伯冰洋

（中央民族大學(xué) 理學(xué)院，北京 100081）

0 引 言

受全球氣候變化的影響，我國(guó)極端降水事件的強(qiáng)度和頻率不斷增加，大雨和暴雨量呈現(xiàn)顯著上升趨勢(shì)。2021年，鄭州特大暴雨洪澇災(zāi)害造成了巨大的人員和財(cái)產(chǎn)損失，這些極端事件給社會(huì)生產(chǎn)和人民生活帶來(lái)了嚴(yán)重影響，受到全社會(huì)的廣泛關(guān)注。如何及時(shí)預(yù)測(cè)洪澇災(zāi)害，使得群眾能夠提前規(guī)避危險(xiǎn)，成了亟待解決的問(wèn)題。

洪澇災(zāi)害預(yù)防過(guò)程中需要解決的典型問(wèn)題有：防御堤防潰缺、道路積水、低洼受澇、房屋倒塌、地下空間進(jìn)水。首先需要對(duì)水量、水位進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；其次要結(jié)合對(duì)城市排水系統(tǒng)的分析，綜合調(diào)度和管控道路交通；同時(shí)相關(guān)部門(mén)應(yīng)基于降雨信息、管網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行情況提前做出響應(yīng)。在此過(guò)程中最重要的是搭建水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，及時(shí)準(zhǔn)確地掌握水情才能把握受災(zāi)地區(qū)的安全情況，讓人員和物資得到更合理的調(diào)配，提高對(duì)極端降水天氣的應(yīng)對(duì)能力。

目前，對(duì)水情的監(jiān)測(cè)和相關(guān)預(yù)警有多種方法，以衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)為例，它具有覆蓋面積廣、周期短且時(shí)效強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，主要運(yùn)用模型和遙感等技術(shù)進(jìn)行分析，但會(huì)受到復(fù)雜天氣條件和時(shí)效性的影響。現(xiàn)有的防汛監(jiān)測(cè)是通過(guò)檢測(cè)終端、水位計(jì)、工業(yè)相機(jī)組合以及云臺(tái)麥克風(fēng)等設(shè)備實(shí)現(xiàn)的，以圖像資源分析水情，存在設(shè)備昂貴、架設(shè)條件高等問(wèn)題；同時(shí)相關(guān)洪澇模型研究、調(diào)用降雨情景庫(kù)、運(yùn)用仿真輔助等預(yù)警技術(shù)，存在著地形多變、模型數(shù)據(jù)不足的問(wèn)題。而本文搭建的水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)擁有著多時(shí)空、多地點(diǎn)以及實(shí)現(xiàn)水位實(shí)時(shí)檢測(cè)和預(yù)警的應(yīng)用特點(diǎn)。

嵌入式系統(tǒng)是當(dāng)前的熱門(mén)概念之一，無(wú)論是在工業(yè)控制、交通管理、信息家電、安防，還是手持設(shè)備領(lǐng)域，都有著非常廣泛的應(yīng)用。本文開(kāi)發(fā)了基于物聯(lián)網(wǎng)的ARM嵌入式系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一個(gè)低成本的水位監(jiān)測(cè)和預(yù)警裝置，用以準(zhǔn)確掌握復(fù)雜城市管網(wǎng)遭遇暴雨時(shí)各點(diǎn)的水情。此系統(tǒng)以STM32F103ZET6芯片為核心控制器，通過(guò)WiFi無(wú)線(xiàn)模塊實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)通信功能；結(jié)合硬件系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信、服務(wù)器和客戶(hù)端，實(shí)現(xiàn)水位計(jì)監(jiān)測(cè)、物聯(lián)網(wǎng)通信、水位遠(yuǎn)程監(jiān)控和預(yù)警等功能。此系統(tǒng)具有簡(jiǎn)潔、易操作的特點(diǎn)；同時(shí)ARM本身在性能、功耗、代碼密度、價(jià)格等諸多方面都具有優(yōu)勢(shì)。

