论文总字数：41761字

摘 要

本课题将无线传感器网络(WSN)技术应用于城市水位监测领域，解决了传统城市暴雨积涝监测方式数据实时性差，采集样本匮乏，人工成本高昂的问题，大大提高了监测实时性与精确性，能够在城市暴雨积涝灾害中高效保障居民的生命财产安全。

本课题针对城市暴雨积涝监测系统的数据监测设计出一种基于无线传感器网络（WSN）的解决方案，实现了城市易涝地区水情数据实时采集，数据分析处理以及无线组网传输的功能。该方案通过分布在监测区域的采集节点实现水情信息采集，采集完成后对数据进行滤波处理以保证数据准确可靠，通过GPRS技术与监控中心服务器建立连接通路从而实现双向通信。本文主要工作包括以下几个方面：

（1）结合实际需求、成本、可行性等因素，分析并设计了城市暴雨积涝监测预警系统的框架结构与模块组成，同时根据系统相应参数指标，针对系统中水情采集节点的功能模块完成了设计选型。

（2）针对城市暴雨积涝监测预警系统中关键节点所包含的各个功能模块实现硬件部分相关设计。

（3）通过GCC语言设计系统中前端采集节点的软件程序，实现传感器驱动，初始化配置，采集数据处理，节点模式控制等多样化功能。

（4）通过GPRS技术实现了广泛分布的无线传感采集节点与监控中心GPRS自组网通信，实时的将监测数据发送到监控中心进行处理。

(5)完成了城市暴雨积涝监测预警系统中关键节点功能测试，之后在模拟积涝环境下对系统整体功能进行检测，测试结果表明系统运行稳定。

关键词：水位监测；无线传感网；GPRS链路；采集节点

DESIGN OF THE WSN COLLECTION AND NETWORK FOR monitoring and warning system of urban rainstorm waterlogging

Abstract

This paper presents the city water level monitoring solutions based on wireless sensor network technology, to solve the problem of low real-time management of increasingly large and complex urban drainage network by traditional means, the lack of samples, and the high cost of artificial. With WSN method, we can improve the real-time and accuracy of monitoring, and ensure the safety of lives and property of residents efficiently during rainstorm waterlogging disaster in city.

This paper presents the solution of data monitoring and analysis based on WSN in the city rainstorm waterlogging disaster monitoring and warning system, we can get the city waterlogged hydrologic data instantly, and realize the functions of data analysis and wireless network transmission. This project aims at collecting hydrologic information from the nodes separated in each monitored area, then using the filtering processing to keep the accuracy of selecting data, and implement both-way communication by setting connection channel between GPRS technology and the monitoring center server. This project mainly involves following aspects:

Firstly, design frame structure and component modules of the city rainstorm waterlogging disaster monitoring and warning system based on practical requirement, the cost and feasibility analysis. We design and select the function module of regimen data acquisition node in the system based on relevant parameter index at the same time.

Secondly, accomplish the hardware design of every single function module involved in the key nodes of the city rainstorm waterlogging disaster monitoring and warning system.

Thirdly, we can implement diversified functions such as the senor driver, initial configuration, data acquisition and manipulation, and the mode of control based on the process node with the software program of the front-end acquisition node by GCC language design system.

Fourthly, realize the collection the widely distributed wireless sensor nodes and the monitoring center GPRS ad-hoc network communication through GPRS technology, and send the monitoring data to the monitoring center for processing in real time.

Lastly, accomplish the functional test of the key nodes in the city rainstorm waterlogging disaster monitoring and warning system, then test the system as a whole function under the simulative waterlogging environment, test results show that the system runs stably.

KEY WORDS: Water Level Monitoring, WSN, General Packet Radio Service, Acquisition Node

目 录

摘 要 I

Abstract II

目 录 III

第一章 绪 论 1

1.1 课题的研究背景和意义 1

1.2 课题的国内外研究现状 2

1.3 课题的研究内容 3

1.4 本文的组织结构安排 4

第二章 系统方案分析设计 5

2.1 需求分析 5

2.2 系统总体架构 6

2.3 关键设备设计方案及性能指标 7

2.4 本章小结 8

第三章 城市暴雨积涝监测系统关键硬件设计 9

3.1 传感器模块 9

3.2 单片机主控模块 11

3.3 GPRS通信模块 11

3.4 串口转换电路 12

3.5 其他模块 14

3.5.1 电源模块 14

3.5.2 调试烧录模块 14

3.6 本章小结 15

第四章 城市暴雨积涝监测系统关键软件设计 16

4.1 系统软件框架 16

4.2 数据采集模块设计 17

4.2.1 PY201液位传感器驱动设计 17

4.2.2 液位传感器通信协议与控制字命令 17

4.2.3 监测结果获取 18

4.3 数据处理 20

4.3.1 采集数据转换 20

4.3.2 数据滤波 21

4.4 系统交互模块 22

4.4.1 节点运行模式设计与参数设定 22

4.4.2 智能报警 23

4.5 GPRS无线通信模块 23

4.5.1 GPRS无线通信技术 23

4.5.2 GPRS建立连接 24

4.5.3 心跳跑与断线恢复 25

4.6 本章小结 29

第五章 系统测试与分析 30

5.1 串口转换电路测试 30

5.1.1 RS485转换电路测试 30

5.1.2 CMOS串口转换电路 30

5.1.3 传感器与GPRS通信模块测试 31

5.2 数据采集处理测试与分析 31

5.3 GPRS组网通信测试 33

5.4 关键性能指标测试 35

5.5 系统总体测试 36

5.5.1 系统交互与断线重连测试 36

5.5.2 调试模式测试 37

5.5.3 实时模式测试 38

5.5.4 智能模式测试 40

5.6本章小结 43

参考文献 44

致 谢 46

第一章 绪 论

课题的研究背景和意义

暴雨积涝监测是城市环境监测系统的重要组成之一，随着我国城市化进程推进，城市地表覆盖面情况愈发复杂，但排水管网和防洪涝设施建设却在很大程度上无法与之匹配，导致城市排水能力骤减，降水无法自然循环从而在城市地表形成径流引发城市积涝灾害，制约了城市的快速发展。尤其是近来暴雨等强降水气候频发，导致城市中一些区域降雨量远远超过城市工程排水能力，累积的降水无法通过城市排水系统外排从而汇聚在城市低地势地区（如地铁，停车场等），当汇聚量过大时可能严重威胁到城市居民的正常生活与生命财产安全（如图1-1所示）。另一方面随着国内城市化现代化规模不断膨胀，城市人口数量激增以及配套的现代化设施需求不断增多，但相应可利用土地面积却无法与其平衡，各地城市为了提高土地利用率在很多低地势区域大兴土木，大型地下商圈、地下停车场、地铁、隧道等低地势建设项目愈发普遍，当突发暴雨等强降水天气现象时，这些低地势地区受限于城市整体排水能力和地形因素影响，发生城市暴雨积涝灾害的可能性不断增加，这严重威胁到了城市功能、社会秩序与人民生命财产安全。

城市暴雨积涝灾害

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