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基于物联网技术的城市水位监测及预警系统

发表时间：2020/12/15 来源：《基层建设》2020年第24期作者：陈澳康施文俊张森森方辉

[导读] 摘要：城市内涝问题严重阻碍居民的生活安定，急需一种能及时监测水位并能够实现智能预警的系统装置。

        金华职业技术学院建筑工程学院浙江金华 321000
        摘要：城市内涝问题严重阻碍居民的生活安定，急需一种能及时监测水位并能够实现智能预警的系统装置。本产品运用物联网、云计算等技术，对城市内涝问题做出智能响应。系统创新应用电容式感应原理，由水位监测模块、智能预警平台、信息交互平台组成，实现预警信息的及时有效、精准智能。该系统简单、可靠、价格低廉，具有较好的应用前景。
        关键词：物联网；水位；监测；预警
        引言
        城市暴雨内涝、城市水资源短缺和城市水环境恶化已经成为城市水资源管理领域亟须解决的三大问题[1]。城市内涝导致居民的财产损失，影响人们生产经营和交通出行等。“十三五”时期以来，我国智慧城市政策密集发布，各省会城市也不断加快智慧城市建设，浙江省已开展智慧城市建设试点20多个，宁波、嘉兴等已经成为全国标志性建设城市。因此运用物联网、云计算等新一代信息技术，对民生、环保、公共安全、城市服务等需求做出智能响应，已然成为新的趋势。
        为此，加强城市防涝意识，同时运用信息技术实现对城市内涝点监测监控，成为了管理和控制城市内涝的有效途径[2]。将物联网应用于城市水位监测预警系统的有：蔡彬彬提出了一种基于物联网架构的水位监测系统的设计方案[3]。李佳音设计了一套基于ZigBee通信技术的无线超声波水位监测系统[4]。陈俊霞设计开发了一套以历史水文、气象数据处理为核心的小河流域山洪监测预警信息系统，系统选择B/S三层架构软件开发模式，系统数据开发采用SQLServer软件，利用ASP.NET完成技术开发[5]。杨晓华基于WEB和ASP.NET技术，完成了水情自动测报系统[6]。
        基于此，本文创新应用电容感应原理，运用阿里云新研发的IoTStudio物联网组件，开发“端+云”的水位监控和预警软件，实现对水位的实时动态监测。经过测试，系统运行可靠，具有一定的应用前景。
        1.系统介绍
        系统由水位监测模块、智能预警平台、信息交互平台组成，采用“端+云”的监控模式，系统原理如图1所示。设备端中的水位监测模块实时监测水位，并通过电容式传感器将采集到的数据信息通过芯片传给单片机，由单片机进行数据的处理和计算。再通过物联网与云端平台进行连接，完成水位的实时上报。通过用户自主设定预警值，云端平台综合分析实时水情，并进行超限信息预警推送。
        电容式水位传感器24小时实时监测水位、设备状态等数据信息，通过单片机进行智能分析，物联网联接网络实现数据的处理和上传，中心平台对系统数据、监测点、管理员等信息进行综合管理，当设置水位数据超限、设备故障时，平台自动预警对接“网络监控平台”、“APP”、“钉钉”等软硬件设备，实现超限信息预警推送，起到及时预警的作用。“端+云”的监控模式软件融合地理信息，实现较大区域的水位实时监测。

                             图1系统原理图
        整个系统的运作通过采集、处理、上传、管理、预警、发送六个阶段快速实现，保证了预警信息的及时有效、精准智能。
        2.系统设计
        （1）水位监测模块
        当水位上涨时，电容式传感器的极板与被测水位距离减少时，传感端的电容发生变化从而产生一个变化的振荡频率，再通过电容-数字转换器(FDC)将测得的数据传输到单片机上，由单片机进行计算分析后通过无线通信显示到设备上。水位监测系统电路（如图2所示）,由电容式传感器、数据处理控制电路及数据发送电路组成。

                                                                 图2水位监测模块电路原理图
        非接触电容式水位传感器的工作原理是电路连出的极板与被测物体形成一个可变的电容器，之后连接了一个由电感器和电容器组成的LC谐振电路，当可变电容器发生变化时，LC谐振电路就会产生一个振荡频率，通过FDC2214将频率转换成数值，再用IIC将数值传输到STM32主处理器中。
        将FDC2214频率转换成数值的计算公式

         :LC谐振电路产生的振荡频率；
         :内部参考时钟或外部提供的时钟。
        （2）数据处理控制电路
        数据由STM32F103C8T6处理，通过STM32配置FDC2214的驱动以及IIC来接收FDC2214的数值，再用公式将被测频率计算出来，从而计算出可变电容的容量，得出与被测物体的距离。
        用单片机将数值换算成被测频率