1 應(yīng)用需求分析

本文搭建的基于物聯(lián)網(wǎng)的ARM嵌入式水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，具有低成本、高可靠性、易于改進(jìn)的優(yōu)點(diǎn)，能夠做到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、自動(dòng)處理數(shù)據(jù)、自動(dòng)預(yù)警。一方面，該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地檢測(cè)各點(diǎn)水情并設(shè)定自動(dòng)預(yù)警，并且得益于嵌入式的優(yōu)點(diǎn)，水位監(jiān)測(cè)點(diǎn)的擴(kuò)展更為方便簡(jiǎn)潔；另一方面，水位的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)也可以用于其他的如模型構(gòu)建等應(yīng)用。另外，基于物聯(lián)網(wǎng)和ARM的嵌入式系統(tǒng)有助于各種水位監(jiān)測(cè)和處理系統(tǒng)間的互聯(lián)和升級(jí)。

綜上分析，系統(tǒng)應(yīng)具備以下幾項(xiàng)功能：根據(jù)水位信息的變化判定降水強(qiáng)度；根據(jù)排水系統(tǒng)的水位信息和降水信息處理分析，判斷是否預(yù)警；根據(jù)單點(diǎn)水位信息，判斷區(qū)域安全情況；提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)變化情況，輔助防洪對(duì)策的制定。以上需求主要由通信模塊和采集控制模塊結(jié)合實(shí)現(xiàn)，具體情況如下：

（1）處理中心：包含STM32F103ZET6芯片和WiFi模塊。

（2）標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)：包含多點(diǎn)水位的允許值。

（3）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)：包含當(dāng)前多個(gè)水位的實(shí)際數(shù)據(jù)。

（4）水位：第處水位由第個(gè)液位傳感器檢測(cè)。

（5）用戶(hù)數(shù)據(jù)端：采用一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存和管理。

（6）屏幕：展示某一反應(yīng)水池用水信息的數(shù)據(jù)和可視化監(jiān)視工作進(jìn)度。

為使硬件電路實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)處理功能，本文設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)傳輸單元、控制單元、電源模塊、設(shè)備調(diào)試模塊這四個(gè)單元。本文通過(guò)WiFi透?jìng)髂K實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸；通過(guò)FLASH和EPROM實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理過(guò)程中的閃存、讀寫(xiě)和擦除；通過(guò)ISP（Image Signal Processor）下載拷入的代碼和WiFi傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包，使得STM32按其代碼流程對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行處理、分析和執(zhí)行；通過(guò)BOOT的設(shè)置來(lái)控制整個(gè)嵌入式硬件芯片的啟動(dòng)；通過(guò)設(shè)置復(fù)位模塊應(yīng)對(duì)實(shí)際生產(chǎn)和仿真中可能出現(xiàn)的問(wèn)題，用以對(duì)整個(gè)硬件部分進(jìn)行重啟；通過(guò)電源電路USB 5V供電構(gòu)成電源模塊；在源代碼通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸模塊進(jìn)入控制模塊后，需要先進(jìn)行仿真測(cè)試，通過(guò)設(shè)置串口模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行在線(xiàn)調(diào)試，并判斷其是否可以正常運(yùn)行。

2 模塊框架與功能實(shí)現(xiàn)

2.1 主控模塊

主控模塊主要是由STM32F103ZET6和ARM處理器構(gòu) 成，還 包 含IS、USB、GPIO、UART、JTAG、Timer、ADC/DAC、FLASH、SDRAM。外接5 V電源、WiFi模塊、復(fù)位電路、輸入和輸出電路。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 主控模塊框架

2.1.1 芯片的選型

主控模塊選用的芯片是基于A(yíng)RM Cortex-M3處理器的集成主流型32位微控制器STM32F103ZET6芯片，優(yōu)點(diǎn)是靈活、支持?jǐn)U展的MCU，支持與其他外部電路連接，易于實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)；另外三種供電方案對(duì)應(yīng)的三種模式使其具有低功耗的特點(diǎn)。

