伯冰洋

（中央民族大学 理学院，北京 100081）

0 引 言

受全球气候变化的影响，我国极端降水事件的强度和频率不断增加，大雨和暴雨量呈现显著上升趋势。2021年，郑州特大暴雨洪涝灾害造成了巨大的人员和财产损失，这些极端事件给社会生产和人民生活带来了严重影响，受到全社会的广泛关注。如何及时预测洪涝灾害，使得群众能够提前规避危险，成了亟待解决的问题。

洪涝灾害预防过程中需要解决的典型问题有：防御堤防溃缺、道路积水、低洼受涝、房屋倒塌、地下空间进水。首先需要对水量、水位进行实时监测；其次要结合对城市排水系统的分析，综合调度和管控道路交通；同时相关部门应基于降雨信息、管网系统运行情况提前做出响应。在此过程中最重要的是搭建水位监测系统，及时准确地掌握水情才能把握受灾地区的安全情况，让人员和物资得到更合理的调配，提高对极端降水天气的应对能力。

目前，对水情的监测和相关预警有多种方法，以卫星遥感监测技术为例，它具有覆盖面积广、周期短且时效强的优点，主要运用模型和遥感等技术进行分析，但会受到复杂天气条件和时效性的影响。现有的防汛监测是通过检测终端、水位计、工业相机组合以及云台麦克风等设备实现的，以图像资源分析水情，存在设备昂贵、架设条件高等问题；同时相关洪涝模型研究、调用降雨情景库、运用仿真辅助等预警技术，存在着地形多变、模型数据不足的问题。而本文搭建的水位监测系统拥有着多时空、多地点以及实现水位实时检测和预警的应用特点。

嵌入式系统是当前的热门概念之一，无论是在工业控制、交通管理、信息家电、安防，还是手持设备领域，都有着非常广泛的应用。本文开发了基于物联网的ARM嵌入式系统，设计了一个低成本的水位监测和预警装置，用以准确掌握复杂城市管网遭遇暴雨时各点的水情。此系统以STM32F103ZET6芯片为核心控制器，通过WiFi无线模块实现无线通信功能；结合硬件系统、数据通信、服务器和客户端，实现水位计监测、物联网通信、水位远程监控和预警等功能。此系统具有简洁、易操作的特点；同时ARM本身在性能、功耗、代码密度、价格等诸多方面都具有优势。

1 应用需求分析

本文搭建的基于物联网的ARM嵌入式水位监测系统，具有低成本、高可靠性、易于改进的优点，能够做到实时监测、自动处理数据、自动预警。一方面，该系统能够准确地检测各点水情并设定自动预警，并且得益于嵌入式的优点，水位监测点的扩展更为方便简洁；另一方面，水位的实时监测数据也可以用于其他的如模型构建等应用。另外，基于物联网和ARM的嵌入式系统有助于各种水位监测和处理系统间的互联和升级。

综上分析，系统应具备以下几项功能：根据水位信息的变化判定降水强度；根据排水系统的水位信息和降水信息处理分析，判断是否预警；根据单点水位信息，判断区域安全情况；提供实时数据变化情况，辅助防洪对策的制定。以上需求主要由通信模块和采集控制模块结合实现，具体情况如下：

（1）处理中心：包含STM32F103ZET6芯片和WiFi模块。

（2）标准数据库：包含多点水位的允许值。

（3）实时数据库：包含当前多个水位的实际数据。

（4）水位：第处水位由第个液位传感器检测。

（5）用户数据端：采用一个数据库进行实时数据储存和管理。

（6）屏幕：展示某一反应水池用水信息的数据和可视化监视工作进度。

为使硬件电路实现数据传输和数据处理功能，本文设计了数据传输单元、控制单元、电源模块、设备调试模块这四个单元。本文通过WiFi透传模块实现设备间的数据传输；通过FLASH和EPROM实现数据处理过程中的闪存、读写和擦除；通过ISP（Image Signal Processor）下载拷入的代码和WiFi传输的数据包，使得STM32按其代码流程对数据包进行处理、分析和执行；通过BOOT的设置来控制整个嵌入式硬件芯片的启动；通过设置复位模块应对实际生产和仿真中可能出现的问题，用以对整个硬件部分进行重启；通过电源电路USB 5V供电构成电源模块；在源代码通过数据传输模块进入控制模块后，需要先进行仿真测试，通过设置串口模块对数据进行在线调试，并判断其是否可以正常运行。

2 模块框架与功能实现

2.1 主控模块

主控模块主要是由STM32F103ZET6和ARM处理器构 成，还 包 含IS、USB、GPIO、UART、JTAG、Timer、ADC/DAC、FLASH、SDRAM。外接5 V电源、WiFi模块、复位电路、输入和输出电路。具体结构如图1所示。

