CN106124001A - 基于物联网的交通路段水深信息共享系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于物联网的交通路段水深信息共享系统和方法。包括超声波发射设备、超声波接收设备、MCU、GSM通讯模块、GSM天线，MCU控制超声波发射设备向下发射一段超声波，在水面发生反射和折射，超声波接收设备接收到两次超声波，两次接收时间差即为超声波在水中的时传播时间，结合对应水中波速即可计算出水深。GSM通讯模块通过GSM天线将水深数据传递到后台数据库，民众通过网络登录数据库即可查询各交通路段的水深，为民众为出行提供更好的安全保障。

Description

基于物联网的交通路段水深信息共享系统和方法
技术领域
本发明涉及水自然灾害监测装置领域，特别是涉及一种基于物联网的交通路段水深信息共享系统和方法。
背景技术
近年来城市化是中国社会变迁的主旋律，根据现在的城市化速度，2030年后中国将有60%的人生活在城市里。城市化的快速推进过程中，出现了一些新的问题，其中比较严重的由于盲目的扩张城市功能，一些城市已经在挑战资源环境承载能力的物理极限。在国务院新闻办召开的第二次全国湿地资源调查成果发布会上，国家林业局副局长张永利说，近十年来受到基建占用威胁的湿地面积增加了10倍以上。湿地的急剧减少导致了一些城市失去蓄水功能，在降雨后水流会集中于街道导致交通水深快速上升。假若遇到厄尔尼诺的年份，较大的降水会导致一些城市遭受水灾，往往给居民带来的严重的生命财产损失。
一些交通道路特别是地势复杂多变的道路，在降水后路面被水遮盖，行人无法判定前方水深，盲目前行只会威胁生命安全。一般在降水后，交通管理部门会出动人员进行交通管制，在一些危险的路段设立警示牌。但是这种方法耗费大量人力，并且有效程度不高，由于误入深水导致事故的事件依然层出不穷。
所以亟需一种能够解决这一问题的设施或方法，不但能够监测各路段的水深情况，并且能够将水深信息实施传递给人们，让人们及时避免进入危险区域，保障人民生命财产安全。
发明内容
因此，本发明为了监测水深情况并将信息传递给人们，提供一种基于物联网的交通路段水深信息共享系统和方法，利用超声波能够精确的获得所监测位置的水深，并且依靠通讯网络将水深信息传递到人们使用的终端设备。
本发明提供一种基于物联网的交通路段水深信息共享系统和方法，硬件包括竖杆，外壳，PCB板，GSM通讯模块，GSM天线，MCU，高压脉冲发生器，A/D转换电路，网罩壳，引脚，绝缘固定层，压电晶片，锥形共振盘，阻抗匹配器，螺栓，电线；
所述竖杆安装在各交通路段的地势低洼处，所述外壳通过螺栓安装在竖杆顶端，所述PCB板安装在外壳内，所述GSM通讯模块，GSM天线，MCU，高压脉冲发生器，A/D转换电路均安装在PCB板上侧，PCB板下侧安装有超声波发射器和超声波接收器，两者结构较为相似，其中超生波发射器包括一个网罩壳、两个引脚、一件绝缘固定层、一个压电晶片、一个锥形共振盘，超声波接收器包括另外一个网罩壳、两个引脚、一件绝缘固定层、一个压电晶片、一个锥形共振盘和一件阻抗匹配器；所述高压脉冲发生器位于超声波发射器正上方，用于提供瞬时高压给超声波发射器；所述A/D转换电路位于超声波接收器正上方，用于将超声波接收器的电压信号转换为数字信号；所述GSM通讯模块通过结合GSM天线将获取的水深信息传递到后台数据库。
本发明的工作原理是：
MCU控制高压脉冲发生器发出高压脉冲到超声波发射器，高压脉冲通过引脚和电线到达压电晶片，压电晶片受到瞬时高压后产生振动，带动锥形共振盘同步振动，产生一段超声波；
超声波向下传播到水面后，发生反射和折射，其中反射光先传播到超声波接收器，另外的折射光在水底反射后，再次在水面发生折射，最后才被超声波接收器接收，因此超声波接收器会接收到两次超声波，两次的接收时间差，即为超声波在水下传播所用时间。因为超声波传播方向竖直向下，所以超声波从水面到水底的时间即为两次超声波接收时间差的一半。从而可以计算出水深。
交通管理部门建立交通路段水深数据库，GSM通讯模块通过GSM天线将水深数据传递到后台数据库，数据库对民众是开放查询的，所有民众可以通过网络对交通路段的水深情况进行查询，避免出行中发生意外。
本发明具有的有益效果是：
（1）充分利用交通路段的立杆或其它建筑物，形成监测点；（2）多个监测点数据实时采集，形成水深监测网络；（3）超声波具有集中度高，无噪音污染的优势；（4）利用GSM网络作为数据传播媒介，形成完整的物联网系统。
