CN103103931A - 一种桥涵低洼处的水位检测报警装置 - Google Patents

一种桥涵低洼处的水位检测报警装置 Download PDF

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王晓琴
马汇海
李明勇
郑恩让
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Abstract

一种桥涵低洼处的水位检测报警装置，包括有水位传感器，水位传感器的输出端与电流电压转换器相连，电流电压转换器与主控制器MPU3的输入端相连，主控制器MPU的输出端与水泵驱动器相连，水泵驱动器与水泵相连，主控制器MPU还与以太网传输模块相连，主控制器MPU通过电源输入接口与电源相连，主控制器MPU还与报警装置相连，以太网传输模块与服务器相连，水位信号经水位传感器采集、电流电压转换、模数转换后进入主控制器MPU，据实际水位和预设值决定是否报警、是否启动水泵，主控制器MPU把数据输送到以太网传输模块，通过互联网把水位信息、输出信息、报警信息发到市政部门，本装置可在雨量较小时及时减少积水，在雨量较大时报警请求支援，及时解决积水问题。

Description

一种桥涵低洼处的水位检测报警装置
技术领域
本发明属于公路积水检测报警技术领域，具体涉及一种桥涵低洼处的水位检测报警装置，可用于城乡各种公路立交桥、公铁立交桥底部等低洼地方积水检测，以防止出现因特大降雨引起的桥下积水无法检测，减轻积水对影响交通，保障国家、集体和个人的生命财产安全。
背景技术
近年来国内大暴雨、特大暴雨频频出现，导致许多地方出现城市内涝，不仅严重影响了交通，甚至出现了积水致人死亡的悲惨事件。由于城市路面设计施工时路面以下的排水管道容量已经规划并且安装完毕，所以想要通过彻底修整道路、重新全面改造排水系统来解决暴雨中城市道路的排水问题几乎是不可能的。
解决的办法之一就是在现有的道路尤其是立交桥下等低洼处、易积水处安装积水报警装置。该装置通过水位传感器采集道路积水情况，若水位高于警戒水位，则接通就地水泵开始排水。同时本装置将利用互联网技术向服务器发送数据和报警信息，通知市政人员支援，及时解决路积水问题。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种桥涵低洼处的水位检测报警装置，通过水位传感器采集道路的积水深度，水位信号传递给中央处理器MPU，MPU经过运算判断积水情况并进行相应的处理，实现对采集到水位信息实时处理，并将水位信息以1次/S的频率通过以太网发回服务器，严重时可紧急开启水泵抽水，缓解积水情况。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种桥涵低洼处的水位检测报警装置，包括有水位传感器，水位传感器的输出端与电流电压转换器相连，电流电压转换器与主控制器MPU的输入端相连，主控制器MPU的输出端与水泵驱动器相连，水泵驱动器与水泵相连，主控制器MPU还与以太网传输模块相连，主控制器MPU通过电源输入接口与电源相连，主控制器MPU还与报警装置相连，以太网传输模块与服务器相连。
所述水位传感器用于采集水位并转换为4-20mA电流信号输出。
所述电流电压转换器用于将水位传感器采集到的4-20mA电流信号转换成0-5V电压信号输出。
所述主控制器MPU的模数转换器用于将电流电压转换装置输出的0-5V电压信号转换成数字信号。
所述的主控制器MPU用于接收表征水位的0-5V电压信号、对数据进行运算、根据输入量和预设值决定输出控制并将相关信息输出到以太网控制传输模块。
所述的以太网传输模块用于传输经MPU处理后的水位信息、报警信息至服务器中。
所述的水泵驱动器用于增加输出信号的驱动能力。
所述的电源用于为系统提供电力。
所述主控制器MPU采用ARM处理器STM32F107。
本发明的有益效果是：
与现有技术相比，本发明能够及时检测立交桥下的积水水位变化情况，及时报警或开启现场水泵抽水。本装置能够通过互联网将水位值远程传递到市政管理部门。积水超过警戒水位时，提示市政人员及时增援。
本发明的水位传感器为电流输出型CBM－2100型静压式液位变送器，测量精度为1cm；主控制器MPU采用ARM处理器STM32F107，是一款低功耗处理器芯片，实现对采集到水位信息实时处理，并将水位信息以1次/S的频率通过以太网发回服务器，严重时可紧急开启水泵抽水，缓解积水情况。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明水位传感器的安装结构图。
图3为本发明电流电压转换器的电路图。
图4为本发明以太网传输模块与主控制器MPU3的电路连接图。
图5为本发明水泵驱动器的电路连接图。
图6为本发明主控制器MPU的电路连接图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作进一步详细说明。
 
