基于物聯(lián)網(wǎng)的多用途水位監(jiān)測(cè)與應(yīng)急處理系統(tǒng)

趙世浩 劉枳麟 崔盟威 竇羿林 夏一峰 肖雨桐

（東北林業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150040）

0 引言

全球氣候變異和暴雨災(zāi)害事件的頻發(fā)，使城市災(zāi)害應(yīng)急處理系統(tǒng)的建設(shè)成為重中之重，近兩年全國(guó)各地遭遇暴雨極端天氣，嚴(yán)重威脅了市民的生命和財(cái)產(chǎn)安全。

現(xiàn)有城市應(yīng)急處理方案系統(tǒng)對(duì)于突發(fā)暴雨和洪水等極端天氣的反應(yīng)能力有限[1]，秦玉忠等人設(shè)計(jì)了一種城市道路積水監(jiān)測(cè)裝置，利用氣介質(zhì)超聲波傳感器監(jiān)測(cè)道路積水[2]。潘虹等人基于物聯(lián)網(wǎng)的道路防澇監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，通過選用合適的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)終端，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將道路的積水水位傳回終端[3]。上述裝置或系統(tǒng)只能監(jiān)測(cè)道路積水，適用范圍小，同時(shí)上述系統(tǒng)或裝置須持續(xù)工作，在無積水時(shí)也會(huì)消耗能源，會(huì)造成不必要的能源消耗，同時(shí)該裝置也沒有考慮在惡劣情況下裝置斷電、續(xù)航的問題。

基于以上現(xiàn)狀，該文設(shè)置了一種能夠?qū)崿F(xiàn)城市路面內(nèi)澇災(zāi)害水位監(jiān)測(cè)、易積水路段水位監(jiān)測(cè)與應(yīng)急處理以及地下管網(wǎng)徑流水位及水質(zhì)監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)，同時(shí)考慮并解決系統(tǒng)須長(zhǎng)時(shí)間待機(jī)、能源消耗以及在惡劣環(huán)境下系統(tǒng)斷電的問題，使系統(tǒng)具有適用范圍廣、節(jié)約能源以及斷電續(xù)航等優(yōu)點(diǎn)。

1 系統(tǒng)的基本功能與組成

系統(tǒng)應(yīng)具備以下6個(gè)基本功能：1） 能夠監(jiān)測(cè)城市路面內(nèi)澇災(zāi)害水位、易積水路段水位以及地下管網(wǎng)徑流水位和水質(zhì)。2） 能夠遠(yuǎn)程傳送采集的數(shù)據(jù)。3） 系統(tǒng)無須持續(xù)工作，僅在出現(xiàn)積水后開始工作。4） 具有斷電續(xù)航的功能。5） 出現(xiàn)災(zāi)害和危險(xiǎn)時(shí)，具有應(yīng)急處理的功能。6）具有對(duì)雨水進(jìn)行分級(jí)、分流處理及利用的功能。

基于以上要求，系統(tǒng)應(yīng)由6個(gè)單元組成，分別為水位及水質(zhì)監(jiān)測(cè)單元、物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸單元、顯示單元、應(yīng)急處理單元、雨水處理及利用單元和主控單元。

1.1 水位及水質(zhì)監(jiān)測(cè)單元

水位及水質(zhì)監(jiān)測(cè)單元由投入水位傳感器、水質(zhì)傳感器組成，水位傳感器設(shè)置于易積水路段的道邊以及地下管網(wǎng)，水質(zhì)傳感器設(shè)置于地下管網(wǎng)至蓄水池入口處，配合分流水閘對(duì)污水進(jìn)行分級(jí)、分流處理。

投入式水位傳感器（如圖1所示）通過測(cè)量壓強(qiáng)得到水深數(shù)據(jù)[4]，并通過RS485總線以Modbus RTU協(xié)議的形式返回?cái)?shù)據(jù)。位于主板的MAX485EAS芯片可將水位計(jì)返回的RS485電平轉(zhuǎn)換為TTL電平。RS485總線為差分雙絞線，傳輸距離可達(dá)到幾千米，并且每個(gè)傳感器具有1個(gè)獨(dú)立的Modbus地址，如果使用特制的485芯片，可以安裝128個(gè)或者256個(gè)傳感器，最大可以安裝400個(gè)傳感器[5]。

圖1 投入式水位傳感器

水質(zhì)傳感器選用光電濁度傳感器（如圖2所示），利用光學(xué)原理，通過溶液中的透光率和散射率來綜合判斷濁度情況。傳感器內(nèi)部是1個(gè)紅外線對(duì)管，光線的透過量取決于溶液的污濁程度。傳感器會(huì)輸出電流信號(hào)，而通過功放電路可以將電流信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷耗M量，再使用AD7705模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片將電壓模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，供主控MCU進(jìn)行處理。

