容栅传感与物联组网的城市隧道内涝监测预警系统设计∗

赵 亮，陈昌鑫∗，王丽君，张 昆，张倩茹

(1.中北大学省部共建动态测试技术国家重点实验室，山西 太原 030051；2.中北大学电气与控制工程学院，山西 太原 030051；3.华北水利水电大学机械学院，河南 郑州 450045)

近年来，城市中由于短时间的降雨量骤增，超过了其排水能力，导致一些低洼处特别是公路隧道环境发生严重积水内涝。内涝灾害发生时，通常伴随断网、断电等极端环境的发生，在城市公路隧道等环境内，道路前方发生灾害而后方人员不能及时得知，极易造成交通堵塞进而引发事故[1]。在这种易涝区域，水位数据时刻变化[2]，如果监测不及时，会给人民的生命财产安全造成极大损失。

目前，水位的自动监测预警以及ZigBee 和NB-IoT 等无线传输的应用已有大量学者做了相关研究。薛瑄等[3]提出了一种同轴电缆电容式水位测试方法，解决了恶劣水质环境下的水位测试方法。于航等[4]研究的单管计算电容式液位传感器具有高灵敏度、高精度的特点。Hanni 等[5]研究的螺旋电容液位传感器可对不同类型和不同温度的液体进行分析，电容式传感方案均采用非接触测量，避免了安装时线束的冗余复杂，提高了可靠性。彭元松等[6]提出了一种基于ZigBee 技术的河流水位监测系统，将声波传感器与无线通信进行结合。刘文军等[7]通过应用ZigBee 技术在交通系统中监控车流量信息，对比蓝牙方式具有接入自由，网络规模大等特点，Moridi 等[8]研究了一种基于ZigBee 的地下通信系统，应用于矿井隧道环境，结果表明ZigBee 比其他地下矿井无线网络更适用。吕卫等[9]设计了一种低功耗的NB-IoT温度采集系统，具有放置灵活且实时监控的特点。仝卫国等[10]针对重要物品的远程管控问题，利用NB-IoT 技术进行远程监控。Popli 等[11]利用NB-IoT技术对新型的城市建筑农业进行监测，对确保食品质量和提高生产力、对智慧城市的网络建设提供了指导。无线通信方案对比有线通信方案更加灵活，避免了因通信电缆受损所导致的通信失效，更适用于户外远距离通信场合，具有较高的可靠性。

现有的水位传感和信息传输方案难以满足隧道等封闭环境内极端断网、断电环境下水位测量、传输与预警工作，因此，针对这种问题，设计了一种基于容栅传感与物联组网的城市公路隧道内涝监测预警系统。

1 工作原理

1.1 系统结构

基于容栅传感与物联组网的城市公路隧道内涝监测预警系统，包括隧道内使用的终端节点和出口处使用的协调器节点。两种节点分别采用不同结构来实现不同功能，同时又构成一个完整的控制系统，实现了水位测试、短距离传输、出口处预警、云端发送及远程监控等功能。在整个系统中，终端节点与协调器节点是多对一的关系，实现了信息的汇聚和同步处理[12]。场景应用示意图见图1。

图1 场景应用示意图

以一个终端节点和一个协调器节点为例，所设计的系统总体结构如图2 所示。

图2 总体结构设计图

位于隧道内的终端节点的电路结构包括主控芯片A、水位测量模块、ZigBee 模块A、电源模块A，主要工作为信号的采集、处理和近距离传输；出口处的协调器节点的电路结构包括主控芯片B、电源模块B、NB-IoT 模块、ZigBee 模块B 及显示预警模块，主要工作为信号的接收、处理、显示预警和远程传输。本系统的主控芯片采用STM32 系列单片机。

1.2 系统工作流程

在一般强降雨天气时，主控芯片A 将测量到的电容信号进行存储，并计算水位和水位上升的速度，对采集的水位与设置上限做比较，当超过设定值时，ZigBee 模块A 将主控芯片计算好的水位，水位上升的速度与位置编号发送到协调器节点的ZigBee 模块B，ZigBee 模块B 收集来自ZigBee 模块A 发送的数据后，主控芯片B 作出显示预警，与此同时，主控芯片B 将ZigBee 模块B 采集的信息进行编码校验，通过NB-IoT 模块发送给云端，可以从手机或电脑上远程监测。系统总体工作流程图如图3 所示。

图3 系统总体工作流程图

在极端断网、断电环境下，远程云端监测失效，而现场的ZigBee 无线传输和显示预警功能仍然持续工作，避免了智能设备瘫痪，隧道口的显示预警能够为道路人员和车辆提供预警信息。

