容柵傳感與物聯組網的城市隧道內澇監測預警系統設計?

趙 亮，陳昌鑫?，王麗君，張 昆，張倩茹

(1.中北大學省部共建動態測試技術國家重點實驗室，山西 太原 030051；2.中北大學電氣與控制工程學院，山西 太原 030051；3.華北水利水電大學機械學院，河南 鄭州 450045)

近年來，城市中由于短時間的降雨量驟增，超過了其排水能力，導致一些低洼處特別是公路隧道環境發生嚴重積水內澇。內澇災害發生時，通常伴隨斷網、斷電等極端環境的發生，在城市公路隧道等環境內，道路前方發生災害而后方人員不能及時得知，極易造成交通堵塞進而引發事故[1]。在這種易澇區域，水位數據時刻變化[2]，如果監測不及時，會給人民的生命財產安全造成極大損失。

目前，水位的自動監測預警以及ZigBee 和NB-IoT 等無線傳輸的應用已有大量學者做了相關研究。薛瑄等[3]提出了一種同軸電纜電容式水位測試方法，解決了惡劣水質環境下的水位測試方法。于航等[4]研究的單管計算電容式液位傳感器具有高靈敏度、高精度的特點。Hanni 等[5]研究的螺旋電容液位傳感器可對不同類型和不同溫度的液體進行分析，電容式傳感方案均采用非接觸測量，避免了安裝時線束的冗余復雜，提高了可靠性。彭元松等[6]提出了一種基于ZigBee 技術的河流水位監測系統，將聲波傳感器與無線通信進行結合。劉文軍等[7]通過應用ZigBee 技術在交通系統中監控車流量信息，對比藍牙方式具有接入自由，網絡規模大等特點，Moridi 等[8]研究了一種基于ZigBee 的地下通信系統，應用于礦井隧道環境，結果表明ZigBee 比其他地下礦井無線網絡更適用。呂衛等[9]設計了一種低功耗的NB-IoT溫度采集系統，具有放置靈活且實時監控的特點。仝衛國等[10]針對重要物品的遠程管控問題，利用NB-IoT 技術進行遠程監控。Popli 等[11]利用NB-IoT技術對新型的城市建筑農業進行監測，對確保食品質量和提高生產力、對智慧城市的網絡建設提供了指導。無線通信方案對比有線通信方案更加靈活，避免了因通信電纜受損所導致的通信失效，更適用于戶外遠距離通信場合，具有較高的可靠性。

現有的水位傳感和信息傳輸方案難以滿足隧道等封閉環境內極端斷網、斷電環境下水位測量、傳輸與預警工作，因此，針對這種問題，設計了一種基于容柵傳感與物聯組網的城市公路隧道內澇監測預警系統。

1 工作原理

1.1 系統結構

基于容柵傳感與物聯組網的城市公路隧道內澇監測預警系統，包括隧道內使用的終端節點和出口處使用的協調器節點。兩種節點分別采用不同結構來實現不同功能，同時又構成一個完整的控制系統，實現了水位測試、短距離傳輸、出口處預警、云端發送及遠程監控等功能。在整個系統中，終端節點與協調器節點是多對一的關系，實現了信息的匯聚和同步處理[12]。場景應用示意圖見圖1。

圖1 場景應用示意圖

以一個終端節點和一個協調器節點為例，所設計的系統總體結構如圖2 所示。

圖2 總體結構設計圖

位于隧道內的終端節點的電路結構包括主控芯片A、水位測量模塊、ZigBee 模塊A、電源模塊A，主要工作為信號的采集、處理和近距離傳輸；出口處的協調器節點的電路結構包括主控芯片B、電源模塊B、NB-IoT 模塊、ZigBee 模塊B 及顯示預警模塊，主要工作為信號的接收、處理、顯示預警和遠程傳輸。本系統的主控芯片采用STM32 系列單片機。

1.2 系統工作流程

在一般強降雨天氣時，主控芯片A 將測量到的電容信號進行存儲，并計算水位和水位上升的速度，對采集的水位與設置上限做比較，當超過設定值時，ZigBee 模塊A 將主控芯片計算好的水位，水位上升的速度與位置編號發送到協調器節點的ZigBee 模塊B，ZigBee 模塊B 收集來自ZigBee 模塊A 發送的數據后，主控芯片B 作出顯示預警，與此同時，主控芯片B 將ZigBee 模塊B 采集的信息進行編碼校驗，通過NB-IoT 模塊發送給云端，可以從手機或電腦上遠程監測。系統總體工作流程圖如圖3 所示。

圖3 系統總體工作流程圖

在極端斷網、斷電環境下，遠程云端監測失效，而現場的ZigBee 無線傳輸和顯示預警功能仍然持續工作，避免了智能設備癱瘓，隧道口的顯示預警能夠為道路人員和車輛提供預警信息。