圖2 水質(zhì)傳感器

1.2 物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸單元

在城市中，傳統(tǒng)的Wi-Fi、LoRa等短距離物聯(lián)網(wǎng)方案無法實(shí)現(xiàn)大范圍覆蓋[6]，而用于移動(dòng)通信的4G網(wǎng)絡(luò)則能覆蓋較大范圍，因此選用4G透明傳輸方案。

物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸單元選用NB-73無線透?jìng)髂K，依靠城市4G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行CoAP透?jìng)鳎瑢⒌缆贩e水?dāng)?shù)據(jù)和地下管網(wǎng)水位及水質(zhì)數(shù)據(jù)傳輸至云端服務(wù)器，NB-73無線透?jìng)髂K外接，并將天線置于信號(hào)良好的位置，以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

1.3 顯示單元

顯示大屏設(shè)置于控制中心，積水路段水位數(shù)據(jù)和地下管網(wǎng)的水位及水位數(shù)據(jù)依靠城市4G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行CoAP透?jìng)髦量刂浦行牡娘@示大屏，以便工作人員進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

水位高度提示牌通過數(shù)碼管顯示水位數(shù)據(jù)，與主板間使用RS485電平進(jìn)行通信，通過485轉(zhuǎn)TTL電平芯片轉(zhuǎn)換為單片機(jī)可讀取的TTL電平后，使用74HC595鎖存器驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管。74HC595鎖存器可以并行輸出串行八位數(shù)據(jù)，1個(gè)鎖存器可直接驅(qū)動(dòng)1個(gè)數(shù)碼管，而輸入只需要占用3個(gè)IO口，因此可以節(jié)省單片機(jī)IO資源。同時(shí)，水位高度顯示牌可直接使用太陽能驅(qū)動(dòng)，節(jié)能環(huán)保且安裝方便。數(shù)據(jù)傳輸與顯示流程如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)傳輸與顯示流程圖

1.4 應(yīng)急處理單元與雨水處理及利用單元

應(yīng)急處理單元由道閘、超聲波傳感器和抽水泵組成，應(yīng)急處理單元主要用于監(jiān)測(cè)城市路面內(nèi)澇災(zāi)害和易積水路段，當(dāng)積水水位到達(dá)行人與車輛不能安全通過的高度時(shí)，道閘臂降下?lián)踝⌒腥伺c車輛，預(yù)防行人與車輛誤入積水區(qū)，超聲波傳感器監(jiān)測(cè)是否有行人與車輛，避免在道閘臂降下的過程中發(fā)生道閘臂砸到行人與車輛的意外。抽水泵將積水排入其他管道或河流，達(dá)到緩解積水繼續(xù)上升或降低積水水位的目的。

雨水處理及利用單元包括水質(zhì)傳感器、抽水泵和分流水閘。在城市地下管網(wǎng)的徑流檢測(cè)中，通過水質(zhì)傳感器對(duì)水質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)利用抽水泵與分流水閘的配合對(duì)雨水按照渾濁度進(jìn)行分級(jí)處理，從而充分利用水資源。

1.5 主控單元

主控單元由主控板與雨雪傳感器組成。雨雪傳感器能夠監(jiān)測(cè)是否有降雨，當(dāng)有降雨時(shí)為高電平，無降雨時(shí)為低電平，主控MCU通過接受雨雪傳感器的高低電平來控制系統(tǒng)的工作與休眠，有降雨時(shí)系統(tǒng)工作，無降雨時(shí)系統(tǒng)休眠，使系統(tǒng)無須長(zhǎng)時(shí)間待機(jī)。雨雪傳感器如圖4所示。

圖4 雨雪傳感器

主控板包括主控MCU、傳感器接口、決策單元、MAX485芯片、TP5000芯片和鋰電池。主控MCU采用ST公司生產(chǎn)的基于ARMCortex-M4微處理器的STM32F407VET微控制器，它是一款32位、低功耗、接口豐富、運(yùn)行可靠且性價(jià)比高的單片機(jī)[7]，如圖5所示。投入式水位傳感器通過RS485總線進(jìn)行通信，需要通過MAX485芯片將水位計(jì)的RS485電平轉(zhuǎn)換為TTL電平，并將水位數(shù)據(jù)傳輸至主控MCU；水質(zhì)傳感器與超聲波傳感器可以直接通過傳感器接口與主控MCU進(jìn)行連接，主控MCU通過NB-73無線透?jìng)髂K和天線將數(shù)據(jù)傳輸給顯示單元。

