尹月彤　胡宏偉　劉維富　尹浩　孫儀

關(guān)鍵詞：ZigBee技術(shù)；積水深度；上位機(jī)軟件

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2023）12-0026-03

0 引言

現(xiàn)代城市交通網(wǎng)絡(luò)日趨密集，下穿式立交作為一種傳統(tǒng)的跨越形式隨處可見(jiàn)。因下穿式立交的橋洞低于路面，遇到暴雨天氣時(shí)積水的概率增大，產(chǎn)生巨大的安全隱患。在2019年8月的沈陽(yáng)特大暴雨中，西塔橋下嚴(yán)重積水，造成駕駛員溺亡。在2020年6月的沈陽(yáng)暴雨中，仍然有多處下穿式立交橋嚴(yán)重積水。而目前為提示人員、車(chē)輛誤入下穿式立交橋深水路段的方案有水位標(biāo)尺，遠(yuǎn)程路況監(jiān)控等。存在較為明顯的缺點(diǎn)：1） 水位標(biāo)尺不夠直觀，駕駛員在駕駛過(guò)程中很難快速準(zhǔn)確識(shí)別水位是否危險(xiǎn)，尤其在夜間更是無(wú)法看清刻度；2） 僅能提示當(dāng)前的積水深度，而依據(jù)當(dāng)前的積水深度數(shù)據(jù)，過(guò)往的行人和車(chē)輛往往不能對(duì)下一步路徑選擇作出充分的判斷。本文針對(duì)立交下積水深度信息溝通不暢的情況，研究構(gòu)建基于ZigBee技術(shù)的下穿式積水深度提示系統(tǒng)，系統(tǒng)具有橋下積水的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和水位信息預(yù)測(cè)功能[1]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

超聲液位傳感器節(jié)點(diǎn)以CC2530芯片為核心，分布在下穿式立交橋頂部，組建覆蓋立交橋下區(qū)域的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)將傳感器節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)經(jīng)互聯(lián)網(wǎng)傳送至監(jiān)控中心軟件，數(shù)據(jù)通過(guò)監(jiān)控中心軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)積水水位的監(jiān)測(cè)，同時(shí)利用積水深度預(yù)測(cè)模型對(duì)積水深度進(jìn)行預(yù)測(cè)[2]。當(dāng)橋下短時(shí)間內(nèi)可能出現(xiàn)積水或已經(jīng)出現(xiàn)積水時(shí)，系統(tǒng)將提示并通知用戶(hù)注意通行安全，用戶(hù)通過(guò)終端設(shè)備安裝的App軟件接收并查看橋下相關(guān)水位深度信息。系統(tǒng)工作示意圖如圖1所示。

為了進(jìn)行實(shí)時(shí)水位監(jiān)測(cè)，由分布在下穿式立交橋頂部的超聲液位傳感器采集的實(shí)時(shí)水位信息，匯集到ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，經(jīng)由互聯(lián)網(wǎng)或者移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)傳至監(jiān)控中心軟件，系統(tǒng)會(huì)對(duì)上傳的數(shù)據(jù)自行進(jìn)行檢測(cè)比對(duì)，判斷當(dāng)前水位所處的積水深度級(jí)別，警示信息將在立交橋入口路情信息提示屏上顯示，同時(shí)該信息會(huì)一并顯示在監(jiān)控中心軟件和用戶(hù)終端App。為了提供積水預(yù)測(cè)信息，在實(shí)時(shí)獲取的積水深度信息基礎(chǔ)上，監(jiān)控中心軟件中輸入積水速度、排水速度和不同等級(jí)積水深度閾值，依據(jù)積水深度預(yù)測(cè)模型，計(jì)算橋下積水深度到達(dá)不同積水深度閾值的時(shí)間，水位預(yù)測(cè)信息將同時(shí)在監(jiān)控中心軟件和用戶(hù)終端App上顯示，從而為過(guò)往的車(chē)輛和行人提供路徑選擇的依據(jù)[3]，系統(tǒng)工作原理如圖2所示。

2 系統(tǒng)硬件仿真設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件利用《京勝世紀(jì)物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)》進(jìn)行搭建，效果如圖3所示。圖中利用協(xié)調(diào)器、路由器模擬真實(shí)節(jié)點(diǎn)，組建星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)ZigBee網(wǎng)絡(luò)；通過(guò)在路由器節(jié)點(diǎn)搭載超聲液位傳感器和液位模擬器模擬各節(jié)點(diǎn)水位深度數(shù)據(jù)采集；各節(jié)點(diǎn)將采集到的水位深度數(shù)據(jù)匯聚到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過(guò)串口與網(wǎng)關(guān)相連接；監(jiān)控中心軟件和用戶(hù)終端App將通過(guò)訪問(wèn)網(wǎng)關(guān)獲取ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳遞的數(shù)據(jù)[4]。

