宋逢泉, 胡功達, 江海燕, 李國祥

(合肥工業(yè)大學(xué) 電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院,安徽 合肥 230601)

城市內(nèi)澇是危害城市安全的氣象衍生災(zāi)害之一。近年來我國一些城市在入夏以后因暴雨頻發(fā)而經(jīng)常出現(xiàn)內(nèi)澇事件[1],已經(jīng)引起市政、防汛、路政等政府有關(guān)部門的高度關(guān)注,并促使有關(guān)部門開始加快城市道路積水監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)[2-4]和應(yīng)急管理體系的研究及應(yīng)用[5]。對城市道路重要積水點進行水位監(jiān)測,并及時提醒行人及車輛駕駛?cè)藛T,可避免其誤入可能發(fā)生內(nèi)澇的積水路段。

基于目前較為成熟的通用分組無線服務(wù)(General Packet Radio Service,GPRS)技術(shù)[6],本文項目課題組開展了新型城市道路水位預(yù)警監(jiān)測器的設(shè)計和研究工作。通過超聲波測距的方法,實時監(jiān)測道路的積水深度,并通過內(nèi)置的GPRS無線通信模塊,實現(xiàn)水深信息的實時傳輸與發(fā)布。當(dāng)監(jiān)測路段的水深達到報警限值時,即可向市政管理部門相關(guān)人員發(fā)送預(yù)警短信,及時提醒其在重點內(nèi)澇路段設(shè)置道路積水警示標(biāo)志,以避免行人和車輛誤入。與現(xiàn)有的大型內(nèi)澇預(yù)警系統(tǒng)相比,本項目系統(tǒng)的設(shè)計方案,具有成本低廉、安裝簡單、使用方便和快速準(zhǔn)確等優(yōu)點,可以實現(xiàn)非接觸式測量、遠程水位監(jiān)控及報警功能,在測試實驗中已經(jīng)達到了設(shè)計要求,具有一定的應(yīng)用價值。

1 總體結(jié)構(gòu)

基于GPRS技術(shù)的水位預(yù)警監(jiān)測器總體結(jié)構(gòu)主要由數(shù)據(jù)采集單元、控制單元及數(shù)據(jù)顯示單元等3個功能單元組成,如圖1所示。

圖1 監(jiān)測器總體結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)采集單元由超聲波傳感器和溫度傳感器組成。其中,超聲波傳感器主要用于采集道路積水深度的實時數(shù)據(jù),溫度傳感器為超聲波傳感器提供溫度補償,避免因外界溫度變化引起聲速改變而導(dǎo)致的測量偏差,從而提高了數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性。

控制單元是整個水位預(yù)警監(jiān)測器的核心部件,采用STC89C516單片機[7]來實現(xiàn)系統(tǒng)的全部控制功能:① 控制超聲波傳感器、溫度傳感器及液晶屏的工作;② 控制GPRS模塊,向市政管理人員手機實時發(fā)送水位預(yù)警短信。

數(shù)據(jù)顯示單元包括現(xiàn)場顯示和遠程顯示2種功能模式:

(1) 在監(jiān)測點位置現(xiàn)場,系統(tǒng)自帶液晶屏幕直接顯示積水深度數(shù)據(jù)。

(2) 通過監(jiān)測器的GPRS模塊,向相關(guān)市政管理人員發(fā)送手機水位預(yù)警短信,遠程顯示積水深度數(shù)據(jù)。

2 硬件設(shè)計

2.1 控制單元

本系統(tǒng)選用STC公司的89C516型單片機作為控制單元的核心部件。STC89C516單片機是一種采用8051內(nèi)核的在線可編程器件,具有在線系統(tǒng)串口編程(in-system programmable,ISP)功能,擁有64 Kibit的 Flash存儲器和128字節(jié)隨機存取存儲器(random access memory,RAM)。它的CPU芯片設(shè)置有40個引腳,有32個I/O口可供用戶使用[8],如圖2所示。

圖2 STC89C516芯片引腳分布

該單片機具有良好的抗干擾性能和節(jié)能性能,與傳統(tǒng)的51系列單片機相比,其內(nèi)部的時鐘電路、供電系統(tǒng)、I/O接口及復(fù)位電路等都進行了可靠性和穩(wěn)定性處理[9],其性能指標(biāo)可滿足本系統(tǒng)對于溫度傳感器、超聲波傳感器、GPRS模塊及液晶顯示模塊等部件的控制要求。

在本系統(tǒng)設(shè)計方案中,分別使用單片機芯片的P0.0～P0.7引腳和P2.5～P2.7引腳與液晶顯示模塊連接,實現(xiàn)單片機向液晶顯示模塊發(fā)送水位深度數(shù)據(jù)和控制指令;分別使用P3.7引腳和P2.0、P2.1引腳,與溫度傳感器和超聲波傳感器連接,實現(xiàn)對這2個傳感器的控制;使用P3.0和P3.1引腳連接GPRS模塊,通過串口方式向GPRS模塊傳輸數(shù)據(jù),并控制GPRS模塊對外發(fā)送預(yù)警短信。

