基于物联网的多用途水位监测与应急处理系统

赵世浩 刘枳麟 崔盟威 窦羿林 夏一峰 肖雨桐

（东北林业大学，黑龙江 哈尔滨 150040）

0 引言

全球气候变异和暴雨灾害事件的频发，使城市灾害应急处理系统的建设成为重中之重，近两年全国各地遭遇暴雨极端天气，严重威胁了市民的生命和财产安全。

现有城市应急处理方案系统对于突发暴雨和洪水等极端天气的反应能力有限[1]，秦玉忠等人设计了一种城市道路积水监测装置，利用气介质超声波传感器监测道路积水[2]。潘虹等人基于物联网的道路防涝监测预警系统，通过选用合适的物联网监测终端，利用物联网技术将道路的积水水位传回终端[3]。上述装置或系统只能监测道路积水，适用范围小，同时上述系统或装置须持续工作，在无积水时也会消耗能源，会造成不必要的能源消耗，同时该装置也没有考虑在恶劣情况下装置断电、续航的问题。

基于以上现状，该文设置了一种能够实现城市路面内涝灾害水位监测、易积水路段水位监测与应急处理以及地下管网径流水位及水质监测的系统，同时考虑并解决系统须长时间待机、能源消耗以及在恶劣环境下系统断电的问题，使系统具有适用范围广、节约能源以及断电续航等优点。

1 系统的基本功能与组成

系统应具备以下6个基本功能：1） 能够监测城市路面内涝灾害水位、易积水路段水位以及地下管网径流水位和水质。2） 能够远程传送采集的数据。3） 系统无须持续工作，仅在出现积水后开始工作。4） 具有断电续航的功能。5） 出现灾害和危险时，具有应急处理的功能。6）具有对雨水进行分级、分流处理及利用的功能。

基于以上要求，系统应由6个单元组成，分别为水位及水质监测单元、物联网数据传输单元、显示单元、应急处理单元、雨水处理及利用单元和主控单元。

1.1 水位及水质监测单元

水位及水质监测单元由投入水位传感器、水质传感器组成，水位传感器设置于易积水路段的道边以及地下管网，水质传感器设置于地下管网至蓄水池入口处，配合分流水闸对污水进行分级、分流处理。

投入式水位传感器（如图1所示）通过测量压强得到水深数据[4]，并通过RS485总线以Modbus RTU协议的形式返回数据。位于主板的MAX485EAS芯片可将水位计返回的RS485电平转换为TTL电平。RS485总线为差分双绞线，传输距离可达到几千米，并且每个传感器具有1个独立的Modbus地址，如果使用特制的485芯片，可以安装128个或者256个传感器，最大可以安装400个传感器[5]。

图1 投入式水位传感器

水质传感器选用光电浊度传感器（如图2所示），利用光学原理，通过溶液中的透光率和散射率来综合判断浊度情况。传感器内部是1个红外线对管，光线的透过量取决于溶液的污浊程度。传感器会输出电流信号，而通过功放电路可以将电流信号转变为电压模拟量，再使用AD7705模数转换芯片将电压模拟量转换为数字信号，供主控MCU进行处理。

图2 水质传感器

1.2 物联网数据传输单元

在城市中，传统的Wi-Fi、LoRa等短距离物联网方案无法实现大范围覆盖[6]，而用于移动通信的4G网络则能覆盖较大范围，因此选用4G透明传输方案。

物联网数据传输单元选用NB-73无线透传模块，依靠城市4G网络进行CoAP透传，将道路积水数据和地下管网水位及水质数据传输至云端服务器，NB-73无线透传模块外接，并将天线置于信号良好的位置，以保证数据传输的稳定性。

1.3 显示单元

显示大屏设置于控制中心，积水路段水位数据和地下管网的水位及水位数据依靠城市4G网络进行CoAP透传至控制中心的显示大屏，以便工作人员进行实时监控。

水位高度提示牌通过数码管显示水位数据，与主板间使用RS485电平进行通信，通过485转TTL电平芯片转换为单片机可读取的TTL电平后，使用74HC595锁存器驱动数码管。74HC595锁存器可以并行输出串行八位数据，1个锁存器可直接驱动1个数码管，而输入只需要占用3个IO口，因此可以节省单片机IO资源。同时，水位高度显示牌可直接使用太阳能驱动，节能环保且安装方便。数据传输与显示流程如图3所示。