ZigBee設(shè)備按照協(xié)議規(guī)定的格式，通過(guò)網(wǎng)關(guān)與上層應(yīng)用進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互。控制命令數(shù)據(jù)格式為A5BB CC DD DD DD DD DD 5A，由協(xié)調(diào)器廣播給各節(jié)點(diǎn)；各節(jié)點(diǎn)通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳遞監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，格式為B5BB CC DD DD DD DD DD 5B；其中A5或者B5是節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包頭，5A或者5B是數(shù)據(jù)包尾；BB為指定WSN設(shè)備類(lèi)型（協(xié)調(diào)器為00） ；CC為指定WSN設(shè)備類(lèi)型的地址；5位DD代表長(zhǎng)度為5的數(shù)據(jù)位。

網(wǎng)關(guān)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)信息與應(yīng)用軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，通過(guò)串口與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)交互數(shù)據(jù)，如圖4所示，網(wǎng)關(guān)分別通過(guò)不同接口傳遞數(shù)據(jù)包。網(wǎng)關(guān)從應(yīng)用軟件接收ping指令（A5 00 00 FF FF FF FF FF 5A） ，并且轉(zhuǎn)發(fā)；然后從串口接收到終點(diǎn)節(jié)點(diǎn)的采集數(shù)據(jù)信息，例如B549 01 00 00 00 0A FF 5B，其中49表示設(shè)備類(lèi)型，即超聲波液位傳感器；01表示地址，即設(shè)備地址；00 00 000A FF表示長(zhǎng)度為5的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)位0、1、2、3的數(shù)值為0A代表液位數(shù)據(jù)，即水位為10mm，數(shù)據(jù)位4固定為0xFF。在本文中假設(shè)立交橋下布置了5個(gè)超聲液位傳感器節(jié)點(diǎn)用于積水深度信息的獲取。

3 系統(tǒng)上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件具有實(shí)時(shí)積水深度監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)的功能；積水深度監(jiān)測(cè)功能通過(guò)解析傳感網(wǎng)采集的下穿式立交橋下的積水深度數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)；為了實(shí)現(xiàn)積水深度預(yù)測(cè)功能，設(shè)計(jì)了積水預(yù)測(cè)模型，結(jié)合實(shí)時(shí)積水深度和降雨信息預(yù)測(cè)積水水位的變化[5]。上位機(jī)的人機(jī)交互界面基于C#語(yǔ)言設(shè)計(jì)，軟件設(shè)計(jì)要考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性，安全性和可靠性，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)操作能力，用戶(hù)界面的友好性。

3.2 上位機(jī)軟件功能模塊

上位機(jī)軟件有監(jiān)控中心軟件和終端App兩種形式。監(jiān)控中心軟件具有傳感網(wǎng)絡(luò)連接、降雨信息輸入、積水深度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和積水深度預(yù)測(cè)等功能，由交通監(jiān)管部門(mén)的管理員操作使用。管理員通過(guò)輸入網(wǎng)關(guān)和端口號(hào)可以連接橋下積水監(jiān)測(cè)的傳感網(wǎng)絡(luò)，獲取實(shí)時(shí)積水深度信息[6]；結(jié)合該信息，同時(shí)輸入降雨信息和積水等級(jí)閾值，管理員可以獲取積水深度預(yù)測(cè)信息。監(jiān)控中心管理軟件如圖5所示。

用戶(hù)終端App具有用戶(hù)登錄，獲取橋下實(shí)時(shí)積水深度信息與積水深度變化信息的功能，可以在手持終端設(shè)備上安裝，為橋下過(guò)往的行人和駕駛員提供路徑選擇的依據(jù)，終端App的使用界面如圖6所示。

4 總結(jié)

本文在對(duì)下穿式立交橋橋下積水且信息提示不到位的現(xiàn)狀和市場(chǎng)現(xiàn)有產(chǎn)品應(yīng)用進(jìn)行充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，結(jié)合過(guò)往行人和車(chē)輛的實(shí)際需求，基于ZigBee技術(shù)組建了覆蓋立交橋橋下通行區(qū)域的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了下穿式立交橋積水深度提示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，具有橋下積水深度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和積水深度變化的預(yù)測(cè)功能。系統(tǒng)經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)試可正常運(yùn)行，能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期功能，穩(wěn)定性和可靠性達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。上位機(jī)端軟件主體功能模塊均已設(shè)計(jì)完成，后續(xù)仍將對(duì)軟件的附加功能繼續(xù)完善，使其更符合用戶(hù)的需求。