2.2 數(shù)據(jù)采集單元

2.2.1 超聲波測量水位的基本原理

數(shù)據(jù)采集單元由超聲波傳感器和溫度傳感器共同組成。其中,超聲波傳感器用于直接測量水位深度,它由超聲波發(fā)射器、超聲波接收器和控制電路等組成,其測量水位深度的基本原理如圖3所示。

圖3 超聲波測量水位的原理

在待測水面上方的適當(dāng)位置安裝超聲波傳感器,由超聲波發(fā)射器向水面定向發(fā)射超聲波,超聲波束在到達水面后被反射,反射波束被超聲波接收器接收。

若上述超聲波束從發(fā)射到接收的時間間隔為Δt,根據(jù)超聲波在空氣中的傳播速度v,即可求出超聲波傳感器距離水面的高度L,又已知超聲波傳感器安裝位置距離地面的高度為H,因此,水位深度D的計算公式[10]為:

(1)

超聲波在空氣中的傳播速度,會受到空氣溫度、濕度和氣壓等因素影響,其中最主要的影響因素是空氣溫度。超聲波在空氣中的傳播速度與溫度的關(guān)系[11]為:

(2)

其中,γ為氣體的摩爾定壓熱容與摩爾定體熱容的比值,空氣取值為1.4;R為普適氣體常量,取值為8.31 J/(mol·K);M為氣體分子的摩爾質(zhì)量,空氣取值為28.8×10-3kg/mol;T為熱力學(xué)溫度。

根據(jù)溫度傳感器實測的空氣溫度,使用(2)式可以獲取超聲波在空氣中實時傳播速度的大小,實現(xiàn)對(1)式的溫度補償,可有效降低因氣溫變化改變聲速而導(dǎo)致的水位測量數(shù)據(jù)偏差。

2.2.2 超聲波傳感器的選用

根據(jù)本系統(tǒng)測量水位高度的精確度要求, 選用HC-SR04超聲波模塊[12]作為超聲波傳感器。該模塊可提供2～400 cm以內(nèi)的測距功能,測量精度可達到3 mm,其部分電路原理如圖4所示。

圖4中,Trig引腳與單片機芯片的P2.1引腳連接,專門用于超聲波傳感器的初始化;Echo引腳與單片機芯片的P2.0引腳連接,Echo引腳為高電平時,傳感器向水面發(fā)射超聲波,當(dāng)超聲波被反射并回到傳感器探頭時,Echo引腳自動變?yōu)榱汶娖健cho保持高電平的時間,就是(1)式中的計算參數(shù)Δt,利用單片機的中斷和定時計數(shù)器來采集。

圖4 超聲波模塊部分電路原理

2.2.3 溫度傳感器的選用

溫度傳感器選用美國Dallas公司生產(chǎn)的DS18B20型單總線數(shù)字溫度傳感器,它具有體積小、精度高、抗干擾能力強等優(yōu)點[13],測溫分辨率可達0.062 5 ℃。DS18B20采用獨特的單線接口,通過串行數(shù)據(jù)傳輸方式與單片機芯片的P3.7引腳相連;單片機通過該引腳向DS18B20傳輸單字節(jié)或多字節(jié)命令,實現(xiàn)溫度傳感器的初始化、溫度測量及轉(zhuǎn)換溫度數(shù)據(jù)等功能,并從DS18B20中獲取一定格式的溫度數(shù)據(jù)信息。

2.3 數(shù)據(jù)顯示單元

數(shù)據(jù)顯示單元通過液晶顯示模塊實現(xiàn)水位監(jiān)測數(shù)據(jù)的現(xiàn)場顯示,并可通過GPRS模塊向相關(guān)市政管理人員手機發(fā)送水位預(yù)警短信,以手機短信方式遠程顯示積水深度數(shù)據(jù)。

2.3.1 液晶顯示屏的選用

由于本系統(tǒng)尚處于設(shè)計研究階段,為便于觀察測試數(shù)據(jù)及程序調(diào)試,選用常用的LCD1602型液晶顯示屏作為水位高度數(shù)據(jù)的顯示設(shè)備。LCD1602芯片與單片機芯片的引腳連接如圖5所示。

圖5 LCD1602芯片與單片機芯片的引腳連接

將LCD1602芯片的DB0～DB7引腳分別與單片機芯片的P0.0～ P0.7端口連接,可實現(xiàn)顯示數(shù)據(jù)信息傳輸。另外,單片機芯片通過與LCD1602芯片的RS、RW及E引腳連接,實現(xiàn)對于液晶屏幕顯示的時序控制。

