基于4G网络的防雷击隧道积水警示系统及方法

1.一种基于4G网络的防雷击隧道积水警示方法，其特征在于：系统组成包括信息处理传送单元(1)、水位检测单元(2)、警示单元(3)、指挥单元(4)、避雷单元(5)和供电单元(6)，信息处理传送单元(1)与水位检测单元(2)之间通过供电及信息传输缆线(7)双向传输，信息处理传送单元(1)与警示单元(3)之间双向传输，信息处理传送单元(1)与指挥单元(4)之间通过4G网络双向传输；信息处理传送单元(1)和供电单元(6)上分别安装避雷单元(5)，水位检测单元(2)、信息处理传送单元(1)、警示单元(3)和避雷单元(5)都与供电单元(6)连接；
所述的信息处理传送单元(1)包括信息处理模块(8)和收发传送模块(9)，其中，信息处理模块(8)包括Flash存储器(10)和ARM处理器(11)，ARM处理器(11)的第一GPIO接口组(12)与Flash存储器(10)双向传输，ARM处理器(11)的第二GPIO接口组(13)与所述水位检测单元(2)双向传输，ARM处理器(11)的UART接口(14)与收发传送模块(9)双向传输；
所述的水位检测单元(2)包括液位传感器(15)、检测模块(16)、水密接插件(17)和水密舱(18)，水密舱(18)内部底面上安装水密接插件(17)，水密舱(18)内部安装检测模块(16)，水密舱(18)上盖上安装液位传感器(15)，液位传感器(15)的主体位于水密舱(18)内，液位传感器(15)的探头(19)漏出水密舱(18)上盖外，且安装探头(19)处进行水密处理；
其中，液位传感器(15)的探头(19)外部扣装固定于水密舱(18)上盖上保护笼；
所述警示单元(3)包括LED显示屏(20)、警示灯(21)和驱动电路(22)，驱动电路(22)连接分别连接LED显示屏(20)和警示灯(21)，且警示单元(3)通过驱动电路(22)连接信息处理传输装置的Flash存储器(10)和第一GPIO接口组(12)；
所述的供电单元(6)包括太阳能储能板(23)和蓄电池(24)，太阳能储能板(23)连接蓄电池(24)，供电单元(6)通过蓄电池(24)与水位检测单元(2)、信息处理传送单元(1)、警示单元(3)和避雷单元(5)连接并为其供电；
所述的供电及信息传输缆线(7)的外皮内包裹一根电源芯线、一根接地线和四根RS485数据线，其中，所述的接地线的直流通路电阻为10-50欧姆；
所述的信息处理模块(8)采用飞思卡尔公司的Kinetis L系列的KL26Z128V4单片机，它内嵌 CortexTM-M0+内核，主频为48MHZ；
所述收发传送模块(9)选为芯讯通无线科技有限公司的SIM7100C型号4G网络通信芯片；
将水位检测单元(2)设置为初始的值班状态，以时间间隔t1为周期，水位检测单元(2)检测安装位置的水位信息，水位检测单元(2)内部的微功耗检测模块(16)处于工作状态，液位传感器(15)和水密接插件(17)处于下电状态；
步骤二、水位检测单元(2)仍然处于工作状态，微功耗检测模块(16)对液位传感器(15)和水密接插件(17)上电，液位传感器(15)进行水位高度检测，若未检测到水位结果，则断电等待t1时间后重复上电、水位高度检测动作，直到检测到水位高度的值后水位检测单元(2)转入工作状态；
步骤三、水位检测单元(2)处于工作状态，以时间间隔t2为周期，水位检测单元(2)检测水位高度信息；其中，t1>t2；
步骤四、水位检测单元(2)将检测到的水位高度信息后，发送给信息处理传送单元(1)的信息处理模块(8)进行编码，之后上传给收发传送模块(9)，收发传送模块(9)存储水位高度信息并通过4G网络将其发往指挥单元(4)；
步骤五、指挥单元(4)接到水位高度信息后给出处理信息，处理信息下传到信息处理传送单元(1)的收发传送模块(9)，收发传送模块(9)发送给信息处理模块(8)进行解码，然后才能传送给水位检测单元(2)；
步骤六、水位检测单元(2)返回步骤一；
所述的水位检测单元(2)的工作状态下水位高度信息的检测和上传采用自适应调节方式，即水位高度变化速度小于10cm/h时，时间间隔t2为比较长的1～2小时，当水位变化速度大于等于10cm/h时，时间间隔t2自适应的变为较短的10～20min，检测和上传频率加快。