2 系統結構設計

2.1 容柵浮子式水位測量傳感結構

液位測量裝置是根據圓柱形電容原理[13]設計的容柵位移傳感結構，具體原理如圖4 所示，通過改變靜柵套筒內徑，即改變電容內外兩極板的間距，進而改變電容大小。通過在靜柵套筒上加工階梯狀凹槽以實現靜柵套筒內徑的變化，在動柵與靜柵相對運動過程中，可形成一條唯一的位移——電容曲線，用于傳感器標定以及后續的水位測量。

圖4 圓柱形容柵結構剖面示意圖

圓柱型容柵結構計算公式:

式中:C為電容；ε0εr為介電常數；R1為動柵外半徑；R2為靜柵初始內半徑；l為動柵寬度，與靜柵套筒單節寬度相等；d為靜柵套筒凹槽的遞增深度；x為動柵與靜柵的相對位移。

在動柵與靜柵套筒兩節凹槽的相對運動過程中，電容C的大小相當于分別與兩個凹槽組成的兩個圓柱形電容的并聯，電容C與位移x為線性關系；而每完全經過一節凹槽時，由于靜柵套筒內半徑(R2＋d)改變，靈敏度改變。此時從整體來看，電容與位移的關系主要表現為圓柱型電容器中電容C與套筒內半徑(R2＋d)的非線性關系，因此在靈敏度標定過程中需要分段標定。

基于圓柱型容柵結構模型所設計的靜柵套筒內部凹槽具有周期性的特點，其中單個周期包含4 節凹槽結構，4 節凹槽結構內徑不同且內徑變化規律不單調。當動柵塊與單節凹槽正對時，電容大小為極大值或極小值，4 節凹槽為1 個周期用于定位識別，相比2 節凹槽結構為1 個周期有效避免了水位變化方向改變以及水位波動造成的影響，實現不同水位的測試以及水位上升或下降的識別。

水位的測試通過計算周期和極值點進行判斷，每個極值點為一個水位標志位，經過四個極值點為一個周期，當順序經過四個標志位時，判斷水位為上升方向，逆序經過四個標志位時為水位下降方向，每經過一個標志位進行一次判斷。

通過Ansoft-Maxwell 軟件建立合適的結構模型，繪制具有不同內徑凹槽的靜柵套筒，設置靜柵與動柵材料為優質碳素結構鋼，添加計算域覆蓋整個模型并設定材料為空氣，在靜柵上附加正電壓，同時在動柵上設置接地，定義動柵沿軸向方向的位置坐標向量，模仿動柵浮子進行移動，使用參數化掃描功能，得到位移與電容變化曲線。單個周期的仿真建模如圖5 所示。

圖5 仿真建模圖

在動柵移動過程中，輸出結果中創建動柵軸向位移與電容大小關系曲線圖，由于存在邊緣效應，極值點的位置存在偏移，但基本規律與計算結果具有一致性。單個周期動柵位移與電容大小關系仿真曲線如圖6 所示。

圖6 動柵位移與電容大小關系仿真曲線圖

2.2 電容測試電路

電容測試電路的核心模塊是高分辨率電容數字轉換器(CDC)，采樣線性度可高達0.01%，其通過雙線式I2C 兼容的串行接口通信[14]。在電容測試過程中，由STM32 單片機通過I2C 總線通信，對電容測試芯片的相關寄存器進行寫操作，配置該芯片的工作模式，電容測試芯片循環測試電容大小，并不斷刷新對應寄存器的數據，最后由STM32 單片機通過I2C 總線對電容測試芯片的相關寄存器進行讀操作，得到電容值，實現電容信號就地數字化，電容測試芯片工作流程如圖7 所示。

圖7 電容測試芯片工作流程圖

2.3 物聯網組網的冗余式網絡構建

傳感器獲取的信息需要向外傳遞，一般通過有線或無線通信方式。針對傳感器安裝較多、布線復雜的問題，選擇無線通信方案[15]。

ZigBee 是一種具有低速率和低成本特點的無線網絡傳輸技術[16]，ZigBee 一般可實現400 m 及以上距離的傳輸[17]。本裝置采用的樹狀網絡拓撲結構，其拓撲結構如圖8 所示。協調器節點主要用于負責整個網絡的啟動、運行、初始化、管理路由節點加入和為節點分配地址等工作，并匯總由終端節點收集到的水位信息。終端節點將采集到的水位數據通過射頻模塊CC2530 發送給協調器節點，針對隧道等封閉環境的部分終端節點距離較長傳輸受限問題，需要增加路由節點進行中轉，最終匯聚到協調器節點。

圖8 ZigBee 通信樹狀拓撲結構圖

NB-IoT(窄帶物聯網)技術是一種專為萬物互聯打造的蜂窩網絡連接技術，它依托于網絡運營商基站，可以實現信息的遠程無線傳輸[18]以達到遠程監測水位的目的。

NB-IoT 模塊主要將ZigBee 協調器收集的水位信息、水位變化速度以及每個裝置的節點標號進行處理轉換為Modbus 協議報文，并進行CRC 校驗，然后通過RS485 總線發送給DTU 設備，由DTU 設備將信息發送到云端。信號傳輸電路連接圖如圖9 所示。

