张 兵，房红兵，刘 军

(1.南京理工大学 电光学院，江苏 南京 210094；2.江苏财经职业技术学院，江苏 淮安 223001)

随着全球变暖的加剧，各地暴雨频发，如2021年6月15新疆和田地区一天的降雨量就达到了当地年平均降雨量的2倍。暴雨导致城市积水严重，尤其道路、立交桥、隧道等地方是重灾区，有必要设计一套道路积水监测系统来消除安全隐患。目前，我国很多城市对积水的监测主要采用人工方式，反应滞后，智能性差，不利于对数据的分析与管理。为此，结合我国大部分城市的道路，隧道、立交桥等场合的水情监测现状，设计了本系统。该系统基于STC12C5A60S2对水文传感器的终端进行设计，STC12C5A60S2单片机具有高速、低功耗的特点，内部自带瞬间擦除、改写等功能，开发简单，写入单片机的程序可修改，可以连续不间断工作。

1 系统设计的整体方案

道路监测系统的终端彼此之间不进行数据交换，保持装置相互独立。每个终端通过GPRS把采集的数据传到数据中心站，中心站负责数据的处理，当某个终端上传的数据超过设定值，终端LED显示器上会收到中心站下发的指令，提醒行人注意积水情况。中心站会保存数据，供后续的数据分析与管理，系统总体结构，如图1所示。

图1 系统的总体结构

2 终端采集设备选型

本次选用非接触式传感器为终端器件，该传感器在高危监控区域依然能可靠工作，能对水文数据进行误差率极低的测量；选用受环境干扰较小的激光传感器为雨量、水位测量装置，把探头设置在测量介质的上端，外部配有套管保护，防止外界腐蚀。

为了提高测量准确度，选用上、下截面积之比为10∶1的雨量测量装置，即测量高度值为雨量的10倍。

由于本系统所监测的流体中附着有数量不定的固体颗粒物或气泡等物质，本设计采用多普勒效应法，基于信号频差，根据流速估算得出流量。

若波束为C，与测量介质运动方向成θ角，固体颗粒物运介质动速度均为u。假设在管轴线的位置上，波束与颗粒物相遇，则认为该颗粒物的偏离速度为ucosα，与发射时相比颗粒物接收到的超声波频率产生差值：

(1)

最终流量qv可写为：

(2)

A为管道截面积，Δf为多普勒频移，α为波束与管轴线夹角。

2.1 终端电路的硬件设计

本次选用宏晶STC12C5A60S2，外围电路有电源电路、存储电路、时钟电路、显示电路、数据调理电路、GPRS远程传输电路。考虑到道路积水水情监测通常缺乏交流供电，本设计采用太阳能板为采集终端供电，以确保现场终端的正常运行；终端所采集的水情数据可通过GPRS模块与互联网连接而转发至监控中心计算机，用户也能够使用遥控器控制屏幕显示历史存储数据，同时终端具有进一步扩充新的采集器件的能力。

2.2 主控单元电路

在道路积水现场监测终端中，需选用耗能低、可靠性高的高速主控处理器芯片。STC12C5A60S2芯片内部集成了MAX810，2路PWM，8路AD转换(250KB/s)。STC12C5A60S2的I/O口有4种工作模式，部RC振荡器频率区间为[11 MHZ，17 MHZ]，可倍频，但易出现误差。若对时钟的精度要求较高，则可以外接晶振，本次设计外接11.0605MHZ晶振。考虑到终端通过12MHZ晶振获取稳定的时钟频率，所以采用了外接阻容复位。

2.3 时钟电路

2.4 无线接收电路等其他外围电路

采集终端可以按顺序存储100条现场数据，受限于显示屏幕的大小，设计采用以编解码集成电路配合发射/接收模块的模式以支持翻页查看。

本次遥控通信芯片选用PT2262/PT2272其中超再生接收电路PC-RH5A，可方便地利用中间引脚与解码电路相连，实现定制开发。超再生接收电路PC-RH5A实质上可以视为一种开发组件，二次开发灵活便捷。

选用JLX12864G-378型液晶模块，其配置有中、英文及数字字库，具有图形功能，可根据需要使用指令自编完成多种输入组合。

如果将每年的降水天数合计以160d计，降水时每隔20min一次存储数据，则单月存储量约等于7.7K字节，且每月依次覆盖之前记录。因此，设计选用串行I2C AT24C02。

3 电源电路设计

考虑到终端控制级有时会用在缺乏交流电源供电的环境中，系统配置了太阳能供电单元。一般情况，蓄电池的放电深度不超过82%，同时为保证在日光线较足的8h内完成电池的电量补充，同时兼顾到如产品体积、性价比等条件，设计选用15W，17V/1A的光伏板，配合12V/24Ah铅酸蓄电池。

监测终端主控单元及其外围设备的工作电压取值为5V、3.3V和3.6V，电压转换模块选择7805三端稳压集成IC与LM317。

本设计引入TPS78601进行电压调节，以确保GPRS模块的网络连接状态，同时，提高了模块的工作寿命。

为了使得系统功能能够按需扩展，监测终端配置了应用广泛的RS485接口电路，其单链路负载站点多，通信速率高、距离远，组网性能极佳。

本次采用RS485电平转换芯片MAX3485。MAX3485与主控单元的读、写操作引脚互联，主控单元可用单个引脚实现对/RE、DE的复合控制。A、B端口线上及线间接电阻能够防止芯片损坏、减少信号放射。

4 GPRS通信模块及现场控制级软件设计

本设计以GPRS/GSM网络作为采集终端与Internet网络之间可靠的中间媒介，将水情数据发送至监控中心站计算机。目前，各个国家生产的GPRS 模块用法相似，功能相近，以标准AT 指令为主。在兼顾考虑了产品价格、售后服务等多方面因素后，本设计选用了骏晔科技的GPRS 模块 GM3。

基于硬件架构与实际使用需求，现场控制终端以模块化设计思想，完成C程序的编制工作。

流程包括：水情参数采集程序、超限报警程序、GPRS通信程序分别设置为定时器中断程序、外部中断、串口中断子程序。其中，由于监测终端可以显示系统时间，时钟不间断运行，所以定时器中断常开。监控中心计算机有随时调用现场数据的功能，所以串口终端常开。

终端传感器的输出信号，经A/D转换后进入STC外部中断口，继而触发中断信号，该信号经主控芯片识别后，进行分析与处理操作。

5 结束语

基于STC12C5A60S2道路监测系统经多次现场调试、优化，具备了如下特征：①采用太阳能直流供电方式；②终端有LED显示屏，能实时发出警示信息；③水位测量精度高达1cm；④系统数据运行畅通不堵塞，已到达预期设计要求。通过比较终端采集数值与实际测量数值，验证了该监测系统能够与我国市政、交通的实际需求情况相匹配，为市民出行提供参考，为城市防洪提供技术保障。