参见图1，一种桥涵低洼处的水位检测报警装置，包括有水位传感器1，水位传感器1的输出端与电流电压转换器2相连，电流电压转换器2与主控制器MPU3的输入端相连，主控制器MPU3的输出端与水泵驱动器4相连，水泵驱动器4与水泵5相连，主控制器MPU3还与以太网传输模块7相连，主控制器MPU3通过电源输入接口与电源6相连，主控制器MPU还与报警装置相连，以太网传输模块7与服务器相连。
所述水位传感器1用于采集水位并转换为4-20mA电流信号输出。
所述电流电压转换器2用于将水位传感器采集到的4-20mA电流信号转换成0-5V电压信号输出。
所述主控制器MPU3内的模数转换器用于将电流电压转换装置输出的0-5V电压信号转换成数字信号。
所述的主控制器MPU3用于接收表征水位的0-5V电压信号、对数据进行运算、根据输入量和预设值决定输出控制并将相关信息输出到以太网控制传输模块。
所述的以太网传输模块7用于传输经主控制器MPU3处理后的水位信息、报警信息至服务器中。
所述的水泵驱动器4用于增加输出信号的驱动能力。
所述的电源6用于为系统提供电力。
所述主控制器MPU3采用ARM处理器STM32F107。
参见图2，水位取压部分由一段S型导管的杂物沉淀机构和水位传感器组成。S型导管前端与立交桥墩立面平齐，水平位置略高于地面，是液位检测的取压点。S型导管的作用是将雨水中可能含有混合的石子、垃圾等杂物沉淀在S型导管的底部，防止取压点堵塞。雨水经过S型导管到达液位变送器的取压探头，其压力与地面水压基本一致。压力式液位变送器的主体安装立交桥墩立面3m处，减少了型车辆经过时发生剐蹭的可能性。这样的结构既能够保证采集的水位信息可靠性，由克服了直接测量时现场中的沙石、落叶等对水位的干扰，避免了虚假水位的产生；还可以在每年雨季到来前将杂物沉淀设备卸下除渣与清洗，保证雨季时测量的可靠性。清洗后的杂物沉淀机构可供下一年度可重复使用。
水位传感器1采集现场积水的水压信息，液位变送器可将水压信息转换为4~20mA电流信号，反映积水的水位信息。使用电流电压转换器2的电路将电流信号转换为电压信号，用主控制器MPU3内部自带的模数转换器将模拟的电压信号转换成数字信号。STM32F107内部自带16通道的12位模数转换器，精度能够满足系统的要求。
参见图3，液位变送器输出的现场积水信息从图3中的信号输入端子输入，经过R2将4~20mA的电流信  号转换为1~5V的电压信号，并联一个电容C1滤波，再并联二极管D1和D2进行输入限幅。R2为4~20mA电流采样电阻，其阻值大小会影响水位传感器供电电压，阻值越大电压损耗越明显。考虑到水位传感器的应用于远距离传输的环境，故选择R2的阻值为250Ω，这样既能够满足采样精度要求电压损耗也比较小，满足使用要求。水位传感器输出的4~20mA在R2两侧将1~5V的电压信号。调整R3、R4、R7三个电阻的阻值，可以使运算放大器U1A反相输入端产生1V的电压，与R2两侧的1~5V电压下降到0~4V，并送给运算放大器U1A。运算放大器U1A将0~4V的电压信号线性放大为0~5V电压，然后输出。
D1、D2和滤波电容C1组成抗干扰电路，防止远距离传输引入的干扰电压，通过二极管的钳位作用，当输入负电压超过-0.7V时D2导通，通过D2二极管与地相连，将输入电压钳位在-0.7V左右，当输入正电压超过7V时D1导通，通过D1的钳位作用将输入电压限制在6.7V左右，防止输入过大损坏放大器。R10和R11组成分压电路，将电流电压转换电路转换成的0~5V的水位信号转换成0~3.3V的ARM控制器所能识别的I/O口电压。