所以，这种基于物联网的交通水深信息共享系统和方法，能够有效的监测交通路段的水深状况，对于维护交通安全稳定和保障人们生命财产安全有重大意义。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，或者通过实施本发明而了解。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制。
图1是本发明的整体装配外观图。
图2是本发明的俯视角度的局部装配图。
图3是本发明的俯视角度的局部拆解图。
图4是本发明的仰视角度的局部装配图。
图5是本发明中PCB板与其它零件的装配示意图。
图6是本发明的超声波发射器和接收器的外观图。
图7是本发明的超声波发射器和接收器的内部结构图。
图8是本发明的超声波发射器的轴线剖面图。
图9是本发明的超声波接收器的轴线剖面图。
图中标号：1-竖杆，2-外壳，3-PCB板，4-GSM通讯模块，5-GSM天线，6-MCU，7-高压脉冲发生器，8-A/D转换电路，9-网罩壳，10-引脚，11-绝缘固定层，12-压电晶片，13-锥形共振盘，14-阻抗匹配器，15-螺栓，16-电线，17-超声波束。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明基于物联网的交通水深信息共享系统和方法作进一步的详细描述。
如图1-7所示，一种基于物联网的交通水深信息共享系统和方法，其硬件主要包括：硬件包括竖杆1，外壳2，PCB板3，GSM通讯模块4，GSM天线5，MCU6，高压脉冲发生器7，A/D转换电路8，网罩壳9，引脚10，绝缘固定层11，压电晶片12，锥形共振盘13，阻抗匹配器14，螺栓15，电线16；
所述竖杆1安装在各交通路段的地势低洼处，所述外壳2通过螺栓15安装在竖杆1顶端，也可以安装在其它可利用的建筑物上；所述PCB板3安装在外壳2内，所述GSM通讯模块4，GSM天线5，MCU6，高压脉冲发生器7，A/D转换电路8均安装在PCB板3上侧，PCB板3下侧安装有超声波发射器和超声波接收器，两者结构较为相似，其中超生波发射器包括一个网罩壳9、两个引脚10、一件绝缘固定层11、一个压电晶片12、一个锥形共振盘13，超声波接收器包括另外一个网罩壳9、两个引脚10、一件绝缘固定层11、一个压电晶片12、一个锥形共振盘13和一件阻抗匹配器14；所述高压脉冲发生器7位于超声波发射器正上方，用于提供瞬时高压给超声波发射器；所述A/D转换电路8位于超声波接收器正上方，用于将超声波接收器的电压信号转换为数字信号；所述GSM通讯模块4通过结合GSM天线5将获取的水深信息传递到后台数据库。
进一步讲，外壳2顶面开设小孔，将GSM天线5露出，小孔和GSM天线5之间设有密封圈，避免外界降水进入；外壳2底面开设两个孔，将超声波发射器和超声波接收器露出。
进一步讲，PCB板3是指印制电路板，上面印制有连接各元件的线路。
进一步讲，MCU6是指单片微型计算机，通过闭合相应管脚，利用微电流控制继电器开关的闭合，来控制高压脉冲发生器7的开启和停止。
进一步讲，网罩壳9的底面为网状，使得超声波能够顺利通过，减少衰减，并且保护内部的各零件。
进一步讲，绝缘固定层11的材料为环氧树脂，既能将引脚10和压电晶片12固定在网罩壳9上，同时有不会影响电流的传导。
进一步讲，压电晶片12的材料为陶瓷，当电压作用于压电晶片12时，压电晶片12就会随着电压和频率的变化产生机械变形；同时，当振动压电晶片12时，上面会相应产生电荷。
进一步讲，锥形共振盘13使得超声波得以沿盘子轴线方向，向外传播，同时能聚拢外界传来的超声波。
进一步讲，阻抗匹配器14仅安装在超声波接收器中，包裹在锥形共振盘13的周围，用来吸收传递来的所有超声波，使得超声波不会再沿原路径反射到波源，提升能源效益和精度。
进一步讲，如图8-9所示，在超声波发射器和超声波接收器中，网罩壳9内的元器件自上而下依次是引脚10、绝缘固定层11、压电晶片12、锥形共振盘13，引脚10上端伸出网罩壳9顶部，插进PCB板3中，引脚10中部被绝缘固定层11包裹，引脚10下端接有电线16，将引脚10和压电晶片12相连通；压电晶片12固定在绝缘固定层11的底部，锥形共振盘13开口向下，固定在压电晶片12底部；在超声波接收器中，锥形共振盘13外部还包裹有阻抗匹配器14。
超声波是一种频率高于20000赫兹的声波。它每秒的振动次数甚高，超出了人耳听觉的一般上限，这种听不见的声波叫做超声波，它和可闻声本质是一样的，都是一种机械振动模式，通常以纵波的方式在弹性介质内传播，是一种能量的传播形式。超声波的波长短，方向性好。
