一种基于物联网的极端环境下城市内涝监测预警装置

1.本实用新型涉及城市内涝监测技术领域，具体涉及一种基于物联网的极端环境下城市内涝监测预警装置。


背景技术：

2.近年来，在一些城市中由于短时间的降雨量骤增，降雨量远大于城市内部系统设计的最大排水量，导致一些地势低洼的地方出现内涝，尤其是在一些城市下穿通道出现了严重的内涝；在暴雨等极端环境下城市停电、断网现象时有发生，城市下穿通道出现积水并且积水上涨的危险信号不能很好地传递给后面车辆驾乘人员，信息不对称导致城市下穿通道车辆拥堵，这样对城市内涝救援造成了困难。在智慧城市建设的背景下，探索新型物联感知体系建设，完善城市“触觉感知”网络，提升社会治理、公共服务的科学化、精细化水平，促进城市绿色低碳发展，打造城市“生命线”具有重要意义。
3.在城市隧道光线不足环境下，现有的摄像头和图像处理测水位的方法应用受限，且无法满足低功耗的需求。在通信方面，现有的城市内涝监测系统通信方式大多直接依托于移动互联网基站，在断电、断网的极端环境下面临通信不畅甚至失效的问题。
4.针对城市隧道内涝监测预警，特别是停电、断网等极端环境下城市隧道内涝监测预警技术需求，亟需一种基于物联网的极端环境下城市内涝监测预警装置。