图1 主控模块框架

2.1.1 芯片的选型

主控模块选用的芯片是基于ARM Cortex-M3处理器的集成主流型32位微控制器STM32F103ZET6芯片，优点是灵活、支持扩展的MCU，支持与其他外部电路连接，易于实现联网；另外三种供电方案对应的三种模式使其具有低功耗的特点。

2.1.2 电源电路

对于整个硬件系统，由于芯片内部供电电压不同，外接电路也需要满足各自的电压要求，所以本文需要设计一个使不同模块传递信号的电源电路。将5 V直流电压经过滤波电路，通过LM7805三段线性稳压器稳定输出电压。LM7805的VCC和OUT端口外界电路均为滤波电路。滤波电容一般取值为0.1～10 μF，其取值与电路中负载电流以及杂波频率有关。

2.1.3 启动电路

启动过程中，如果STM32中代码已被拷入程序，则重启芯片，BOOT引脚值在上升沿被封存。用户可以通过BOOT引脚状态来选择启动模式。对应到STM32中有三种启动方式，见表1所列。其中，ISP模块下载数据就是将其烧录到系统存储器这个模块。系统存储器是STM32出厂时被预置的一段BootLoader，不可更改；用户闪存存储器是STM32的内置存储器，JTAG模块下载时就是将数据拷入这个存储器；SRAM启动的是内置SRAM，不具备程序存储能力，一般用于程序调试。

表1 启动模式

2.1.4 复位电路

复位模块功能分为上电自复位功能和上电按钮复位功能，用于将电路当前状态恢复至原始状态。它决定电路系统是否能正常工作。

2.1.5 JTAG接口调试

JTAG接口主要用于实现芯片测试、调试、配置、下载等功能。本文通过JTAG接口对各个寄存器的变化和程序运行情况进行在线调试。

2.2 WiFi传输模块

WiFi传输模块具有成本低廉、传输速率快、覆盖范围广、传输容量大、技术成熟、布设方便等优点，还具有低功耗的优良性能。

本文运用WiFi通信协议，实现通过无线网络进行数据传输的目的。采用的ESP8266串口通信模块，其高度集成，所占空间资源和能耗均较低，只须通过编程串口就可以实现WiFi透传，具有UART、GPIO、IC、IS接口，可以与外部设备进行数据通信。

正常工作状态下，数据采集端采集由各个传感器产生的数据，经由对应的WiFi节点传入通信服务终端汇总，最后在PC上呈现具体数据并对其进行分析。具体工作流程如图2所示。

图2 传输模块工作流程

2.3 数据采集模块

选取HDL300型液位变送器用于产生水位数据，其装置如图3所示。基于所测液位静压与液体高度成正比的特性，将压力转化为电信号，即转化为标准的电流、电压的输出以及RS 485信号的输出，具有良好的稳定性和可靠性。

图3 HDL300型液位变送器

系统基于HDL300型液位变送器，利用扩散硅压阻效应，将压力转换为电信号；经过温度补偿和线性校准，将其转化为标准电流输出，接入主控模块。以0～1 m液体深度、4～20 mA电流输出为例，HDL300水深与输出电流的关系如图4所示。

图4 HDL300水深与输出电流的关系

数据的处理上传基于WiFi模块和STM32F103ZET6芯片。数据采集工作需要在系统上电的情况下完成，等待WiFi模块初始化并成功与上级节点建立通信，再开始数据模块的正常运行。通过获取来自通信模块的指令，采集数据并上传，同时保持通信实时更新指令。其正常工作流程如图5所示。

图5 数据模块工作流程

3 实验验证

3.1 实验设计

在某河流设置了四个液位采集点，连续采集1 h的数据，同步呈现在监测界面上，验证多点采集协同监测的可行性。

3.2 实验现象和结论

无线液位监测界面示意图如图6所示。通过实验可得到以下结论：

图6 无线液位监测界面

（1）节点对应区域信息：系统能够以地图坐标形式显示节点的具体位置。

（2）节点水量信息：监测界面能够直观简洁地展示当前各监测节点的液位信息。

（3）水位动态信息：监测界面能够直观展示各节点的水位变化趋势。

（4）水位预警信息：系统能够根据所设定预警水位线实时判定水位风险。

（5）水情对比情况：系统能够按照周、月、季度对比同期节点水位，提高预警能力。

4 结 语

随着我国极端降水事件的增加，复杂地形环境中时常会有多点水位难以实时监测的问题，从而引发经济损失，且威胁人身安全。本文依托ARM嵌入式设计，构建了水位监测预警系统。此系统以STM32F103ZET6芯片为核心控制器，附带WiFi无线模块实现无线通信功能；结合硬件、数据通信、服务器和客户端完成了水位计本体和物联网通信、水位远程监控预警等功能。通过对多点水位的实时监测和呈现，能够准确、有效、实时地提供相应地点的水位预警服务；同时，在紧急情况下能够帮助管理者制定洪涝应急对策，对洪涝灾害进行辅助预测，为救灾资源的调配提供决策支持。