2 系统结构设计

2.1 容栅浮子式水位测量传感结构

液位测量装置是根据圆柱形电容原理[13]设计的容栅位移传感结构，具体原理如图4 所示，通过改变静栅套筒内径，即改变电容内外两极板的间距，进而改变电容大小。通过在静栅套筒上加工阶梯状凹槽以实现静栅套筒内径的变化，在动栅与静栅相对运动过程中，可形成一条唯一的位移——电容曲线，用于传感器标定以及后续的水位测量。

图4 圆柱形容栅结构剖面示意图

圆柱型容栅结构计算公式:

式中:C为电容；ε0εr为介电常数；R1为动栅外半径；R2为静栅初始内半径；l为动栅宽度，与静栅套筒单节宽度相等；d为静栅套筒凹槽的递增深度；x为动栅与静栅的相对位移。

在动栅与静栅套筒两节凹槽的相对运动过程中，电容C的大小相当于分别与两个凹槽组成的两个圆柱形电容的并联，电容C与位移x为线性关系；而每完全经过一节凹槽时，由于静栅套筒内半径(R2＋d)改变，灵敏度改变。此时从整体来看，电容与位移的关系主要表现为圆柱型电容器中电容C与套筒内半径(R2＋d)的非线性关系，因此在灵敏度标定过程中需要分段标定。

基于圆柱型容栅结构模型所设计的静栅套筒内部凹槽具有周期性的特点，其中单个周期包含4 节凹槽结构，4 节凹槽结构内径不同且内径变化规律不单调。当动栅块与单节凹槽正对时，电容大小为极大值或极小值，4 节凹槽为1 个周期用于定位识别，相比2 节凹槽结构为1 个周期有效避免了水位变化方向改变以及水位波动造成的影响，实现不同水位的测试以及水位上升或下降的识别。

水位的测试通过计算周期和极值点进行判断，每个极值点为一个水位标志位，经过四个极值点为一个周期，当顺序经过四个标志位时，判断水位为上升方向，逆序经过四个标志位时为水位下降方向，每经过一个标志位进行一次判断。

通过Ansoft-Maxwell 软件建立合适的结构模型，绘制具有不同内径凹槽的静栅套筒，设置静栅与动栅材料为优质碳素结构钢，添加计算域覆盖整个模型并设定材料为空气，在静栅上附加正电压，同时在动栅上设置接地，定义动栅沿轴向方向的位置坐标向量，模仿动栅浮子进行移动，使用参数化扫描功能，得到位移与电容变化曲线。单个周期的仿真建模如图5 所示。

图5 仿真建模图

在动栅移动过程中，输出结果中创建动栅轴向位移与电容大小关系曲线图，由于存在边缘效应，极值点的位置存在偏移，但基本规律与计算结果具有一致性。单个周期动栅位移与电容大小关系仿真曲线如图6 所示。

图6 动栅位移与电容大小关系仿真曲线图

2.2 电容测试电路

电容测试电路的核心模块是高分辨率电容数字转换器(CDC)，采样线性度可高达0.01%，其通过双线式I2C 兼容的串行接口通信[14]。在电容测试过程中，由STM32 单片机通过I2C 总线通信，对电容测试芯片的相关寄存器进行写操作，配置该芯片的工作模式，电容测试芯片循环测试电容大小，并不断刷新对应寄存器的数据，最后由STM32 单片机通过I2C 总线对电容测试芯片的相关寄存器进行读操作，得到电容值，实现电容信号就地数字化，电容测试芯片工作流程如图7 所示。

图7 电容测试芯片工作流程图

2.3 物联网组网的冗余式网络构建

传感器获取的信息需要向外传递，一般通过有线或无线通信方式。针对传感器安装较多、布线复杂的问题，选择无线通信方案[15]。

ZigBee 是一种具有低速率和低成本特点的无线网络传输技术[16]，ZigBee 一般可实现400 m 及以上距离的传输[17]。本装置采用的树状网络拓扑结构，其拓扑结构如图8 所示。协调器节点主要用于负责整个网络的启动、运行、初始化、管理路由节点加入和为节点分配地址等工作，并汇总由终端节点收集到的水位信息。终端节点将采集到的水位数据通过射频模块CC2530 发送给协调器节点，针对隧道等封闭环境的部分终端节点距离较长传输受限问题，需要增加路由节点进行中转，最终汇聚到协调器节点。

图8 ZigBee 通信树状拓扑结构图

NB-IoT(窄带物联网)技术是一种专为万物互联打造的蜂窝网络连接技术，它依托于网络运营商基站，可以实现信息的远程无线传输[18]以达到远程监测水位的目的。

NB-IoT 模块主要将ZigBee 协调器收集的水位信息、水位变化速度以及每个装置的节点标号进行处理转换为Modbus 协议报文，并进行CRC 校验，然后通过RS485 总线发送给DTU 设备，由DTU 设备将信息发送到云端。信号传输电路连接图如图9 所示。