图3 数据传输与显示流程图

1.4 应急处理单元与雨水处理及利用单元

应急处理单元由道闸、超声波传感器和抽水泵组成，应急处理单元主要用于监测城市路面内涝灾害和易积水路段，当积水水位到达行人与车辆不能安全通过的高度时，道闸臂降下挡住行人与车辆，预防行人与车辆误入积水区，超声波传感器监测是否有行人与车辆，避免在道闸臂降下的过程中发生道闸臂砸到行人与车辆的意外。抽水泵将积水排入其他管道或河流，达到缓解积水继续上升或降低积水水位的目的。

雨水处理及利用单元包括水质传感器、抽水泵和分流水闸。在城市地下管网的径流检测中，通过水质传感器对水质进行检测，同时利用抽水泵与分流水闸的配合对雨水按照浑浊度进行分级处理，从而充分利用水资源。

1.5 主控单元

主控单元由主控板与雨雪传感器组成。雨雪传感器能够监测是否有降雨，当有降雨时为高电平，无降雨时为低电平，主控MCU通过接受雨雪传感器的高低电平来控制系统的工作与休眠，有降雨时系统工作，无降雨时系统休眠，使系统无须长时间待机。雨雪传感器如图4所示。

图4 雨雪传感器

主控板包括主控MCU、传感器接口、决策单元、MAX485芯片、TP5000芯片和锂电池。主控MCU采用ST公司生产的基于ARMCortex-M4微处理器的STM32F407VET微控制器，它是一款32位、低功耗、接口丰富、运行可靠且性价比高的单片机[7]，如图5所示。投入式水位传感器通过RS485总线进行通信，需要通过MAX485芯片将水位计的RS485电平转换为TTL电平，并将水位数据传输至主控MCU；水质传感器与超声波传感器可以直接通过传感器接口与主控MCU进行连接，主控MCU通过NB-73无线透传模块和天线将数据传输给显示单元。

图5 STM32F407VET微控制器

考虑到需要保证紧急断电的情况下系统依然能够续航，电源采用备用锂电池升压方案，系统接入220 V市电时，使用220 V整流降压到5 V和24 V供电，而断电时锂电池升压5 V和24 V进行供电；锂电池电源管理选用TP5000芯片，可安全地为电池充电，并具有短路保护、过温保护以及过流保护等功能。

2 应用场景

2.1 城市路面内涝灾害水位监测

出现暴雨等强对流天气会导致城市发生内涝，短时间内引起道路积水，由于不同区域降水量不相同，因此积水路段存在很大的不确定性，该系统对城市交通主干道进行分区监控，通过布置在不同地点的水位传感器将数据通过NB-73无线透传模块传输至显示大屏，城市路面内涝灾害水位监测流程如图6所示。

图6 城市路面内涝灾害水位监测流程图

2.2 易积水路段水位监测与应急处理

降水时，地下通道、涵洞和低洼路段在降水量没有达到自然灾害水平的情况下也容易产生积水，且在车辆经过时不易及时发现，如果缺乏及时预警与交通分流管理不仅会导致交通拥堵、瘫痪，而且还有可能危害市民的生命财产安全，该系统以水位传感器、超声波传感器以及云端人工控制为输入设备，以太阳能水位显示牌、道闸、应急抽水机和云端上传为输出设备，在需要的路段通过水位显示牌对过往车辆及人员进行提示，当积水超过限值时控制道闸辅助交通管理。易积水路段水位监测与应急处理流程如图7所示。

图7 易积水路段水位监测与应急处理流程图

2.3 地下管网径流水位及水质监测

在遭遇强降雨天气时，城市地下管网系统将会承受数倍于正常运行状态的水流量，极易出现爆管、泄漏等问题，该系统以水位传感器、水质传感器和云端人工控制作接口为输入设备，以分水水闸和云端上传接口为输出设备，动态监控管网运行情况并以水质监测数据为依据，与海绵城市思想结合，对雨水进行分级、分流处理，提高城市地下管网统筹协调管理能力和降水分级循环利用效率，节约水资源，为生态友好型城市建设提供技术支持。地下管网监测用途程序框如图8所示。

图8 地下管网监测用途程序框图

3 结语

与传统单一功能的水位监测系统相比，该系统具有以下6个优势和创新点：1） 可以在一定区域范围内实现多点同时监控与处理。2） 可以在极端天气下实现自动化预警处理与控制。3） 当水位到达阈值时，系统可以自动或手动远程控制相应位置的输出设备进行工作，减少人力、物力的消耗，最大限度保障人员的安全。4） 在突发断电的情况下，可以保证系统能正常工作。5） 能够通过雨雪传感器的高低电平来控制系统的工作与休眠，使系统无须长时间处于高耗电状态，节约能源。6） 能够用于对路面和地下管网径流的监测，为实现海绵城市建设提供了新的解决方案，为城市应急管理和地下水处理提供了一体化解决方案，从而提高城市生态环境的适应性与协调性。