受气候变化影响, 每年的极端性强降雨频次呈现上升趋势, 加之城市扩张建设速度的加快, 导致城市内涝频发, 城市排水能力不足的缺陷暴露无遗^[1,2]。为了加大路面积水的排放, 有时需人为将窨井盖打开, 但由于窨井盖大部分为铸铁, 比较笨重, 在开启井盖时操作不便^[3], 而且窨井盖被打开会对过往行人和车辆造成危险。另外, 当强降雨导致路面积水过多时, 窨井盖还有可能直接被雨水冲走, 造成有井无盖的危险情况发生, 导致行人跌入深井内最终命陨, 每年都会有类似惨痛事件发生^[4,5]。

　　 为了加强对窨井的管理和应用, 提高城市道路排水能力, 本文提出一种新型浮力窨井排水结构, 并基于物联网技术, 搭建智能排水系统平台。

　　 该新型浮力窨井的工作原理是, 当路面积水不多时, 雨水从窨井盖的四周缝隙流经可伸缩环形滤网到下水道, 可伸缩环形滤网起到过滤、保护作用;当路面积水较多, 积水达到一定高度时, 窨井盖因为浮力的作用将会自动浮起 (窨井盖由一种材质比较轻的材料构成) , 加大积水的排放, 窨井盖四周的可伸缩环形滤网可上下伸缩, 起到过滤和固定窨井盖的作用。再依托ZigBee技术, 构建智能排水系统平台^[6,7], 将道路积水数据实时上传至平台, 提高道路管理的管理水平。

　　 该新型浮力窨井的特点是其可以随着积水的多少, 窨井盖自动升降调节排水能力, 并且四周配有可伸缩环形滤网, 既可以加大排水量, 又可以保护行人的人身和财产安全, 当路面积水降低时, 窨井盖随着可伸缩环形滤网下降到窨井内圈上。

　　 该新型浮力窨井由窨井底座、窨井盖以及数据监测和采集装置等几部分组成, 其中窨井底座由窨井的内圈和窨井外圈组成, 窨井盖通过可伸缩环形滤网与窨井底座相连。在窨井内圈和窨井盖上布置有锂电池、无线采集模块、无线控制器、网关、报警装置、流量计和积水深度传感器, 详见图1。

　　 由于窨井材料的耐磨性以及浮起时会妨碍交通, 故浮力窨井不适用直接布置在交通干道中, 一般布置在马路牙子侧。

　　 针对排水系统的分布性, 同时提高无线网络系统的独立性及扩展能力, 提出一种多层级无线网络结构, 如图2所示。

　　 多层级无线网络架构由多个数据采集子网、控制子网关构成, 每一个采集器分别采集一组数据, 然后上传至组网的子网关, 各个采集子网关再将采集到的数据传送到采集总网关;同样地, 每一个控制器分别控制一组设备, 控制器与对应的控制总网关相连。各个浮力窨井分别对应各自的无线架构, 如果需要扩建, 扩展能力较高, 故障排除方便, 兼容性较强。

　　 无线数据采集节点由CC2530芯片、电源、传感器及LED指示灯构成^[8]。能够对流量、积水深度信息进行实时采集, 再通过节点采集到的信息传送到网关, 网关再将数据进行合并后发送到终端服务器, 终端将数据整理分析, 并在APP上以直观的折线图形式实时展示。

　　 无线数据采集和控制节点采用CC2530芯片, 接收采集信息和发送控制指令。为了扩大网络覆盖范围, 在节点上增设CC2591功率放大器, 它是TI公司推出的低成本、低噪声射频模块, 可将CC2530的功率从4.5 dBm提高到25 dBm, 还能有效地抑制系统噪声。无线射频电路硬件接线如图3所示。

　　 采用CC2530与CC2591芯片相结合的组合硬件, 使得通信距离扩大到500～1 000 m的传输距离, 网络覆盖能力得到了较大提升。

　　 系统使用超声波液体流量传感器FD-V70A, 传感器包括一个超声波发生元件、一个电容性聚合体抗干扰敏感元件。因为水力条件在实际运行中会由于各种垃圾及杂质干扰造成紊流, 流态不稳定, 客观条件无法获得准确的流量数据, 此数据通常是估算值, 作为参考。

