基于STM32的城市内涝水位监测系统设计

徐智凡，吴有龙，杨方宜，贾 方，周圩颖，陆昱帆，陈文豪

（1.金陵科技学院 电子信息工程学院，江苏 南京 211169；2.金陵科技学院 智能科学与控制工程学院，江苏 南京 211169）

0 引言

近年来，由于国内极端天气频繁发生，许多城市发生严重内涝[1]，“城市看海”现象几乎每年都出现，且频率呈上升趋势。比如2021年7月郑州地区的特大暴雨灾害，根据郑州市公安局交警支队统计数据显示，截至2021年7月6日郑州市新能源汽车保有量是12.1 万辆，而在此次灾害中至少有1 万辆面临泡水问题[2]。郑州市建立了暴雨洪涝预警预报服务系统，但该系统局限性较大，仅能在整体尺度上对市区内涝进行一定的预警，并不能进行积水实时精准监测与精细化交通疏导。因此，需要设计水位监测系统进一步降低车辆在通行中的风险[3]，帮助车辆安全通行，及时提供通行信息，协助解决城市内涝所造成的通行问题，构建出城市防涝的工程体系，推进城市内涝的治理。

针对不同的环境，国内有不少关于水位监测方面的研究。例如，张森[4]为监测煤矿井下的水位信息，设计基于机器视觉的矿用水位监测系统。国外也有不少这方面的研究，Chi等人[5]研究了一种高精度、低功耗的智能城市无线水位监测物联网装置。Ufuoma 等人[6]研究了一种能够监测水位变化规律的相机传感器，以应对洪水对公共设施的危害。STM32单片机技术、多传感器数据融合技术被广泛应用于交通数据的采集[7,8]。

要解决由城市内涝导致的车辆通行问题，降低车辆道路通行的风险，协助建设城市排水防涝工程体系[9,10]，设计水位监测系统是有效手段，具有可靠的实用价值。在车辆通行前对道路水位以及设备环境状况进行监测，做好提前预警的准备。当所测区域水位多处预警，可及时通知交通管理部门进行道路紧急抢救，保障交通的通畅。本文主要利用北斗定位技术、传感器技术等物联网技术设计一种基于STM32 的城市交通水位监测系统。

1 系统设计

基于STM32 的城市内涝水位监测设计硬件部分主要是以STM32 单片机作为核心处理器，采用北斗定位，通过激光测距模块WT53R、DHT11 温湿度模块、惯性传感器、气体监测模块、北斗定位模块采集相应的数据，发送给单片机处理，然后通过4G 模块，以MQTT 协议发送给腾讯服务器。主要实现如下功能：显示设备所在环境，实时显示设备位置、环境温湿度，测量水位高度是否可使车辆正常通过。此外，当超过设定阈值时，向服务器发送报警信息和位置信息。总体设计流程如图1所示。

图1 总体设计流程

交通水位监测设计在满足防水防风、安装方便等安全要求的基础上，通过在水位监测附近位置布局其他传感元件，实时监测现场数据。监测的实时数据主要包含以下3 大类：

（1）交通道路环境数据，包括气温、湿度、空气质量等；

（2）实时监测水位数据，判断是否可安全通行；

（3）水位监测系统信息，包括设备位置、设备姿态、周围环境等。

2 硬件设计

2.1 硬件总体设计

硬件设计使用STM32 单片机控制系统正常工作，开发板承载单片机控制模块、激光测距模块、惯性传感器模块、北斗模块、温湿度模块，通过4G 模块传输数据到控制模块以及连接服务器各个部分。要求所有模块同时工作，实现对城市交通水位情况的实时监测。

2.2 STM32 开发板

整个水位监测系统通过STM32F407 开发板进行控制，首先通过串口发送指令对4G 模块进行初始化，判断4G 模块初始化成功后进行下一步操作，若初始化失败，则重新进行初始化；然后传感器开始工作，对水位监测的相关数据进行处理，依据设定的阈值判断是否发出警报；最后通过4G模块将数据发送到服务器并存储在数据库中，传感器暂停工作，待到设定的间隔时间结束继续进行数据的采集、分析、上传。硬件连接如图2所示。

