杜政隆，謝麗明，王飛飛

（平頂山學院 信息工程學院，河南 平頂山 467000）

0 引 言

近年來，我國境內(nèi)出現(xiàn)暴雨的次數(shù)越來越多，所造成的經(jīng)濟損失不可估量，而且暴雨期間洪澇災害的發(fā)生概率也大大增加。因此亟需建立一個完善的水位監(jiān)測系統(tǒng)，讓人們可以及時直觀地了解水位數(shù)據(jù)，對預防洪澇災害有極大的幫助[1]。目前，許多地方仍采用人工水位監(jiān)測方式，個別地方雖采用了水位監(jiān)測系統(tǒng)，但還存在諸多問題，如：設備通信覆蓋不完全；受老舊設備影響，水位信息不精確；不能直觀實時分析各個節(jié)點的水位數(shù)據(jù)等?；诖耍疚脑O計了基于單片機的水位監(jiān)測系統(tǒng)，可應用于水庫、天氣水文監(jiān)測站等實際場地，工作人員可根據(jù)需求在移動端對水位數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測，設置預警水位，若超出預警水位，系統(tǒng)會及時發(fā)出警告，保證民眾的安全[2]。

1 水位監(jiān)測系統(tǒng)的總體設計

本系統(tǒng)根據(jù)所需功能主要設計了數(shù)據(jù)采集端、服務器端和上位機端。數(shù)據(jù)采集端有多個節(jié)點，每個節(jié)點連接LCD顯示屏、水位傳感器和蜂鳴器。采用水位傳感器進行水位數(shù)據(jù)采集、LCD顯示屏進行數(shù)據(jù)顯示。當水位數(shù)據(jù)超過安全閾值時，LCD顯示屏會輸出報警信息，蜂鳴器進行報警。數(shù)據(jù)采集端和服務器端之間通過UDP進行數(shù)據(jù)通信，將水位數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中。上位機端從服務器端的數(shù)據(jù)庫中調(diào)取水位數(shù)據(jù)，實現(xiàn)可視化數(shù)據(jù)實時展示功能[3]、歷史數(shù)據(jù)展示功能和超過安全閾值報警功能。系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

圖1 水位監(jiān)測系統(tǒng)總體框架

2 水位監(jiān)測系統(tǒng)的詳細設計

水位監(jiān)測系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集端、服務器端和上位機端。設備與服務器端之間使用WiFi模塊進行UDP通信[4]。系統(tǒng)用戶通過上位機端對水位數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測。系統(tǒng)功能模塊如圖2所示。

圖2 水位監(jiān)測系統(tǒng)功能模塊

2.1 數(shù)據(jù)采集端的詳細設計與實現(xiàn)

本系統(tǒng)有多個節(jié)點，以一個節(jié)點為例進行說明。系統(tǒng)硬件設備的主控單元芯片采用ESPDuino芯片。在ESPDuino單片機上集成Arduino模塊和WiFi模塊，ESPDuino單片機連接MSP20水位傳感器、LCD1602顯示屏與蜂鳴器，LCD1602顯示屏顯示當前節(jié)點的水位信息，當水位超過安全閾值時，顯示屏會顯示報警信息，且蜂鳴器會發(fā)出報警。將單片機設為AP模式通過WiFi連接指定路由器，通過UDP協(xié)議將采集到的數(shù)據(jù)傳輸至服務器端[5]。數(shù)據(jù)采集端節(jié)點結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集端結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)運行過程中，將MSP20水位傳感器的測量橡膠管插入水庫或雨量筒中[6]，每隔5 s測量一次水位，水位數(shù)據(jù)顯示在LCD屏幕上。當水位超出預設的安全閾值時，LCD屏幕顯示報警信息且通過蜂鳴器進行報警[7]。

數(shù)據(jù)采集端的程序設計根據(jù)Arduino的編程特點，分為初始化程序設計和循環(huán)程序設計。初始化程序中首先調(diào)用LiquidCrystal_I2C.h庫函數(shù)的lcd.init（）函數(shù)和lcd.backlight（）函數(shù)分別進行顯示屏初始化和打開LCD顯示屏的背光，之后使用pinMode（）函數(shù)將連接蜂鳴器定義的引腳設為輸出模式，并通過digitalWrite（）設置蜂鳴器的初始狀態(tài)完成蜂鳴器的初始化。同時通過Serial.begin（9600）的函數(shù)調(diào)用設置串口波特率，最后調(diào)用WiFi.mode（）將WiFi設為AP模式，Udp.begin（）開始UDP端口偵聽。初始化程序流程如圖4所示。

圖4 初始化程序流程

循環(huán)程序中首先使用analogRead（）讀取A0引腳的數(shù)據(jù)，通過公式轉(zhuǎn)換成實際需要的水位數(shù)據(jù)，然后設置安全閾值判斷水位數(shù)據(jù)是否超過閾值。若超過閾值，調(diào)用lcd.print（）函數(shù)在LCD顯示屏上顯示當前水位信息和報警信息，同時通過digitalWrite（）函數(shù)設置蜂鳴器高低電平使蜂鳴器進行報警；若沒有超過閾值則LCD屏正常顯示水位數(shù)據(jù)。最后通過設置判斷語句來判斷是否接收到上位機發(fā)來的數(shù)據(jù)，如果接收到信息，通過Udp.beginPacket（）、Udpwrite（）以及Udp.endPacket（）函數(shù)完成開始發(fā)送包數(shù)據(jù)、寫入包數(shù)據(jù)、結(jié)束發(fā)送包數(shù)據(jù)三個步驟。循環(huán)程序流程如圖5所示。

