基于ZigBee的下穿式立交桥积水深度提示系统

尹月彤　胡宏伟　刘维富　尹浩　孙仪

关键词：ZigBee技术；积水深度；上位机软件

中图分类号：TP391 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2023）12-0026-03

0 引言

现代城市交通网络日趋密集，下穿式立交作为一种传统的跨越形式随处可见。因下穿式立交的桥洞低于路面，遇到暴雨天气时积水的概率增大，产生巨大的安全隐患。在2019年8月的沈阳特大暴雨中，西塔桥下严重积水，造成驾驶员溺亡。在2020年6月的沈阳暴雨中，仍然有多处下穿式立交桥严重积水。而目前为提示人员、车辆误入下穿式立交桥深水路段的方案有水位标尺，远程路况监控等。存在较为明显的缺点：1） 水位标尺不够直观，驾驶员在驾驶过程中很难快速准确识别水位是否危险，尤其在夜间更是无法看清刻度；2） 仅能提示当前的积水深度，而依据当前的积水深度数据，过往的行人和车辆往往不能对下一步路径选择作出充分的判断。本文针对立交下积水深度信息沟通不畅的情况，研究构建基于ZigBee技术的下穿式积水深度提示系统，系统具有桥下积水的实时监测和水位信息预测功能[1]。

1 系统总体设计

超声液位传感器节点以CC2530芯片为核心，分布在下穿式立交桥顶部，组建覆盖立交桥下区域的无线网络，通过协调器节点将传感器节点采集的数据经互联网传送至监控中心软件，数据通过监控中心软件进行实时积水水位的监测，同时利用积水深度预测模型对积水深度进行预测[2]。当桥下短时间内可能出现积水或已经出现积水时，系统将提示并通知用户注意通行安全，用户通过终端设备安装的App软件接收并查看桥下相关水位深度信息。系统工作示意图如图1所示。

为了进行实时水位监测，由分布在下穿式立交桥顶部的超声液位传感器采集的实时水位信息，汇集到ZigBee协调器节点，经由互联网或者移动网络传至监控中心软件，系统会对上传的数据自行进行检测比对，判断当前水位所处的积水深度级别，警示信息将在立交桥入口路情信息提示屏上显示，同时该信息会一并显示在监控中心软件和用户终端App。为了提供积水预测信息，在实时获取的积水深度信息基础上，监控中心软件中输入积水速度、排水速度和不同等级积水深度阈值，依据积水深度预测模型，计算桥下积水深度到达不同积水深度阈值的时间，水位预测信息将同时在监控中心软件和用户终端App上显示，从而为过往的车辆和行人提供路径选择的依据[3]，系统工作原理如图2所示。

2 系统硬件仿真设计

系统硬件利用《京胜世纪物联网虚拟仿真实验平台》进行搭建，效果如图3所示。图中利用协调器、路由器模拟真实节点，组建星形拓扑结构ZigBee网络；通过在路由器节点搭载超声液位传感器和液位模拟器模拟各节点水位深度数据采集；各节点将采集到的水位深度数据汇聚到协调器节点，协调器节点通过串口与网关相连接；监控中心软件和用户终端App将通过访问网关获取ZigBee网络传递的数据[4]。

ZigBee设备按照协议规定的格式，通过网关与上层应用进行数据的交互。控制命令数据格式为A5BB CC DD DD DD DD DD 5A，由协调器广播给各节点；各节点通过ZigBee网络传递监测数据，格式为B5BB CC DD DD DD DD DD 5B；其中A5或者B5是节点数据包头，5A或者5B是数据包尾；BB为指定WSN设备类型（协调器为00） ；CC为指定WSN设备类型的地址；5位DD代表长度为5的数据位。

网关通过网络信息与应用软件进行数据交互，通过串口与协调器节点交互数据，如图4所示，网关分别通过不同接口传递数据包。网关从应用软件接收ping指令（A5 00 00 FF FF FF FF FF 5A） ，并且转发；然后从串口接收到终点节点的采集数据信息，例如B549 01 00 00 00 0A FF 5B，其中49表示设备类型，即超声波液位传感器；01表示地址，即设备地址；00 00 000A FF表示长度为5的数据，数据位0、1、2、3的数值为0A代表液位数据，即水位为10mm，数据位4固定为0xFF。在本文中假设立交桥下布置了5个超声液位传感器节点用于积水深度信息的获取。

3 系统上位机软件设计

上位机软件具有实时积水深度监测和预测的功能；积水深度监测功能通过解析传感网采集的下穿式立交桥下的积水深度数据来实现；为了实现积水深度预测功能，设计了积水预测模型，结合实时积水深度和降雨信息预测积水水位的变化[5]。上位机的人机交互界面基于C#语言设计，软件设计要考虑系统的稳定性，安全性和可靠性，系统的实时操作能力，用户界面的友好性。

3.2 上位机软件功能模块

上位机软件有监控中心软件和终端App两种形式。监控中心软件具有传感网络连接、降雨信息输入、积水深度实时监测和积水深度预测等功能，由交通监管部门的管理员操作使用。管理員通过输入网关和端口号可以连接桥下积水监测的传感网络，获取实时积水深度信息[6]；结合该信息，同时输入降雨信息和积水等级阈值，管理员可以获取积水深度预测信息。监控中心管理软件如图5所示。

用户终端App具有用户登录，获取桥下实时积水深度信息与积水深度变化信息的功能，可以在手持终端设备上安装，为桥下过往的行人和驾驶员提供路径选择的依据，终端App的使用界面如图6所示。

4 总结

本文在对下穿式立交桥桥下积水且信息提示不到位的现状和市场现有产品应用进行充分调研的基础上，结合过往行人和车辆的实际需求，基于ZigBee技术组建了覆盖立交桥桥下通行区域的无线传感网络，实现了下穿式立交桥积水深度提示系统的设计，具有桥下积水深度的实时监测和积水深度变化的预测功能。系统经过反复调试可正常运行，能够实现预期功能，稳定性和可靠性达到了设计要求。上位机端软件主体功能模块均已设计完成，后续仍将对软件的附加功能继续完善，使其更符合用户的需求。