基于4G网络的防雷击隧道积水警示系统及方法\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种基于4G网络的防雷击隧道积水警示系统及方法。\n背景技术\n[0002] 随着社会经济的发展，人们生活水平的提高，购买私家车的市民越来越多，城市中也修建了大量城市道路立交桥和下穿隧道。近几年来，城市内涝现象愈演愈烈，下穿隧道低洼处就会有大量积水。这些积水不仅可能造成车辆熄火、交通堵塞，甚至有可能对市民的生命财产安全造成严重危害，为了解决这一问题，人们发明了各式各样的隧道水位监视系统。\n[0003] 现有的一些隧道水位监视系统，大多具备水位检测和显示能力，能够在隧道出入口处显示隧道内当前积水状况，以提示行人和车辆谨慎进入。即便如此，当前这些系统依旧有诸多缺陷：基本不能实现数据共享，某隧道的积水数据只能供其自己使用，无法上传至交通指挥单元，因此只能对该隧道附近的局部车流量进行调整；如果遭遇暴雨天气，系统有可能遭遇雷击而瘫痪，无法发挥其作用。\n发明内容\n[0004] 本发明的目的是为了解决现有的隧道水位监视系统不能实现监测数据共享，发生积水时只能局部调整的问题，而提出一种基于4G网络的防雷击隧道积水警示系统及方法。\n[0005] 一种基于4G网络的防雷击隧道积水警示系统，其组成包括信息处理传送单元、水位检测单元、警示单元、指挥单元、避雷单元和供电单元，信息处理传送单元与水位检测单元之间通过供电及信息传输缆线双向传输，信息处理传送单元与警示单元之间双向传输，信息处理传送单元与指挥单元之间通过4G网络双向传输；信息处理传送单元和供电单元上分别安装避雷单元，水位检测单元、信息处理传送单元、警示单元和避雷单元都与供电单元连接。\n[0006] 一种基于4G网络的防雷击隧道积水警示方法，\n[0007] 步骤一、将水位检测单元设置为初始的值班状态，以时间间隔t1为周期，水位检测单元检测安装位置的水位信息，水位检测单元内部的微功耗检测模块处于工作状态，液位传感器和水密接插件处于下电状态；\n[0008] 步骤二、水位检测单元仍然处于工作状态，微功耗检测模块对液位传感器上电，液位传感器进行水位高度检测，若未检测到水位结果，则断电等待t1时间后重复上电、水位高度检测动作，直到检测到水位高度的值后水位检测单元转入工作状态；\n[0009] 步骤三、水位检测单元处于工作状态，以时间间隔t2为周期，水位检测单元检测水位高度信息；其中，t1>t2；\n[0010] 步骤四、水位检测单元将检测到的水位高度信息后，发送给信息处理传送单元的信息处理模块进行编码，之后上传给收发传送模块，收发传送模块存储水位高度信息并通过4G网络将其发往指挥单元；\n[0011] 步骤五、指挥单元接到水位高度信息后给出处理信息，处理信息下传到信息处理传送单元的收发传送模块，收发传送模块发送给信息处理模块进行解码，然后才能传送给水位检测单元；\n[0012] 步骤六、水位检测单元返回步骤一。\n[0013] 本发明的有益效果为：\n[0014] 本发明将水位检测单元安装于隧道内最低洼处，警示单元安装于隧道两侧进出通道最醒目位置，供电单元安装于隧道上方采光最好的位置，信息处理与传送装置安装于隧道上方4G通信质量好的位置，避雷单元安装于信息处理与传送装置和供电单元的上方。利用信息处理模块进行信息编解码和信息存储功能，水位检测模块上报信息时，须在此进行编码后才能上传给收发传送模块，进而将数据发往指挥单元；指挥单元下传的信息经收发传送模块后，在信息处理模块处进行解码，然后才能传送给水位检测单元。信息处理模块具备对双向的信息进行数据存储的能力，能够对数据进行滚动式存储，正常工作状态下，累计最长存储周期至一年。\n[0015] 在避雷装置的保护下，系统可以对隧道内的积水深度进行测量和存储，并把隧道内的积水状况通过入口处的电子显示屏和警示灯实时显示，及时提醒驾驶员是否可以顺利通过隧道。