2.1.2 電源電路

對(duì)于整個(gè)硬件系統(tǒng)，由于芯片內(nèi)部供電電壓不同，外接電路也需要滿(mǎn)足各自的電壓要求，所以本文需要設(shè)計(jì)一個(gè)使不同模塊傳遞信號(hào)的電源電路。將5 V直流電壓經(jīng)過(guò)濾波電路，通過(guò)LM7805三段線(xiàn)性穩(wěn)壓器穩(wěn)定輸出電壓。LM7805的VCC和OUT端口外界電路均為濾波電路。濾波電容一般取值為0.1～10 μF，其取值與電路中負(fù)載電流以及雜波頻率有關(guān)。

2.1.3 啟動(dòng)電路

啟動(dòng)過(guò)程中，如果STM32中代碼已被拷入程序，則重啟芯片，BOOT引腳值在上升沿被封存。用戶(hù)可以通過(guò)BOOT引腳狀態(tài)來(lái)選擇啟動(dòng)模式。對(duì)應(yīng)到STM32中有三種啟動(dòng)方式，見(jiàn)表1所列。其中，ISP模塊下載數(shù)據(jù)就是將其燒錄到系統(tǒng)存儲(chǔ)器這個(gè)模塊。系統(tǒng)存儲(chǔ)器是STM32出廠(chǎng)時(shí)被預(yù)置的一段BootLoader，不可更改；用戶(hù)閃存存儲(chǔ)器是STM32的內(nèi)置存儲(chǔ)器，JTAG模塊下載時(shí)就是將數(shù)據(jù)拷入這個(gè)存儲(chǔ)器；SRAM啟動(dòng)的是內(nèi)置SRAM，不具備程序存儲(chǔ)能力，一般用于程序調(diào)試。

表1 啟動(dòng)模式

2.1.4 復(fù)位電路

復(fù)位模塊功能分為上電自復(fù)位功能和上電按鈕復(fù)位功能，用于將電路當(dāng)前狀態(tài)恢復(fù)至原始狀態(tài)。它決定電路系統(tǒng)是否能正常工作。

2.1.5 JTAG接口調(diào)試

JTAG接口主要用于實(shí)現(xiàn)芯片測(cè)試、調(diào)試、配置、下載等功能。本文通過(guò)JTAG接口對(duì)各個(gè)寄存器的變化和程序運(yùn)行情況進(jìn)行在線(xiàn)調(diào)試。

2.2 WiFi傳輸模塊

WiFi傳輸模塊具有成本低廉、傳輸速率快、覆蓋范圍廣、傳輸容量大、技術(shù)成熟、布設(shè)方便等優(yōu)點(diǎn)，還具有低功耗的優(yōu)良性能。

本文運(yùn)用WiFi通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪康?。采用的ESP8266串口通信模塊，其高度集成，所占空間資源和能耗均較低，只須通過(guò)編程串口就可以實(shí)現(xiàn)WiFi透?jìng)?，具有UART、GPIO、IC、IS接口，可以與外部設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

正常工作狀態(tài)下，數(shù)據(jù)采集端采集由各個(gè)傳感器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，經(jīng)由對(duì)應(yīng)的WiFi節(jié)點(diǎn)傳入通信服務(wù)終端匯總，最后在PC上呈現(xiàn)具體數(shù)據(jù)并對(duì)其進(jìn)行分析。具體工作流程如圖2所示。

圖2 傳輸模塊工作流程

2.3 數(shù)據(jù)采集模塊

選取HDL300型液位變送器用于產(chǎn)生水位數(shù)據(jù)，其裝置如圖3所示?；谒鶞y(cè)液位靜壓與液體高度成正比的特性，將壓力轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，即轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的電流、電壓的輸出以及RS 485信號(hào)的輸出，具有良好的穩(wěn)定性和可靠性。