技术实现要素：

5.本实用新型针对城市隧道内涝问题，提供了一种基于物联网的极端环境下城市内涝监测预警装置。
6.本实用新型是通过以下技术方案实现的：一种水位监测终端节点，包括呈中空管状的外壳，所述外壳底部具有入水口，外壳的中心管内间隙配合有浮球，所述浮球上部连接有空心杆，所述外壳上部管壁内沿着管壁的延伸方向环向设置有内嵌层，所述外壳顶部固定盖设有顶盖，顶盖具有与外界相连通的空气通道，空心杆与内嵌层之间能够形成电容，所述顶盖顶部设置有电源模块a和电路模块a，所述电路模块a包括主控芯片a、电容测量模块、zigbee模块a以及湿度测量模块a，所述电容测量模块和湿度测量模块a的输出端分别与主控芯片a的输入端连接，所述主控芯片a与zigbee模块a相连接，所述空心杆与内嵌层分别与电容测量模块的输入端连接，所述电源模块a为电路模块a供电。
7.作为本实用新型技术方案的进一步改进，所述空心杆与外壳内壁之间设有滑动轴承。
8.作为本实用新型技术方案的进一步改进，所述电源模块a包括电压转换模块a、稳压模块a、电池a，所述电压转换模块a的输出端与电池a相连接，所述电池a与稳压模块a的输入端相连接，所述稳压模块a与电路模块a相连接。
9.本实用新型进一步提供了一种基于物联网的极端环境下城市内涝监测预警装置，包括水位监测终端节点。
10.作为本实用新型所述监测预警装置技术方案的进一步改进，还包括协调器节点，所述协调器节点包括协调器支撑部、设置于协调器支撑部顶部的电源模块b和电路模块b，所述电路模块b包括主控芯片b、nb-iot模块、zigbee模块b、湿度测量模块b和显示预警模块，所述湿度测量模块b的输出端与主控芯片b的输入端连接，所述主控芯片b分别与nb-iot模块、zigbee模块b以及显示预警模块相连接，所述电源模块b为电路模块b供电，所述zigbee模块b与zigbee模块a之间无线连接。
11.作为本实用新型所述监测预警装置技术方案的进一步改进，还包括设置于协调器支撑部上的显示屏，所述显示预警模块的输出端与显示屏相连接，所述电源模块b为显示屏供电。
12.作为本实用新型技术方案的进一步改进，即所述电源模块b9b包括电压转换模块b、稳压模块b、电池b，所述电压转换模块b的输出端与电池b相连接，所述电池b与稳压模块b的输入端相连接，所述稳压模块b与电路模块b10b相连接。
13.作为本实用新型所述监测预警装置技术方案的进一步改进，还包括设置于协调器支撑部上的光伏板组件，所述光伏板组件包括支撑架以及设置于支撑架上的光伏板，所述光伏板连接充电保护电路为电池b供电。
14.作为本实用新型所述监测预警装置技术方案的进一步改进，所述显示屏为lcd显示屏。
15.本实用新型所述水位监测终端节点，采用圆柱型电容式测量方案，运动件无源，解决了传统传感器线束复杂的问题以及雨水对测试的影响，金属件内嵌，极大的避免了雨水腐蚀造成的失效，测量功耗低，适用于光线不足环境。
16.本实用新型所述基于物联网的极端环境下城市内涝监测预警装置，采用基于zigbee nb-iot物联网数据传输与管理系统，在内涝发生但是电力及通信没有中断时，既可以实现基于zigbee的局部信号传输，实现局部预警控制，也可以将水位及水位上升速度信号通过nb-iot传到云端，能够更好的从云端对城市各个位置的水位数据进行管理，便于后续的预防与救援工作。同时，一个nb-iot连接一个zigbee协调器，对多个终端节点的数据集中上传，节省了成本；当断电、断网等极端情况发生时，基于zigbee的局部信号传输，实现局部预警控制仍然可以实现，避免了因隧道等封闭环境造成的物联网信号失效。
附图说明
17.为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
18.图1为本实用新型所述水位监测终端节点的结构示意图。
19.图2为本实用新型所述协调器节点的结构示意图。
20.图3为本实用新型所述基于物联网的极端环境下城市内涝监测预警装置的电路示意图。
21.图4为zigbee nb-iot网络拓扑及数据传输结构图。
22.图中：1-外壳、2-入水口、3-浮球、4-空心杆、5-滑动轴承、6-空气通道、7-内嵌层、
8-顶盖、9a-电源模块a、9b-电源模块b、10a-电路模块a、10b-电路模块b、11-支撑架、12-协调器支撑部、13-显示屏、14-光伏板。
具体实施方式
23.下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
24.在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
25.如图1所示，本实用新型提供了水位监测终端节点的具体实施例，包括呈中空管状的外壳1，所述外壳1底部具有入水口2，外壳1的中心管内间隙配合有浮球3，所述浮球3上部连接有空心杆4，所述外壳1上部管壁内沿着管壁的延伸方向环向设置有内嵌层7，所述外壳1顶部固定盖设有顶盖8，顶盖8具有与外界相连通的空气通道6，空心杆4与内嵌层7之间能够形成电容，所述顶盖8顶部设置有电源模块a 9a和电路模块a 10a，所述电路模块a 10a包括主控芯片a、电容测量模块、zigbee模块a以及湿度测量模块a，所述电容测量模块和湿度测量模块a的输出端分别与主控芯片a的输入端连接，所述主控芯片a与zigbee模块a相连接，所述空心杆4与内嵌层7分别与电容测量模块的输入端连接，所述电源模块a 9a为电路模块a 10a供电。