与此同时，本发明还能将数据通过4G网络上传至远程指挥中心，便于指挥中心进行相关调度，调整经过各隧道的车流量，进而较大程度地缓解交通压力。\n附图说明\n[0016] 图1是本发明涉及的系统硬件整体框图；\n[0017] 图2是本发明涉及的水位检测单元的硬件结构示意图。\n具体实施方式\n[0018] 具体实施方式一：\n[0019] 本实施方式的基于4G网络的防雷击隧道积水警示系统，结合图1所示，其组成包括信息处理传送单元1、水位检测单元2、警示单元3、指挥单元4、避雷单元5和供电单元6，信息处理传送单元1与水位检测单元2之间通过供电及信息传输缆线7双向传输，信息处理传送单元1与警示单元3之间双向传输，信息处理传送单元1与指挥单元4之间通过4G网络双向传输；信息处理传送单元1和供电单元6上分别安装避雷单元5，水位检测单元2、信息处理传送单元1、警示单元3和避雷单元5都与供电单元6连接。\n[0020] 其中，交通指挥单元4包括信息显控与传送装置，信息显控与传送装置可以控制和管理水位检测单元2的工作状态并进行工作参数设置。\n[0021] 具体实施方式二：\n[0022] 与具体实施方式一不同的是，本实施方式的基于4G网络的防雷击隧道积水警示系统，所述的信息处理传送单元1包括信息处理模块8和收发传送模块9，其中，信息处理模块8包括Flash存储器10和ARM处理器11，ARM处理器11的第一GPIO接口组12与Flash存储器10双向传输，ARM处理器11的第二GPIO接口组13与所述水位检测单元2双向传输，ARM处理器11的UART接口14与收发传送模块9双向传输。\n[0023] 信息处理传送单元1主要用于实现信息的上传、下达和存储功能，即与交通指挥单元4的信息显控与传送装置完成信息的交换，并存储信息。\n[0024] 具体实施方式三：\n[0025] 与具体实施方式一或二不同的是，本实施方式的基于4G网络的防雷击隧道积水警示系统，如图2所示，所述的水位检测单元2包括液位传感器15、检测模块16、水密接插件17和水密舱18，水密舱18内部底面上安装水密接插件17，水密舱18内部安装检测模块16，水密舱18上盖上安装液位传感器15，液位传感器15的主体位于水密舱18内，液位传感器15的探头19漏出水密舱18上盖外，且安装探头19处进行水密处理；\n[0026] 其中，液位传感器15的探头19外部扣装固定于水密舱18上盖上保护笼，用于保护探头19不受外物损伤。水密舱18底部安装水密接插件17，连接供电及信息传输缆线7。检测模块16控制液位传感器15，采集液位信息，通过供电及信息传输缆线7上传给信息处理与传输装置，其中，检测模块16的检测精度能达到毫米量级。\n[0027] 具体实施方式四：\n[0028] 与具体实施方式三不同的是，本实施方式的基于4G网络的防雷击隧道积水警示系统，所述警示单元3包括LED显示屏20、警示灯21和驱动电路22，驱动电路22连接分别连接LED显示屏20和警示灯21，且警示单元3通过驱动电路22连接信息处理传输装置的Flash存储器10和第一GPIO接口组12。\n[0029] 具体实施方式五：\n[0030] 与具体实施方式一、二或四不同的是，本实施方式的基于4G网络的防雷击隧道积水警示系统，所述的供电单元6包括太阳能储能板23和蓄电池24，太阳能储能板23连接蓄电池24，供电单元6通过蓄电池24与水位检测单元2、信息处理传送单元1、警示单元3和避雷单元5连接并为其供电，太阳能储能板23把太阳能转换成电能，并储存在蓄电池24中，由蓄电池24为系统的各部分进行供电。本发明是基于清洁环保能源的自容式系统，无需更改现有土建，安装和使用过程便捷。\n[0031] 具体实施方式六：\n[0032] 与具体实施方式五不同的是，本实施方式的基于4G网络的防雷击隧道积水警示系统，所述的供电及信息传输缆线7的外皮内包裹一根电源芯线、一根接地线和四根RS485数据线，其中，所述的接地线的直流通路电阻为10-50欧姆，该供电及信息传输缆线7内为纵向水密，外皮为防腐蚀橡胶材质，可长期埋藏于地下。