首先，MCU6控制高压脉冲发生器7发出高压脉冲到超声波发射器，高压脉冲通过引脚10和电线16到达压电晶片12，压电晶片12受到瞬时高压后产生振动，带动锥形共振盘13同步振动，产生一段超声波；
超声波向下传播到水面后，发生反射和折射，其中反射光先传播到超声波接收器，另外的折射光在水底反射后，再次在水面发生折射，最后才被超声波接收器接收，设水面直接反射的超声波的整个路径所用时间为T1，路过水下的超声波的整个路径所用时间为T2，T2-T1即为超声波在水下传播所用时间，(T2-T1)/2即为超声波从水面到水底所用时间，超声波在水里的传播速度为v，那么水深h=v*(T2-T1)/2。
本发明还包括利用这种基于物联网的交通路段水深信息的共享方法：
在设立每套水深监测装置时，都有给予唯一编码，并且记录位置信息；
交通管理部门建立交通路段水深数据库，数据库中包含编码项、位置信息项、水深数据项，GSM通讯模块通过GSM天线将水深数据实时传递到后台数据库，数据库对民众是开放查询权限，所有民众可以通过网络，使用电脑、手机等终端设备登录数据库，对交通路段的水深情况进行查询，为民众为出行提供更好的安全保障。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于物联网的交通路段水深信息共享系统，其特征在于，硬件包括竖杆(1)，外壳(2)，PCB板(3)，GSM通讯模块(4)，GSM天线(5)，MCU(6)，高压脉冲发生器(7)，A/D转换电路(8)，网罩壳(9)，引脚(10)，绝缘固定层(11)，压电晶片(12)，锥形共振盘(13)，阻抗匹配器(14)，螺栓(15)，电线(16)；
所述外壳(2)通过螺栓(15)安装在竖杆(1)顶端；所述PCB板(3)安装在外壳(2)内，所述GSM通讯模块(4)，GSM天线(5)，MCU(6)，高压脉冲发生器(7)，A/D转换电路(8)均安装在PCB板(3)上侧，PCB板(3)下侧安装有超声波发射器和超声波接收器，两者结构较为相似，其中超生波发射器包括一个网罩壳(9)、两个引脚(10)、一件绝缘固定层(11)、一个压电晶片(12)、一个锥形共振盘(13)，超声波接收器包括另外一个网罩壳(9)、两个引脚(10)、一件绝缘固定层(11)、一个压电晶片(12)、一个锥形共振盘(13)和一件阻抗匹配器(14)；所述高压脉冲发生器(7)位于超声波发射器正上方，用于提供瞬时高压给超声波发射器；所述A/D转换电路(8)位于超声波接收器正上方，用于将超声波接收器的电压信号转换为数字信号；所述GSM通讯模块(4)通过结合GSM天线(5)将获取的水深信息传递到后台数据库。
2.根据权利要求1所述的基于物联网的交通路段水深信息共享系统，其特征在于，所述外壳(2)顶面开设小孔，将GSM天线(5)露出，小孔和GSM天线(5)之间设有密封圈；外壳(2)底面开设两个孔，将超声波发射器和超声波接收器露出。
3.根据权利要求1所述的基于物联网的交通路段水深信息共享系统，其特征在于，所述网罩壳(9)的底面为网状。
4.根据权利要求1所述的基于物联网的交通路段水深信息共享系统，其特征在于，所述绝缘固定层(11)的材料为环氧树脂。
5.根据权利要求1所述的基于物联网的交通路段水深信息共享系统，其特征在于，所述压电晶片(12)的材料为陶瓷。
6.根据权利要求1所述的基于物联网的交通路段水深信息共享系统，其特征在于，在超声波发射器和超声波接收器中，网罩壳(9)内的元器件自上而下依次是引脚(10)、绝缘固定层(11)、压电晶片(12)、锥形共振盘(13)，引脚(10)上端伸出网罩壳(9)顶部，插进PCB板(3)中，引脚(10)中部被绝缘固定层(11)包裹，引脚(10)下端接有电线(16)，将引脚(10)和压电晶片(12)相连通；压电晶片(12)固定在绝缘固定层(11)的底部，锥形共振盘(13)开口向下，固定在压电晶片(12)底部；在超声波接收器中，锥形共振盘(13)外部还包裹有阻抗匹配器(14)。
7.一种基于物联网的交通路段水深信息共享方法，其特征在于，在设立每套水深监测装置时，都有给予唯一编码，并且记录位置信息；交通管理部门建立交通路段水深数据库，数据库中包含编码项、位置信息项、水深数据项，GSM通讯模块通过GSM天线将水深数据实时传递到后台数据库，数据库对民众是开放查询权限，所有民众可以通过网络，使用电脑、手机等终端设备登录数据库，对交通路段的水深情况进行查询。
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