圖9 信號傳輸電路連接圖

由DTU 上傳到云端后，在云端實時進行監測和管理，并且可以在信號量超過預定設置時通過微信小程序給相關人員進行報警。

2.4 顯示預警模塊

協調器節點對水位信號進行判斷，可以將水位信號通過協調器節點的LED 點陣顯示屏或LCD 屏幕進行顯示，同時在水位超過預設限定值后，觸發蜂鳴器報警和顯示屏背景顏色變化報警。

2.5 電源管理

終端節點的電源模塊A 由道路電網供電通過電壓轉換模塊給鋰電池進行充電，用電時由鋰電池通過穩壓模塊給電路供電。

協調器節點的電源模塊B 包括道路電網供電和光伏供電，電網供電與終端節點相同，光伏供電通過在測量裝置頂部安裝光伏板，并對鋰電池進行充電，用電時由鋰電池通過穩壓模塊供電。

2.6 機械結構

對終端節點和協調器節點基于不同功能采用不同結構。

終端節點包括用于入水的入水口，內部有空心浮球、輕質支撐桿等結構支撐動柵塊上下浮動，外部有用于支撐整體結構的支撐底座和用于傳感的靜柵套筒，支撐桿固定件連接支撐底座與輕質支撐桿，實現動柵塊的垂直運動。終端節點機械結構全剖裝配示意圖見圖10。

圖10 終端節點機械結構全剖裝配示意圖

協調器節點包括支撐整體結構的底座，側面有用于現場顯示預警的顯示屏，頂部有光伏供電相關結構和模塊，以及用于遠程信息發送的電路模塊。協調器節點機械結構全剖裝配示意圖見圖11。

圖11 協調器節點機械結構全剖裝配示意圖

3 實物系統搭建與實驗驗證

在各部分測試和仿真工作完成后，為了進行進一步驗證和完善，我們搭建了測試系統進行演示與實驗，可以很好實現水位的測量、傳輸與預警的功能。實物系統搭建圖見圖12。

圖12 實物系統搭建圖

搭建好系統后對容柵水位監測結構進行測試，在結構加工時采取每5 mm 設置不同大小的間距(靜柵套筒凹槽深度)，共有40 個周期，每個周期有4 種間距的容柵結構，因此量程為0.8 m，分辨率為5 mm。在測試時需要進行多次測試并分段標定，當動柵每經過一種間距時，實現一次水位變化方向的確認，即電容經過一次極值，經過該間距后靈敏度發生一次改變，在于相鄰兩種間距相對運動過程中，電容與位移為線性關系，可以得到單個周期內的位移——電容的關系。當動柵全部按序經過四個極值點時，認為動柵經過了一個周期，進入到下個周期，在具體轉換時應當預留一定的冗余空間，單個周期內水位——電容關系曲線如圖13 所示。

圖13 單個周期內水位——電容標定曲線圖

在得到標定曲線后，多次測試對傳感器進行誤差分析。通過動柵每實際運動5 mm，對傳感器測得值進行一次讀數，可以得到多次測試平均值曲線與理想曲線的相對位置關系，綜合對比誤差小于6%，測試曲線與理想曲線對比如圖14 所示。

圖14 測試位移曲線與理想位移曲線對比圖

對數據傳輸部分進行測試，可以在后臺網頁得到水位測試數據曲線，云端管理平臺測試圖見圖15。

圖15 云端管理平臺測試圖

通過對兩種物聯網結合的傳輸系統為期兩周的綜合測試，對兩種物聯網的丟包率分別進行分析，得到有效數據傳輸率在95%以上。

容柵水位傳感器與其他同類傳感器相比在應用場景具有一定優勢，雷達水位計[19]主要用于河道等深度較深的室外應用場景，這種傳感器測試范圍更大，但精度一般在厘米級，容柵水位傳感可以達到更高要求；地埋式水位監測方案[20]在積水嚴重時，測試易受泥沙淤積等環境干擾，無線網絡的信息在積水嚴重、隧道環境封閉、傳輸距離較長等條件下，傳輸易受干擾，可能導致丟包；電子水尺[21]與容柵水位傳感在結構上具有一定的相似性，且測試精度相差不大，結合物聯網技術后也可適用于隧道環境的水位監測和預警。

4 結論

通過設計應用于不同位置，實現不同功能的兩種節點，實現了信號采集、處理、傳輸等問題。利用容柵浮子傳感器，實現了小量程、低功耗、低成本、適用于黑暗環境的水位測量；利用兩種物聯網融合技術，實現了不同強降雨災害程度下的信號傳輸，在時間和空間上都能夠高度契合，具有良好的環境適應性；利用光伏發電和儲能的技術，解決斷電環境下系統依然工作的問題以及更長時間的預警問題。在建立實物測試后，系統功能基本可以實現。本系統在正常情況下處于休眠狀態，當自然災害來臨時，對保障人民生命財產安全具有重要意義。