图9 信号传输电路连接图

由DTU 上传到云端后，在云端实时进行监测和管理，并且可以在信号量超过预定设置时通过微信小程序给相关人员进行报警。

2.4 显示预警模块

协调器节点对水位信号进行判断，可以将水位信号通过协调器节点的LED 点阵显示屏或LCD 屏幕进行显示，同时在水位超过预设限定值后，触发蜂鸣器报警和显示屏背景颜色变化报警。

2.5 电源管理

终端节点的电源模块A 由道路电网供电通过电压转换模块给锂电池进行充电，用电时由锂电池通过稳压模块给电路供电。

协调器节点的电源模块B 包括道路电网供电和光伏供电，电网供电与终端节点相同，光伏供电通过在测量装置顶部安装光伏板，并对锂电池进行充电，用电时由锂电池通过稳压模块供电。

2.6 机械结构

对终端节点和协调器节点基于不同功能采用不同结构。

终端节点包括用于入水的入水口，内部有空心浮球、轻质支撑杆等结构支撑动栅块上下浮动，外部有用于支撑整体结构的支撑底座和用于传感的静栅套筒，支撑杆固定件连接支撑底座与轻质支撑杆，实现动栅块的垂直运动。终端节点机械结构全剖装配示意图见图10。

图10 终端节点机械结构全剖装配示意图

协调器节点包括支撑整体结构的底座，侧面有用于现场显示预警的显示屏，顶部有光伏供电相关结构和模块，以及用于远程信息发送的电路模块。协调器节点机械结构全剖装配示意图见图11。

图11 协调器节点机械结构全剖装配示意图

3 实物系统搭建与实验验证

在各部分测试和仿真工作完成后，为了进行进一步验证和完善，我们搭建了测试系统进行演示与实验，可以很好实现水位的测量、传输与预警的功能。实物系统搭建图见图12。

图12 实物系统搭建图

搭建好系统后对容栅水位监测结构进行测试，在结构加工时采取每5 mm 设置不同大小的间距(静栅套筒凹槽深度)，共有40 个周期，每个周期有4 种间距的容栅结构，因此量程为0.8 m，分辨率为5 mm。在测试时需要进行多次测试并分段标定，当动栅每经过一种间距时，实现一次水位变化方向的确认，即电容经过一次极值，经过该间距后灵敏度发生一次改变，在于相邻两种间距相对运动过程中，电容与位移为线性关系，可以得到单个周期内的位移——电容的关系。当动栅全部按序经过四个极值点时，认为动栅经过了一个周期，进入到下个周期，在具体转换时应当预留一定的冗余空间，单个周期内水位——电容关系曲线如图13 所示。

图13 单个周期内水位——电容标定曲线图

在得到标定曲线后，多次测试对传感器进行误差分析。通过动栅每实际运动5 mm，对传感器测得值进行一次读数，可以得到多次测试平均值曲线与理想曲线的相对位置关系，综合对比误差小于6%，测试曲线与理想曲线对比如图14 所示。

图14 测试位移曲线与理想位移曲线对比图

对数据传输部分进行测试，可以在后台网页得到水位测试数据曲线，云端管理平台测试图见图15。

图15 云端管理平台测试图

通过对两种物联网结合的传输系统为期两周的综合测试，对两种物联网的丢包率分别进行分析，得到有效数据传输率在95%以上。

容栅水位传感器与其他同类传感器相比在应用场景具有一定优势，雷达水位计[19]主要用于河道等深度较深的室外应用场景，这种传感器测试范围更大，但精度一般在厘米级，容栅水位传感可以达到更高要求；地埋式水位监测方案[20]在积水严重时，测试易受泥沙淤积等环境干扰，无线网络的信息在积水严重、隧道环境封闭、传输距离较长等条件下，传输易受干扰，可能导致丢包；电子水尺[21]与容栅水位传感在结构上具有一定的相似性，且测试精度相差不大，结合物联网技术后也可适用于隧道环境的水位监测和预警。

4 结论

通过设计应用于不同位置，实现不同功能的两种节点，实现了信号采集、处理、传输等问题。利用容栅浮子传感器，实现了小量程、低功耗、低成本、适用于黑暗环境的水位测量；利用两种物联网融合技术，实现了不同强降雨灾害程度下的信号传输，在时间和空间上都能够高度契合，具有良好的环境适应性；利用光伏发电和储能的技术，解决断电环境下系统依然工作的问题以及更长时间的预警问题。在建立实物测试后，系统功能基本可以实现。本系统在正常情况下处于休眠状态，当自然灾害来临时，对保障人民生命财产安全具有重要意义。