        根据计算可变电容器

        L,C为输入端连接的电感值和电容值， ,
        可变电容器的参数计算

         ：真空介电常数，；
         ：极板间介质的相对介电系数，在空气中，；
        S:极板的面积（m2）；
        k：静电力常量， ;
        d：极板与被测物体的距离（m）；
        当、S和d发生变化时，就会引起电容的变化，只要固定两个参数不变，仅改变另一个参数，就可以把参数变化变换成单一的电容量变化。
        （3）通信模块
        通信模块采用移远NB-IOT BC26无线通信模块。BC26拥有丰富的外接接口（UART、SPI、ADC等）和网络协议栈（TCP/CoAP/MQTT等），支持OpenCPU功能，可以省去外部MCU。BC26支持中国移动OneNET云平台、中国电信EasyIoT、华为OceanConnect物联网云平台，为设计的应用提供很大便利。
        BC26有三个工作模式，Active、Light Sleep和Deep Sleep模式。在Active模式下，模块处于工作模式，所有功能正常可用，可以进行数据发送和接收；模块在此模式下可切换到Light Sleep模式或Deep Sleep模式。在Light Sleep模式下,模块处于轻休眠模式，网络处于DRX/eDRX状态，寻呼窗口内可接收寻呼。模块在此模式下可切换到Active模式或Deep Sleep模式。在Deep Sleep模式下，模块处于深休眠模式，CPU掉电，内部只有RTC工作；网络处于非连接状态，无法接收下行数据；模块在此模式下可切换到Active模式。
        （4）信息监测平台
        在水位超过设置预警值后会实时监控水位并上传至有关部门，实现城市积水点水位的信息整合，方便相关部门协调工作。
        系统通过电信、联通或移动网络为用户提供透明TCP无线远距离数据传输或者透明UDP无线远距离数据传输的功能。
        相关部门进行信息的整合后，会通过APP进行信息的推送。用户只需下载此APP，便可实时掌握城市积水点情况，在水位即将达到预警线时，及时通知车主挪车，最大减少财产损失。
        （5）APP系统
        本产品现已开发出相应的APP，可正常投入使用。APP的设计原理如下：
        1）数据模型
        User
        名称：用户
        作用：保存用户的的信息
        实现：
        id--用户的唯一标识符，使用长度为20比特的整数
        loginnname--用户的登录名，使用长度为50比特的字符型
        password--用户的登录密码，使用长度为128比特的字符型
        Device
        名称：设备
        作用：保存设备的各种信息
        实现：
        id--设备的唯一标识符，使用长度为11比特的整型
        addressid--设备的地址编码，使用长度为20比特的长整型
        devicesid--设备的编号，使用程度为20比特的整型
        updatetime--设备测量时间，使用时间戳
        longitude--设备的经度，使用浮点型
        latitude--设备的纬度，使用浮点型
        address--设备的地址，使用字符串
        Depth
        名称：水深
        作用：保存积水
        实现：id—城市积水点的唯一标识符，使用长度为20比特的整型
        devicesid—城市积水点使用设备的编号，使用程度为20比
        特的整型
        updatetime—城市积水点水深更新时间，使用时间戳
        longitude—城市积水点的经度，使用浮点型
        latitude—城市积水点的纬度，使用浮点型
        address—城市积水点的地址，使用字符串
        2）服务系统
        服务系统主要分为前端用户App，后台服务器，城市水位监测系统以及三大部分。
        用户App：
        通过注册账号，订阅服务器的通知，以及请求获取水位监测系统所在点的积水情况。
        服务器：
        组织管理订阅的用户账号信息，当用户城市积水严重时，向用户推送信息，负责管理设备信息，以及设备之间信息的传递。
        3）开发的App系统
        用户使用App定位到自己的位置，向服务器发送数据请求，服务器根据用户位置发送用户信息到App。App依据传回的数据，在地图上标志出城市出行水位预警情况地点的水深信息，并接受服务器的信息推送。
        3.系统特点及创新点
        系统特点：系统集“水位监测、智能预警、信息交互”三大功能于一体。摒弃传统水位监测站监测成本高、施工周期长的弊端，设计开发一种精准智能、成本低、系统安装简单的无线监测设备。系统利用电容感应实现水位的实时监测，对水位的实时监测信息将无线传输到信息中心，实现整合，同时保证了水位监测系统数据的可靠性。系统可适用于其他大范围的的测量，有效减少积水问题带来的人员伤亡和财产损失，并提高异常状况预警的及时性，具有进一步开发的前景。
        系统创新点：自主研发电容式水位监测装置，该装置检测灵敏，功耗低，精度高；自主开发“端+云”的监控软件，融合地理信息，实现较大区域的水位实时监测；自主开发智能预警系统，融合气象信息以及历史数据信息，及早提醒用户做好准备。
        4.小结
        本文设计了一套基于电容感应原理的城市水位监测及预警系统，系统可以实现24小时智能监控，有效代替人工监测带来的不确定性。
        （1）电容式传感器其结构十分简单，易于制造且监测精度高，小巧便携。产品应用范围广泛、成本低廉且性能高。
        （2）系统可以实现非接触测量且灵敏度高，同时可用于测量水位高速变化的参数。
        （3）智能便捷与交互系统的互联网大数据相结合具有更高可靠性。
        参考文献
        [1]陈倩云,余弘婧,高学睿,等.当前我国城市内涝问题归因分析与应对策略[J].华北水利水电大学学报(自然科学版),2019,40(01):55-63.
        [2]邓晓斌.城市内涝形成原因及解决措施探讨[J].价值工程,2019,38(23): 104-105.
        [3]蔡彬彬.物联网技术在河流水位监测中的应用[J].南通纺织职业技术学院学报,2012,1201:15-17.
        [4]李佳音,肖伟豪.物联网应用下的城市水位监测预警系统[J].中外企业家,2018,03:24-25.
        [5]陈俊霞.赤水河中下游防洪预警信息系统的设计与实现[D].电子科技大学,2016.
        [6]杨晓华.基于WEB的水库水情自动测报系统的研究与设计[D].山东农业大学,2012.