。

图1 系统原理框图

2.2 数据采集模块

水位数据测量传感器采用松下D3A传感器，其是一种无接触式的传感器，通过感受气压来实现对压力的测量，其详细的技术参数如表1所示

表1 松下D3A压力传感器技术参数

由于传感器输出为模拟信号，且考虑到系统精度需求，A/D转换器采用TLC1543模数转换器[4][5]。该转换器为高速（10µS转换时间）、高精度（10分辨率，最大±1LSB不可调整误差）转换器，可通过软件编程设置增益、信号极性、输入通道等。

2.3 无线通信模块

设计中采用基于CC1101无线串口模块来实现无线通讯功能，其中，CC1101是一款低于1GHz高性能射频收发器，工作频段为387.0MHz～464.0MHz ；支持0.6kbps～500kbps的数据传输速率和多种调制模式(OOK、ASK、GFSK、2-FSK、4-FSK和MSK) ；通过4线SPI接口与MCU连接，同时提供2个可设定功能的通用数字输出引脚。工程实际中，MCU与无线通信模块以半双工的方式传输数据[6][7]。

由于HC-11无线模块供电电压为3.3V，而AT89S52单片机的管脚电压为5V，故串口连接时需要相互转换，这样才能保证通信正常进行。设计的转换接口电路如图2所示，无线模块发送端，数据传输采用P421光耦进行耦合，而接收端采用对电阻进行分压实现。

图2 无线模块与AT89S52单片机的接口电路

3 系统软件设计

3.1 上位机STM32程序流程

上位机任务是与各个监测点通信，可以修改各个监测点水位警戒值，向各个点请求并接收当前的水位值，然后在上位机TFT液晶上进行显示。其程序流程图如图3所示，系统上电初始化之后，上位机STM32首先调出显示界面，然后询问是否设置新的警戒值，在设置完成之后将新值发送至下位机。之后请求各个监测点水位数据，接收到当前水位数据之后，在液晶屏上进行显示。

3.2 监测点下位机程序流程

下位机程序流程如图4所示：先对系统进行初始化，然后不停的进行AD采集，将采集到的AD值通过一定的软件算法转化成水位深度值，再在数码管上显示出来，并将深度值通过无线通讯发给监控系统。同时将深度值与警戒线相比较，如果深度值大于警戒线，则红灯亮，表示积水过高，该路段禁止通行；如果深度值低于警戒线而高于警戒线的二分之一，则黄灯闪，表示该路段有一定的积水，但可以缓慢通行；如果深度值低于警戒线，则绿灯亮，表示该路段可以正常通行。

图3 上位机STM32程序流程

图4 监测点下位机程序流程

3 实验测试及数据分析

依靠上述设计，搭建了实物系统，上位机系统和下位机系统实物分别如图5(a)和5(b)所示，经上电测试，系统工作正常。采用该系统，制定的实验测试步骤如下：首先将系统各模块电路连接好，将透明塑料导管的一端连接压力传感器，另一端放如玻璃容器底部，并弯折一小段（防止水位太高时水压入导管产生测量误差）；之后给下位机系统和上位机监控系统通电，待系统工作稳定后，向容器内缓慢注入清水，每隔一定高度，用米尺测量水位高度，并记录对应的测量值。

图5 系统实物图

考虑到测试水温对传感器数据有一定的影响，分别在不同的水温下进行了上述的测试实验，数据如表2所示，可见不同的测试温度和不同水深值对测试结果都会产生一定的影响。

表2 测试实验数据

4 结论

采用上下位机系统实现了城市道路积水多点监测系统，在此基础上进行了相关测试实验，得出了以下结论：

1.经过实物测试，系统工作正常，成本较低

2.采用D3A传感器进行测试时，不同的水温和不同水深值均会影响测量结果，但本文未作深入研究。

实验中对不同的测试温度和传感器的测量线性度均为涉及，这是下一步研究的方向。

[1]潘崇伦.上海市下立交积水自动监测系统设计[J].水利信息化, 2010(2):42-44

[2]万胜磊, 左林远, 王松吉.莱西市区道路积水监测系统设计[J].山东水利, 2011, (11):61-62, 65

[3]徐海军, 刘林海.电子水尺在城市道路积水监测系统中的应用[J].水利信息化, 2010(6):45-47

[4]郭凤仪, 李斌, 马文龙, 等.深水水深检测用压力传感器补偿方法研究[J].仪表技术与传感器,2010,(6):6-8

[5]元保军.压力式雨量及路面积水检测的WSN节点设计[D].南京:南京信息工程大学, 2011.

[6]郝迎吉.远距离水位智能监控系统的研究与实现[J].仪器仪表学报, 2004, (6):809-812.

[7]王新庆.基于GIS的城市道路积水可视化关键问题研究[D].北京：北京工业大学硕士学位论文, 2009

[8]郑义,陈俊.用AT89C52和TLC1543实现数据采集系统[J].电子世界,2004,(12):24-25

[9]林雪梅,彭佳红,姚志成.单片机多机通信协议的设计[J].微计算机信息,2006,22(22):24-27, 125.

[10]贺敬凯,潘晓宁,王瑞春.多机串口通讯协议的设计[J].深圳信息职业技术学院学报, 2011,9(1): 48-51