智慧城市水位监测及智能预警系统设计研究

智慧城市水位监测及智能预警系统设计研究

陆佳兴庄程皓郑涵张澄华贵凯琛

（金华职业技术学院建筑工程学院浙江金华321000）

摘要：针对目前城市排水系统存在的问题，基于现有防涝防淹设备及装置，提出了智慧城市水位监测及智能预警系统，该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.本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。

关键词：智慧城市；水位监测；预警

前言

近年来，中国城市化速度不断加快，但是城市排水系统存在着设计结构日趋复杂、排水能力差、管道老化、管道接口渗漏及堵塞严重等问题，[1]这些问题在短时间内无法改善及解决，因此，城市遭遇严重暴雨内涝灾害的频率也显著增加，北京、广州、深圳、重庆、杭州等城市轮番上演“暴雨淹城”“城市看海”现象，城市内涝问题一直没有得到很好解决。[2]

目前市场中的积水监测设备主要依靠人工操控系统监测，由压力式水位传感器、视频摄像头、预警指示牌、供电系统等组成。普遍存在着建设成本高、设备体积大，探头易损坏、影响市容且不易进行防护处理等缺陷。[3]为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，我们研发了一种智慧城市水位监测及智能预警系统。

1.设计思路

智慧城市水位监测及智能预警系统的设计的其目的是要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。

此系统包含了水位监测和智能预警两大系统功能。依据电容感应原理，当被测介质变化时，引起其电容量的变化，经过公式转换，可以得到当前的水位，以此来实现水位的监测；通过增加极板的面积来增加对介质的感测距离和灵敏度，保证监测数据的准确性。当程序开始运行时可以通过将当前感测值设置为0的方法来初始化以减少干扰，通过串口RXD、TXD与wifi模块ESP8266的TX、RX连接实现数据的无限传输和智能预警。[4]

2.水位监测系统设计与实现

此水位监测系统采用串口Wi-Fi模块ESP8266，电容式传感器FDC2214RGHR和单片机STM32F103RBTX设计实现。

FDC2214是一种低功耗，低成本，高分辨率非接触式感应的电容式传感器，适用于接近传感器，手势识别，液位传感器等应用，采用抗EMI技术架构，可以在高噪音环境保持性能,其供电电压为2.7V到3.6V，谐振频率从10kHzto10MHz,数据位数为28位，即精度为1/2^28,FDC2214有4个采集通道，其与MCU的通信方式为IIC。

STM32F103系列微处理器是首款基于ARMv7-M体系结构的32位标准RISC（精简指令集）处理器，提供很高的代码效率，在通常8位和16位系统的存储空间上发挥了Cortex-M3内核的高性能。该系列微处理器工作频率为72MHz,在存储器的0等待周期访问时可达1.25DMips/MHZ（DhrystONe2.1），内置高达128K字节的Flash存储器和20K字节的SRAM，具有丰富的通用I/O端口。它为实现MCU的需要提供了低成本的平台、缩减的引脚数目、降低的系统功耗，同时提供了卓越的计算性能和先进的中断响应系统。丰富的片上资源使得STM32F103系列微处理器在多种领域都显示出了强大的发展潜力。

2.1单片机与FDC2214的控制

FDC2214从机地址如下，当ADDR为低时。I2C地址为0x2A，二进制表示为00101010，需要移除最高位，即为0101010，当最后一位为低时表示向FDC2214写入数据，为高时，读出数据。

及ADDR=L：0x54为写，0x55为读；

同理当ADDR=H：0x56为写，0x57为读；

即通信的原理框图如下（以ADDR为低为例）：

3.智能预警系统设计与实现

串口Wi-Fi模块提供单片机和ESP8266及ESP8266和设备之间的通信接口。

ESP8266是一款超低功耗的UART-WiFi透传模块，支持多种天线接口可直接使用，无需添加任何匹配电路，专为移动设备和物联网应用设计，传输速率最大到921600bps；能够点对点或点对多点通信，使得单片机可以进行无线通信将数据传输到设备上；3.3v单电源供电，使用更加便捷，大小适合嵌入式等应用。

智能预警系统的整体流程与传感器的交互如图所示：

4.结语

随着社会现代网络的发展，水位监测方式也逐渐网络化、科技化，对水位信息的要求也越来越精细复杂，水位观测项目和内容也不断增加，对观测手段和方法以及水位监测技术的研发和应用提出了越来越高的要求。本系统以电容感应原理，将电容感应和单片机相结合,实现了水位监测系统的准确性和智能无线数据传输，在实际应用中具有简便，快捷、高效、快速、广泛等优点，对从源头上减少城市积水、内涝等带来的人身财产安全损失，并节约社会大量人力物力具有重要意义。

参考文献：

[1]梁骥超，解建仓，姜仁贵等.面向城市内涝的应急管理流程及快速应对方案研究[J].中国防汛抗旱，2019，29（2）:10-15.

[2]沈伟康，滕严婷.基于水位监测的雨水系统管道运行状态诊断研究.城市道桥与防洪，2017年07月第07期

[3]徐青林，王海鹏，张斐.道路积水监测设备的研究.山西科技.2016年第31卷第6期

[4]陈滟涛，杨俊起，万钧力.佳木斯大学学报(自然科学版).2005年04月第23卷第2期