所述主控制器MPU完成信号的输入、输出控制以及数据运算，主控制器MPU采用低功耗、Cortex-M3内核的ARM处理器STM32F107，附图6为主控制器MPU的信号输入输出连接图。包括模拟信号数据输入通道（PA0）、以太网控制线（PA1、PA2、PB11、PB12、PB13、PC1、PC5、PD8、PD9、PD10）、JLINK程序调试口（PA13、PA14、PA15、PB3、PB4）、驱动控制线（PD0）等；此外该主控制器MPU还包括振荡电路和复位电路，振荡电路由25MHz晶振和两个20pF电容连接组成。复位电路设计成可手动复位和上电复位，当系统上电时，对电容C2充电，电容C2相当于短路，为复位引脚提供一个10~50ms左右的低电平使芯片复位，按键S1可以实现手动复位，二极管D3的作用是当电源掉电时，电容C2上的电荷通过电阻R12快速放电，保证系统再次上电时的正常复位。
参见图4，图4为本发明以太网传输模块与主控制器MPU3的电路连接图。所述的以太网传输模块用于将水位传感器采集回的水位信息通过互联网发送回服务器，方便存档、控制。STM32F107内部自带一个10M/100M的以太网MAC，PHY芯片使用DM9161，DM9161的TXD1通过一个33Ω的电阻连接到主控制器MPU的PB13管脚，TXD0通过一个33Ω的电阻连接到主控制器MPU的PB12管脚，TX_EN通过一个33Ω的电阻连接到主控制器MPU的PB11管脚，RXD1、RXD0、RX_DV分别通过一个33Ω的电阻分别连接到主控制器MPU的PD10、PD9PD8管脚，MDC连接到主控制器MPU的PC1管脚，MDIO连接到主控制器MPU的PA2管脚，MDINTR连接到主控器的PC5管脚，REF_CLK连接到主控制器的PA1管脚。通过主控制器MPU的STM32F107对DM9161的编程控制，实现基于TCP/IP协议的以太网通信。
参见图5，所述的驱动电路为处理器控制水泵抽水的驱动电路，使用一个继电器完成控制水泵抽水的动作，当采集到现场的水位信号大于预设值时，控制信号控制水泵自动开启，将积水抽走。通过以太网还可以人为的在水泵开启时远程控制水泵关闭，以及在采集到现场水位没到预设值时远程开启水泵抽水的控制，控制电路如附图5所示。
水位传感器用于采集水位并转换标准电流信号给电流电压转换器，电流电压转换器将电流信号转换成电压信号输出给主控制器MPU的模数转换器，模数转换器负责将连续的模拟信号转换成计算机所需数字信号，主控制器MPU接收水位信号后对数据进行运算、根据输入量和预设值决定是否报警，是否启动水泵并将相关信息输出到以太网控制传输模块，以太网传输模块用于传输经MPU处理后的水位信息、报警信息至服务器中，水泵驱动器用于增加输出信号的驱动能力。

Claims (3)

1.一种桥涵低洼处的水位检测报警装置，包括有水位传感器（1），水位传感器（1）的输出端与电流电压转换器（2）相连，电流电压转换器（2）与主控制器MPU（3）的输入端相连，主控制器MPU（3）的输出端与水泵驱动器（4）相连，水泵驱动器（4）与水泵（5）相连，主控制器MPU（3）还与以太网传输模块（7）相连，主控制器MPU（3）通过电源输入接口与电源（6）相连，主控制器MPU还与报警装置相连，以太网传输模块（7）与服务器相连。
2.根据权利要求1所述的一种桥涵低洼处的水位检测报警装置，其特征在于，所述的主控制器MPU（3）采用ARM处理器。
3.根据权利要求1所述的一种桥涵低洼处的水位检测报警装置，其特征在于，所述水泵驱动器（4）由继电器和三极管组成。
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