基于物联网的城市洪涝应急预警及管理系统

蔡雄友 徐 勋 姜世芬

(江门职业技术学院 广东 江门 529000)

引言

近年来，随着城市化进程的快速发展，城市地面硬化面积逐年增加，严重削弱了地面积水渗透能力。当城市长时间处于暴雨袭击状态时，地势比较低的地方就会出现大面积积水，从而造成严重的洪涝灾害，大大影响机动车和行人的安全。为此，针对城市洪涝现象，本文开发一种能在复杂道路情况下实时监测路面积水状况的城市防汛预警应急系统。

一、系统工作原理

本系统主要包括预警信息终端、车载终端和终端管理中心三大模块，如图1所示。预警信息终端采用STM32F407嵌入式系统采集水位、雨量和水质等传感器数据，分析行人或行车路过安置预警信息终端的监控范围洪涝积水情况，使用闪灯提示和语音模块预警，同时，通过GSM模块和北斗/GPS模块把现场的洪涝积水信息传输给车载终端和终端管理中心。

图1 系统工作原理

车载终端除了获取车辆路过预警信息终端区域的洪涝积水信息，同时还使用了语音报警模块，及时播报车辆路过区域的积水情况。

终端管理中心为上位机监控中心，基于地理信息系统(GIS)提供的XML接口技术针对城市实时掌握具体道路水情、预警信息发送；对数据进行可视化，自动化读取和显示积水区域；对监测系统的子系统进行一站式管理。

二、系统硬件设计

本系统设计的硬件部分主要是预警信息终端，该终端的具体包含的硬件模块如图2所示。系统核心使用ST意法半导体公司的32位低功耗STM32F407ZET6芯片，该芯片具有强大的硬件功能，多个UART和SPI等功能模块，且运行速度快，较好地满足系统要求；使用该芯片的AD功能连接传感器采集模块，I2C功能连接语音模块，I/O功能连接闪灯预警模块，UART功能连接通信模块。

图2 预警信息终端硬件模块组成

传感器采集模块主要用于采集水位、雨量和水质等信息，用于判断洪涝情况。水位传感器使用测量范围在0～5m，分辨率为3mm的一体式超声波液位计传感器。测量雨水量时，使用大面积的雨滴传感器模块。

语音模块主要用于洪涝现场语音播报，当水位或雨量超过预警值时，该模块提醒行人或车辆路过洪涝现场时注意安全。本系统使用WT588D-U语音模块，能驱动大功率喇叭，使路过该地区的行人或车辆能听到语音播报。

闪灯预警模块主要用于洪涝现场闪灯提醒，当水位或雨量超过预警值时，该模块通过亮红灯或红闪来提醒行人或车辆路过该地区时，应注意安全。本系统包含多个闪灯预警模块，每个模块都有一个大面积灯板，每个灯板由多颗高亮度LED灯组成。

通信模块主要包含闪灯预警模块之间通信、车载模块与预警信息终端之间通信、终端管理中心与预警信息终端之间通信以及车载模块与预警信息终端之间通信等。闪灯预警模块之间通信使用zigbee无线模块，终端管理中心与预警信息终端之间通信使用GSM和北斗/GPS进行通信。

三、系统软件设计

软件设计主要包括预警信息终端、车载终端和终端管理中心。预警信息终端的程序设计流程如图3所示，程序系统初始化，主要是嵌入式系统、传感器采集模块、闪灯预警模块和通信模块的程序初始化。系统在运行之后，传感器采集模块先采集城市洪涝情况数据，嵌入式系统通过算法分析与处理采集到的数据，判断采集到的水位数据是否超过洪涝预警水平，如果超过，则启动闪灯预警和语音模块告知行人和车辆，否则，传感器继续采集水位数据。无论采集的数据是否超过洪涝预警水平，系统都无线传输采集得到的信息给车载终端和终端管理中心。

图3 预警信息终端程序流程

终端管理中心使用Labview软件开发，界面能实时监控城市的水位情况，从界面中能看到发生洪涝严重地点的信息。同时实时传输预警信息到车载终端，从而提醒行驶到该地点的车辆。该系统能存储城市各地点的水情信息，并提供相关管理部门。

四、结语

本文提出了一种基于物联网的城市洪涝应急预警及管理系统。该系统能解决城市洪涝造成道路积水实时监控难问题、能有效实时的为过往行驶车辆和行人提供预警信息，提高安全性；可为救援特种车辆快速反应机制，提高排水人员的作业效率。该项目实施将进一步有效提升我国城市洪涝监测预警预报与应急响应管理能力。