圖5 STM32F407VET微控制器

考慮到需要保證緊急斷電的情況下系統(tǒng)依然能夠續(xù)航，電源采用備用鋰電池升壓方案，系統(tǒng)接入220 V市電時(shí)，使用220 V整流降壓到5 V和24 V供電，而斷電時(shí)鋰電池升壓5 V和24 V進(jìn)行供電；鋰電池電源管理選用TP5000芯片，可安全地為電池充電，并具有短路保護(hù)、過溫保護(hù)以及過流保護(hù)等功能。

2 應(yīng)用場(chǎng)景

2.1 城市路面內(nèi)澇災(zāi)害水位監(jiān)測(cè)

出現(xiàn)暴雨等強(qiáng)對(duì)流天氣會(huì)導(dǎo)致城市發(fā)生內(nèi)澇，短時(shí)間內(nèi)引起道路積水，由于不同區(qū)域降水量不相同，因此積水路段存在很大的不確定性，該系統(tǒng)對(duì)城市交通主干道進(jìn)行分區(qū)監(jiān)控，通過布置在不同地點(diǎn)的水位傳感器將數(shù)據(jù)通過NB-73無線透?jìng)髂K傳輸至顯示大屏，城市路面內(nèi)澇災(zāi)害水位監(jiān)測(cè)流程如圖6所示。

圖6 城市路面內(nèi)澇災(zāi)害水位監(jiān)測(cè)流程圖

2.2 易積水路段水位監(jiān)測(cè)與應(yīng)急處理

降水時(shí)，地下通道、涵洞和低洼路段在降水量沒有達(dá)到自然災(zāi)害水平的情況下也容易產(chǎn)生積水，且在車輛經(jīng)過時(shí)不易及時(shí)發(fā)現(xiàn)，如果缺乏及時(shí)預(yù)警與交通分流管理不僅會(huì)導(dǎo)致交通擁堵、癱瘓，而且還有可能危害市民的生命財(cái)產(chǎn)安全，該系統(tǒng)以水位傳感器、超聲波傳感器以及云端人工控制為輸入設(shè)備，以太陽能水位顯示牌、道閘、應(yīng)急抽水機(jī)和云端上傳為輸出設(shè)備，在需要的路段通過水位顯示牌對(duì)過往車輛及人員進(jìn)行提示，當(dāng)積水超過限值時(shí)控制道閘輔助交通管理。易積水路段水位監(jiān)測(cè)與應(yīng)急處理流程如圖7所示。

圖7 易積水路段水位監(jiān)測(cè)與應(yīng)急處理流程圖

2.3 地下管網(wǎng)徑流水位及水質(zhì)監(jiān)測(cè)

在遭遇強(qiáng)降雨天氣時(shí)，城市地下管網(wǎng)系統(tǒng)將會(huì)承受數(shù)倍于正常運(yùn)行狀態(tài)的水流量，極易出現(xiàn)爆管、泄漏等問題，該系統(tǒng)以水位傳感器、水質(zhì)傳感器和云端人工控制作接口為輸入設(shè)備，以分水水閘和云端上傳接口為輸出設(shè)備，動(dòng)態(tài)監(jiān)控管網(wǎng)運(yùn)行情況并以水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù)，與海綿城市思想結(jié)合，對(duì)雨水進(jìn)行分級(jí)、分流處理，提高城市地下管網(wǎng)統(tǒng)籌協(xié)調(diào)管理能力和降水分級(jí)循環(huán)利用效率，節(jié)約水資源，為生態(tài)友好型城市建設(shè)提供技術(shù)支持。地下管網(wǎng)監(jiān)測(cè)用途程序框如圖8所示。

圖8 地下管網(wǎng)監(jiān)測(cè)用途程序框圖

3 結(jié)語

與傳統(tǒng)單一功能的水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)具有以下6個(gè)優(yōu)勢(shì)和創(chuàng)新點(diǎn)：1） 可以在一定區(qū)域范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)同時(shí)監(jiān)控與處理。2） 可以在極端天氣下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化預(yù)警處理與控制。3） 當(dāng)水位到達(dá)閾值時(shí)，系統(tǒng)可以自動(dòng)或手動(dòng)遠(yuǎn)程控制相應(yīng)位置的輸出設(shè)備進(jìn)行工作，減少人力、物力的消耗，最大限度保障人員的安全。4） 在突發(fā)斷電的情況下，可以保證系統(tǒng)能正常工作。5） 能夠通過雨雪傳感器的高低電平來控制系統(tǒng)的工作與休眠，使系統(tǒng)無須長(zhǎng)時(shí)間處于高耗電狀態(tài)，節(jié)約能源。6） 能夠用于對(duì)路面和地下管網(wǎng)徑流的監(jiān)測(cè)，為實(shí)現(xiàn)海綿城市建設(shè)提供了新的解決方案，為城市應(yīng)急管理和地下水處理提供了一體化解決方案，從而提高城市生態(tài)環(huán)境的適應(yīng)性與協(xié)調(diào)性。