圖3 HDL300型液位變送器

系統(tǒng)基于HDL300型液位變送器，利用擴(kuò)散硅壓阻效應(yīng)，將壓力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；經(jīng)過(guò)溫度補(bǔ)償和線(xiàn)性校準(zhǔn)，將其轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)電流輸出，接入主控模塊。以0～1 m液體深度、4～20 mA電流輸出為例，HDL300水深與輸出電流的關(guān)系如圖4所示。

圖4 HDL300水深與輸出電流的關(guān)系

數(shù)據(jù)的處理上傳基于WiFi模塊和STM32F103ZET6芯片。數(shù)據(jù)采集工作需要在系統(tǒng)上電的情況下完成，等待WiFi模塊初始化并成功與上級(jí)節(jié)點(diǎn)建立通信，再開(kāi)始數(shù)據(jù)模塊的正常運(yùn)行。通過(guò)獲取來(lái)自通信模塊的指令，采集數(shù)據(jù)并上傳，同時(shí)保持通信實(shí)時(shí)更新指令。其正常工作流程如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)模塊工作流程

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在某河流設(shè)置了四個(gè)液位采集點(diǎn)，連續(xù)采集1 h的數(shù)據(jù)，同步呈現(xiàn)在監(jiān)測(cè)界面上，驗(yàn)證多點(diǎn)采集協(xié)同監(jiān)測(cè)的可行性。

3.2 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)論

無(wú)線(xiàn)液位監(jiān)測(cè)界面示意圖如圖6所示。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可得到以下結(jié)論：

圖6 無(wú)線(xiàn)液位監(jiān)測(cè)界面

（1）節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)區(qū)域信息：系統(tǒng)能夠以地圖坐標(biāo)形式顯示節(jié)點(diǎn)的具體位置。

（2）節(jié)點(diǎn)水量信息：監(jiān)測(cè)界面能夠直觀(guān)簡(jiǎn)潔地展示當(dāng)前各監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的液位信息。

（3）水位動(dòng)態(tài)信息：監(jiān)測(cè)界面能夠直觀(guān)展示各節(jié)點(diǎn)的水位變化趨勢(shì)。

（4）水位預(yù)警信息：系統(tǒng)能夠根據(jù)所設(shè)定預(yù)警水位線(xiàn)實(shí)時(shí)判定水位風(fēng)險(xiǎn)。

（5）水情對(duì)比情況：系統(tǒng)能夠按照周、月、季度對(duì)比同期節(jié)點(diǎn)水位，提高預(yù)警能力。

4 結(jié) 語(yǔ)

隨著我國(guó)極端降水事件的增加，復(fù)雜地形環(huán)境中時(shí)常會(huì)有多點(diǎn)水位難以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的問(wèn)題，從而引發(fā)經(jīng)濟(jì)損失，且威脅人身安全。本文依托ARM嵌入式設(shè)計(jì)，構(gòu)建了水位監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)。此系統(tǒng)以STM32F103ZET6芯片為核心控制器，附帶WiFi無(wú)線(xiàn)模塊實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)通信功能；結(jié)合硬件、數(shù)據(jù)通信、服務(wù)器和客戶(hù)端完成了水位計(jì)本體和物聯(lián)網(wǎng)通信、水位遠(yuǎn)程監(jiān)控預(yù)警等功能。通過(guò)對(duì)多點(diǎn)水位的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和呈現(xiàn)，能夠準(zhǔn)確、有效、實(shí)時(shí)地提供相應(yīng)地點(diǎn)的水位預(yù)警服務(wù)；同時(shí)，在緊急情況下能夠幫助管理者制定洪澇應(yīng)急對(duì)策，對(duì)洪澇災(zāi)害進(jìn)行輔助預(yù)測(cè)，為救災(zāi)資源的調(diào)配提供決策支持。