26.在本实施例中，水位监测终端节点可安装于隧道内，具体安装时，终端节点的外壳1与地面垂直固定，外壳1可采用塑料材质，且不限于任何具有支撑固定作用的硬质绝缘材料。隧道内可根据实际情况每隔一定间距在隧道地面设置一个终端节点。
27.如图1所示，本实施例中的入水口2靠近地面下方，且入水口2的尺寸小于浮球3的尺寸。为了提升浮球3的灵敏度，本实施例中的浮球3采用绝缘塑料材料，且不限于塑料材料，空心杆4采用导电金属材料，任何能够实现浮球3与空心杆4在水中漂浮的低密度材料均可采用。具体应用时，所述浮球3与空心杆4之间密封固定连接。本实施例中的内嵌层7采用的是铜制材料，但不限于铜制材料。
28.本实施例的顶盖8上具有与外界相连通的空气通道6，这样便于浮球3随着水位上下移动。另外，为了便于精确计算外壳1内中心管内水位的变化，，所述空心杆4与外壳1内壁之间设有滑动轴承5，滑动轴承5能够起到导向作用，使得空心杆4能够竖直上下移动。
29.所述终端节点的原理在于，空心杆4能够与嵌入层7之间形成电容，当空心杆4与空心浮球3随水位变化时候，空心杆4与嵌入层7形成与水位正相关的电容。
30.当隧道内的空气湿度处于正常范围内时，主控芯片a处于待机模式，电容测量模块、zigbee模块a不工作。湿度测量模块a每10分钟进行一次采样，当超过限定值后，主控芯片a从待机模式唤醒，终端节点的主控芯片a、电容测量模块、zigbee模块a开始正常工作。终端节点的主控芯片a将电容测量模块测量到的电容信号进行存储，并计算水位和水位上升
的速度。zigbee模块a将主控芯片a计算好的水位、水位上升的速度与位置编号以无线方式发送到协调器节点的zigbee模块b，在距离过长时候部分终端节点同时充当路由节点。
31.本实施例进一步提供了电源模块a9a的具体实施方式，即所述电源模块a9a包括电压转换模块a、稳压模块a、电池a，所述电压转换模块a的输出端与电池a相连接，所述电池a与稳压模块a的输入端相连接，所述稳压模块a与电路模块a10a相连接。
32.本实施例中的电池a可采用充电锂电池。电压转换模块a能够将220v市电转换为低压，给锂电池充电，用电时由锂电池通过稳压模块a给电路模块a10a供电。当发生断电、断网的极端情况时，锂电池具有储电功能，能够为终端节点提供持续提供一段时间的电量，解决了终端节点在极端环境下通信不畅甚至失效的问题。
33.本实施例进一步提供了协调器节点，所述协调器节点包括协调器支撑部12、设置于协调器支撑部12顶部的电源模块b9b和电路模块b10b，所述电路模块b9b包括主控芯片b、nb-iot模块、zigbee模块b、湿度测量模块b和显示预警模块，所述湿度测量模块b的输出端与主控芯片b的输入端连接，所述主控芯片b分别与nb-iot模块、zigbee模块b以及显示预警模块相连接，所述电源模块b9b为电路模块b10b供电，所述zigbee模块b与zigbee模块a之间无线连接。
34.本实施例中的协调器节点安装于隧道外的隧道口处，目的在于收集终端节点传回的数据，作出预警显示，同时通过nb-iot发送给云端系统。
35.本实施例还提供了一种预警显示的具体实施方式，即协调器节点包括设置于协调器支撑部12上的显示屏13，所述显示预警模块的输出端与显示屏13相连接，所述电源模块b9b为显示屏13供电，所述显示屏13为lcd显示屏。
36.同理所述，当空气湿度处于正常范围内时，主控芯片b处于待机模式，nb-iot模块，zigbee模块b及显示预警模块不工作。湿度测量模块b每10分钟进行一次采样，当超过限定值后，主控芯片b从待机模式唤醒，终端节点的主控芯片b、nb-iot模块，zigbee模块b及显示预警模块开始正常工作。
37.内涝发生但是电力及通信没有中断时，所述装置既可以实现基于zigbee的信号传输，将水位、水位上升速度及位置信息从终端节点的zigbee模块a无线传输到协调器节点的zigbee模块b，zigbee模块b将隧道内各个终端节点的水位、水位上升的速度与位置编号进行传输至主控芯片b进行存储，主控芯片b对水位情况进行判断，当某个或多个终端节点处的水位超限时，主控芯片b通过显示预警模块进行预警，具体的可在隧道口处的显示屏13上显示预警信息。同时，所述装置也可以通过nb-iot模块传到云端，便于后续的预防与救援工作。
38.内涝发生引起极端环境（断网、断电）时，协调器节点的依托于移动基站的nb-iot模块失效，基于zigbee的水位及水位上升速度的信号传输和显示预警模块仍可以工作。
39.同理所述，本实施例还提供了电源模块b9b的具体实施方式，即所述电源模块b9b包括电压转换模块b、稳压模块b、电池b，所述电压转换模块b的输出端与电池b相连接，所述电池b与稳压模块b的输入端相连接，所述稳压模块b与电路模块b10b相连接。
40.本实施例中的电池b可采用充电锂电池。电压转换模块b能够将220v市电转换为低压，给锂电池充电，用电时由锂电池通过稳压模块b给电路模块b10b供电；当发生断电、断网的极端情况时，锂电池具有储电功能，能够为协调器节点提供持续提供一段时间的电量，解
决了终端节点在极端环境下通信不畅甚至失效的问题。
41.本实施例还包括设置于协调器支撑部12上的光伏板组件，所述光伏板组件包括支撑架11以及设置于支撑架11上的光伏板14；当内涝发生时间过久，无法及时恢复市电供电，本实施例还可通过光伏板14连接充电保护电路为电池b供电。
42.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。