\n[0033] 具体实施方式七：\n[0034] 与具体实施方式二、四或六不同的是，本实施方式的基于4G网络的防雷击隧道积水警示系统，所述的信息处理模块8采用飞思卡尔公司的Kinetis L系列的KL26Z128V4单片机，它内嵌 CortexTM-M0+内核，主频为48MHZ，主要用于实现信息的上传、下达和存储功能，即与交通指挥单元4的信息显控与传送装置完成信息的交换，并存储信息。\n[0035] 具体实施方式八：\n[0036] 与具体实施方式七不同的是，本实施方式的基于4G网络的防雷击隧道积水警示系统，所述收发传送模块9选为芯讯通无线科技有限公司的SIM7100C型号4G网络通信芯片，是一种基于LTE制式无线SIM卡，基于LTE制式的无线SIM卡模块的4G网络通信装置，无须连接WIFI热点就能够接入4G网络进行数据交换，且支持UART连接方式。\n[0037] 具体实施方式九：\n[0038] 本实施方式的基于4G网络的防雷击隧道积水警示方法：\n[0039] 步骤一、将水位检测单元2设置为初始的值班状态，以时间间隔t1为周期，水位检测单元2检测安装位置的水位信息，水位检测单元2内部的微功耗检测模块16处于工作状态，液位传感器15和水密接插件17处于下电状态；\n[0040] 步骤二、水位检测单元2仍然处于工作状态，微功耗检测模块16对液位传感器15和水密接插件17上电，液位传感器15进行水位高度检测，若未检测到水位结果，则断电等待t1时间后重复上电、水位高度检测动作，直到检测到水位高度的值后水位检测单元2转入工作状态；\n[0041] 步骤三、水位检测单元2处于工作状态，以时间间隔t2为周期，水位检测单元2检测水位高度信息；其中，t1>t2，t1、t2两个参数依据具体情况分别进行设置；\n[0042] 步骤四、水位检测单元2将检测到的水位高度信息后，发送给信息处理传送单元1的信息处理模块8进行编码，之后上传给收发传送模块9，收发传送模块9存储水位高度信息并通过4G网络将其发往指挥单元4，便于统一调度和交通指挥；\n[0043] 步骤五、指挥单元4接到水位高度信息后给出处理信息，处理信息下传到信息处理传送单元1的收发传送模块9，收发传送模块9发送给信息处理模块8进行解码，然后才能传送给水位检测单元2；\n[0044] 步骤六、水位检测单元2返回步骤一。\n[0045] 具体实施方式十：\n[0046] 本实施方式的基于4G网络的防雷击隧道积水警示方法，所述的水位检测单元2的工作状态下水位高度信息的检测和上传采用自适应调节方式，根据中国气象上规定，每小时降雨量16毫米以上、或连续12小时降雨量30毫米以上、24小时降水量为50毫米或以上的雨称为“暴雨”。按其降水强度大小又分为三个等级，即24小时降水量为50-99.9毫米称“暴雨”、100-249.9毫米之间为“大暴雨”、250毫米以上称“特大暴雨”，则水位高度变化速度小于10cm/h时，时间间隔t2为比较长的1～2小时，当水位变化速度大于等于10cm/h时，时间间隔t2自适应的变为较短的10～20min，检测和上传频率加快，这种设计适于应对极端暴雨天气。\n[0047] 工作原理：水位检测单元2安装于隧道内最低洼处，警示单元3安装于隧道两侧进出通道最醒目位置，供电单元6安装于隧道上方采光最好的位置，信息处理与传送装置安装于隧道上方4G通信质量好的位置，避雷单元5安装于信息处理与传送装置和供电单元6的上方。\n[0048] 所述的避雷单元5所采用的避雷针是提前放电主动式的防雷装置，避雷针分别安装在高于太阳能储能板23和4G通信天线尖端数米且与之有一定的间隔的位置。\n[0049] 本系统具有隧道内部积水深度检测能力，并且可以通过设置于隧道口的警示单元\n3对过往行人和车辆进行提示，在存储当前数据的同时，通过4G网络将积水状况及时报送给交通指挥单元4，便于统一调度和交通指挥。本系统的供电单元6为太阳能发电装置，可避免长距离铺设供电线路，且配有避雷单元5，可防止雷击。指挥单元4通过信息显控与传送装置可以控制和显示水位检测单元的工作状态并进行工作参数设置。\n[0050] 本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。