　　 积水深度传感器安装在窨井盖下端, DELIDAR-TOFTFmini激光测距雷达传感器, 通过密封圈做好IP68防水, 主要通过光敏元器件将采集到的无线信号转换为电信号, 所以此模块以光敏原件为主体, 信号通过滤波, A/D转换, 再接入到无线发送模块中, 积水深度传感器硬件接线如图4所示。

　　 本系统网关的核心为S3C2 440 A处理器, 它具有高频率的内核, 能够快速地处理接收到的数据信息。此网关的体系结构具有性能高且全面的特点, 能够适用于市面上的主流操作系统。而Zigbee通信模块部分主要由CC2530芯片构成, 网关模块的外部结构还包括存储器, JTAG接口, LED指示灯以及一个电源接口。

　　 在数据传输的过程中, 要对接收到的数据进行判断, 直到接收到长度匹配的数据则停止, 或者通过校验方式分析接收到的数据是否有效, 最后等待所有校验过程结束后进行数据的转发。

　　 为了能保证无线采集与控制模块能够与上位机进行通信, 采用通用串口通信电路, 选用MAX232芯片作为电频转换电路, 将TTL数据转换为RS232数据传送至计算机。MAX232串口转换电路接线如图5所示。

　　 采集器/控制器在通电以后将对信道进行搜索, 在搜索到信道内可用信号节点之后匹配对应的地址, 如果此刻无信号请求, 数据发送进入省电模式, 直到有数据发送请求, 将重新唤醒节点, 并传输数据。采集器连接到组网后将采集到的数据传输给网关, 再由网关将数据输送到服务器, 服务器最终将数据进行分析显示或是向控制器发出控制指令。传感器/控制器节点工作流程如图6所示。

　　 网关通电后开始接收采集器/控制器节点请求入网信号, 当网关收到请求信号时, 分别给各采集器/控制器分配节点地址入网。当网关收到数据请求之后先判别信息类型 (节点采集信息、用户控制信息) , 再将数据传送到服务器进行解析、终端显示、控制等操作, 网关主程序工作流程如图7所示。

　　 信号处理设置一个自定义事件MY_START_EVT和MY_REOPET_EVT函数, 前者用来重新加入网络, 后者用来上报数据包。如果成功加入网络, 通过设定一个定时器事件来触发MY_REOPET_EVT事件;如果入网失败, 则通过回调函数zb_StartConfirm () 重新入网。

　　 在上面的函数中, 调用完myReportData函数后, 又设置一个定时器事件触发MY_ REPORT_EVT, 这样实现数据包每隔10 s自动上报。myReportData函数实现了将本机网络地址、节点网络地址和自己的ID封装成数据包发送给各自网关。

　　 在终端节点中设计加入一个信息发送函数。void SampleApp_Send_P2P_Message (void) 然后使用SmartRF Programmer Flash烧写工具将节点的程序分别烧写到相应的CC2530无线节点板中, 再将PC机与各节点通过串口线相连, 保证它们之间通信正常。

　　 组网成功之后, 采集节点会向协调器节点发送信息, 协调器收到信息, 通过串口调试软件查看结果。

　　 网关再将接收到的数据转发给终端设备, 先是用于管理无线网络的无线网络通信, 在接收节点的加入请求信息后, 节点登记, 并在之后发送数据给网关。

　　 于2018年的雨汛时期, 在无锡市某主干道容易产生积水处的路边石上每间隔50 m安装3个浮力窨井, 对该浮力窨井在发生强降雨排水时的排水效果进行测试。

　　 2018年8月4日11时左右, 无锡地区发生降雨。现场监测发现, 当雨水较少时, 积水从内圈和窨井之间的缝隙流下去, 浮力窨井积水显示正常;当出现一定量的积水时, 积水开始报警, 浮力窨井产生0.2 m的积水, 窨井浮起;当积水深度达到0.3 m时, 浮力窨井因为浮力作用继续升高加大排水量, 约3 min左右, 积水全排空, 浮力窨井回落到外圈上。同时, 在智能排水系统平台上可以实时显示积水深度、当前流速、流量、报警信息等, 如图8所示。

　　 本文提出的采用ZigBee技术的新型浮力窨井, 可提高道路积水的排放效率, 并将道路积水深度、水量等信息实时上传至云端, 进行管控预防。建议在后期工程应用时, 将移动开发的技术支撑与道路管理的业务关联起来, 形成一套城市管理系统的闭环模式, 实现新技术与专业知识结合、相互支撑, 形成城市道路管理良性循环, 并实现一个有效的大数据管理系统, 提高城市对雨水的管理水平。