圖5 循環(huán)程序流程

2.2 服務器端的詳細設計與實現(xiàn)

服務器端首先建立UDP端點，用來接收和發(fā)送數(shù)據(jù)包；然后通過打包數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)采集端，數(shù)據(jù)采集端接收到數(shù)據(jù)包就會將水位數(shù)據(jù)打包發(fā)送給服務器端；服務器端通過創(chuàng)建數(shù)據(jù)包來接收水位數(shù)據(jù)，并連接指定IP的數(shù)據(jù)庫，將水位數(shù)據(jù)存儲到指定表的指定字段中。具體流程如圖6所示。

圖6 服務器端程序流程

服務器端以jsp項目為主體、JAVA語言為主要編程語言。項目首先通過DatagramSocket（）建立UDP Socket端點，并 通 過 DatagramPacket（byte[]buf，int length，InetAddress address，int port）提供數(shù)據(jù)封裝打包，inport里填入節(jié)點的IP地址，封裝打包完成后使用send（）方法進行數(shù)據(jù)包的發(fā)送，發(fā)送完成后調(diào)用close（）方法關閉資源；然后調(diào)用udpsend（）方法獲得節(jié)點的水位數(shù)據(jù)，同時調(diào)用SimpleDateFormat（）方法獲取當前時間，取得所有所需的數(shù)據(jù)后進行數(shù)據(jù)庫插入；最后使用 Class.forName（“com.mysql.jdbc.Driver”）方法驅(qū)動DriverManager.getConnection（）取得正確的數(shù)據(jù)庫IP、數(shù)據(jù)庫用戶名和密碼后，執(zhí)行數(shù)據(jù)庫插入命令。

2.3 上位機端的詳細設計與實現(xiàn)

本系統(tǒng)的上位機端基于HTML5、Python語言，創(chuàng)建Flask項目。使用route（）函數(shù)來記錄頁面路由，直接訪問所要到達的頁面，并調(diào)用pymysql.connect（）實現(xiàn)從數(shù)據(jù)庫中調(diào)取節(jié)點水位數(shù)據(jù)以及時間數(shù)據(jù)，且當水位數(shù)據(jù)超過安全閾值時在數(shù)據(jù)可視化展示頁面中輸出報警信息彈窗。

水位數(shù)據(jù)匯總頁面使用pymysql.connect{}連接數(shù)據(jù)庫IP和指定的表，使用datalist.append（）將數(shù)據(jù)表進行展示，并在頁面中使用HTML5語言標簽寫入文字進行顯示。水位數(shù)據(jù)匯總頁面如7所示。

圖7 水位數(shù)據(jù)匯總頁面

為更直觀地看到數(shù)據(jù)變化趨勢，本系統(tǒng)在數(shù)據(jù)可視化展示頁面中使用了ECharts可視化功能，將節(jié)點水位數(shù)據(jù)進行了可視化展示[8]。ECharts技術(shù)在本網(wǎng)頁中使用的是折線圖，通過定義option{}來設置折線圖的參數(shù)。用title{text：}設置標題，legend{“節(jié)點1”，“節(jié)點2”}來設置兩個可以點擊的按鈕以顯示指定折線圖，x軸上用data：{}方法指定數(shù)據(jù)表中的字段，y軸同樣使用data：{}方法指定數(shù)據(jù)表中的字段。數(shù)據(jù)可視化頁面如圖8所示。

圖8 數(shù)據(jù)可視化頁面

在數(shù)據(jù)可視化頁面，當水位數(shù)據(jù)超過安全閾值時會通過彈窗進行報警來提示工作人員。在本頁面中設置一個判斷語句，如果y軸中的數(shù)據(jù)超過指定安全閾值，使用window.open（）函數(shù)彈出一個含有報警信息的彈窗。超出安全閾值時報警頁面[9-10]如圖9所示。

圖9 水位報警頁面

3 結(jié) 語

本文的系統(tǒng)能夠有效實時地對水位數(shù)據(jù)進行監(jiān)測，可以省去高額的人工成本，并加快水位信息的傳輸速度；水文系統(tǒng)的工作人員不用在各個地方手工統(tǒng)計水位信息，只需在上位機端通過網(wǎng)頁訪問進行水位信息統(tǒng)計，也可以訪問歷史水位信息，必要時可以去監(jiān)測點觀測顯示屏來查看水位信息；且當水位超出安全閾值時系統(tǒng)會自動報警，可以有效地減輕水位監(jiān)測工作人員的負擔。但系統(tǒng)硬件設備長時間安裝在潮濕環(huán)境中，會加快硬件設備的損耗，這是后續(xù)研究中需要改善的地方。