2.3.2 GPRS模塊的選用

GPRS模塊選用SIMCOM公司生產(chǎn)的SIM900A型GPRS模塊產(chǎn)品,其芯片引腳如圖6所示。它是一款工業(yè)級雙頻全球移動通信系統(tǒng)(Global System for Mobile Communications,GSM)/GPRS模塊,支持手機用戶識別(subscriber identity module,SIM)卡,內(nèi)嵌傳輸控制協(xié)議(Transmission Control Protocol,TCP)/網(wǎng)際協(xié)議(Internet Protocol,IP),使用通用異步收發(fā)傳輸器(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter,UART)通信技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸,支持設(shè)備AT(Attention)指令集,可使用AT指令控制SIM900A模塊接收用戶指令，并發(fā)送終端數(shù)據(jù)包[14]。

圖6 SIM900A芯片引腳

本系統(tǒng)使用單片機芯片的P3.0和P3.1引腳,分別連接GPRS模塊的TXD-O和RXD-I引腳,實現(xiàn)兩者之間的異步串行通信,通過P3.1引腳向GPRS模塊發(fā)送字節(jié)型的指令和數(shù)據(jù)。其中,指令包括設(shè)置中英文字符集和設(shè)置接收短信的手機號等;數(shù)據(jù)則主要是發(fā)送短信的內(nèi)容。

3 軟件設(shè)計

系統(tǒng)的主程序流程如圖7所示。系統(tǒng)啟動以后,首先是超聲波傳感器、溫度傳感器、GPRS模塊及液晶顯示屏的初始化,然后開始執(zhí)行大循環(huán)程序。在大循環(huán)程序中,首先是溫度傳感器獲取實時環(huán)境溫度數(shù)據(jù),然后是調(diào)用超聲波傳感器的子程序采集初始水深數(shù)據(jù),并將實時溫度作為補償參數(shù)計算出實際水位深度,在液晶屏上顯示。同時,將實測水位深度數(shù)值與系統(tǒng)預(yù)置的警戒水位數(shù)值作比較,若實測數(shù)值超過預(yù)置警戒數(shù)值,則調(diào)用GPRS模塊的控制子程序,啟動GPRS模塊,向系統(tǒng)中已經(jīng)預(yù)設(shè)的市政管理人員手機發(fā)送水位深度預(yù)警短信;若實測數(shù)值小于預(yù)置警戒數(shù)值,則不調(diào)用GPRS子程序,再次執(zhí)行大循環(huán)程序,通過循環(huán)程序來實現(xiàn)水位深度的實時監(jiān)測。

圖7 系統(tǒng)主程序流程

4 測試實驗與分析

在完成水位預(yù)警監(jiān)測器系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計后,將單片機、各傳感器和液晶顯示屏等硬件部件進行初步的接線焊接和組裝,構(gòu)成一套實驗測試系統(tǒng);然后開展水位深度測量和預(yù)警短信發(fā)送的測試實驗,以驗證系統(tǒng)設(shè)計方案的可行性和可靠性。

在水位深度測試實驗中,分別在2個不同高度位置安裝該測試系統(tǒng),每個高度各測試5個水位深度數(shù)據(jù),結(jié)果見表1所列。從表1可以看出,測量誤差的最大值為7 mm,且隨著水位深度或者測量距離的增加,測量的誤差也會有所增加。

表1 超聲波傳感器的測量數(shù)據(jù) mm

產(chǎn)生上述測量誤差的主要原因是環(huán)境因素的綜合影響。由于超聲波在空氣中傳播時,其波動能量實際上會被空氣分子吸收,超聲波強度會隨著傳播距離的增加而發(fā)生e指數(shù)函數(shù)規(guī)律的衰減,這樣就會使測距的誤差有所增加。另外,超聲波在空氣中傳播,不僅會受到空氣溫度的影響,而且空氣的濕度、氣壓、密度及分子成分等多種因素也會對測量產(chǎn)生影響。因此,本文在計算超聲波在空氣中的傳播速度時,僅僅考慮溫度補償是不全面的,沒有考慮上述其他因素的影響,需要進一步研究后加以改進和優(yōu)化。

在水位深度預(yù)警短信發(fā)送的測試實驗中,GPRS模塊裝入中國移動的SIM卡,并在程序中預(yù)置了該SIM卡所對應(yīng)的手機號碼,當(dāng)實測的水位深度超過程序中預(yù)置的警戒水位深度數(shù)值時,系統(tǒng)可以向該手機發(fā)送預(yù)警短信,達到了系統(tǒng)的設(shè)計要求。

5 結(jié) 論

本文介紹了一種新型城市道路水位預(yù)警監(jiān)測器的設(shè)計和研究工作。在設(shè)計中,應(yīng)用超聲波測距的方法,進行水位深度的測量,并使用單片機控制多個傳感器及功能部件的協(xié)同工作;利用比較成熟的GPRS技術(shù),通過單片機驅(qū)動GPRS無線通信模塊,實現(xiàn)水位深度信息的實時遠程傳輸與發(fā)布。測試實驗結(jié)果表明,系統(tǒng)整體運行穩(wěn)定、水位深度數(shù)據(jù)采集基本準(zhǔn)確、預(yù)警短信發(fā)送及時,基本達到了系統(tǒng)的設(shè)計要求,可以滿足城市道路水位預(yù)警監(jiān)測工作的需要,具有一定應(yīng)用價值。