图2 硬件连接

2.3 激光测距模块

系统采用维特智能激光测距传感器WT53R，由于水位监测系统使用环境处于户外，该模块具备防水功能，工作稳定。采用高精度测距传感器与相应的光学过滤盖片有效地滤除光学干扰。该传感器自带硬件报警功能，使用时可以根据危险水位值设置报警阈值，当测量距离小于报警阈值时，报警线会产生报警电平（低电平）信号；距离传感器采用工业标准ModBus 协议，ModBus 通信命令分为读命令与写命令两种，0x03（读命令）读取相应寄存器数据，0x06（写命令）向相应寄存器写入数据。监测预警流程如图3所示。

图3 监测预警流程

2.4 惯性传感器模块

水位监测系统中采用惯性传感器测量设备的情况，防止设备出现位置的偏移导致测量水位数据错误，采用JY901S型号传感器通过加速度计、陀螺仪、磁强计等测量数据，经过软件算法解算，依据采样的原始数据和当前的传感器角度推算出新的姿态角度，并更新系统对应的均方误差和状态信息。姿态传感器解算的过程主要分为传感器修正、状态估计、观测量计算、滤波融合修正、角度更新等步骤。解算基本过程如图4所示。

图4 解算基本过程

3 功能阐述

3.1 实时水位显示

在北斗模块的基础上，定位每一个硬件的具体位置，使用激光测距模块，管理者可以实时了解到当地的水位深度，针对不同的水位情况，及时做出道路引导的调整，实时水位检测还能够方便管理层了解何处有水位暴涨的情况，能快速做出决策来进行救援。

3.2 网页界面功能

使用了前后端分离技术，对于网页开发后端采用SpringBoot、MybatisPlus、Swagger、Maven等实用工具来促进后端实用功能的开发。前端采用VS code、HTML、CSS、JavaScript 等使页面更加精美，对于前后端数据交互采用Ajax，开发工具使用的是IDEA 集成开发工具。页面首页如图5所示。

图5 页面首页

3.3 设备状态信息

硬件设备端采集完各个模块的具体数据，通过串口发送至4G 模块，4G 模块将数据发送至EMQ 代理服务器，借助EMQ 服务器将硬件端数据发送至数据库中。数据库中的数据会经过后端的处理，前端直接会根据后端的不同功能，取到相应的数据显示在前端。在客户端可以看到设备的相关数据，让管理者能够实时了解到当前设备所处环境的情况。

3.4 水位情况信息

在硬件端将数据发送至服务器之后，后端同步将数据传到前端，客户端同样可以看到设备所在地水位的实时情况，了解到当地的水位情况。使得客户能够判断目标道路是否能够使车辆安全通过，及时做出反应，决定是否通过当前路段，保证车辆安全。水位监测情况如图6所示。

图6 水位监测情况

4 可视化数据大屏

设备状态总览功能可将设备日常数据以可视化形式在大屏上展示，实现对天气信息、降水情况、车辆通行状况等信息进行实时汇总和数据显示。通过此数据化大屏，管控人员可及时发现交通道路上的异常情况，并及时采取合理的应急措施，以实现对城市交通的智能化管理。主要采用Visual Tools 进行数据大屏开发，其中的组件、数据等较丰富，代码开源，便于数据大屏的开发。该功能可以对整个网站的数据通过可视化大屏的方式呈现，能够实时地展示水位的变化，方便管理人员快速地找到需要的数据。

在设备状态总览这一功能上，选择采用数据大屏的形式来展示，不仅可以方便管理者查看数据，还能够实时地展示涉水深度的变化以及降水趋势，能够及时地反映道路上的预警等级，为管理者提供最直观的安全显示和操作建议，从而辅助管理者采取相应的措施，提升水位监测的智能化管理和安全防护水平，是水位监测及其管控平台中最核心的技术组成部分。信息总览如图7所示。

图7 信息总览

5 结语

当前，由于强降雨天气导致的城市内涝问题时有发生，为了降低该问题对城市交通造成的恶劣影响，本设计基于STM32 开发板，结合激光测距、惯性传感器、温湿度和气体检测等模块，实时监测交通道路的水位情况，并且将测量数据传送到网页中，同时使用可视化数据大屏的形式直观、清晰地展示监测数据的变化情况，协助管理人员进行道路疏通，降低车辆在行驶过程中的风险，协助建设城市排水防涝工程体系。