基于单片机的隧道积水报警系统的设计

摘要：为了降低隧道积水造成安全事故的概率，设计了隧道积水报警系统，在隧道中发生影响人身安全的积水时，会在入口和隧道中进行警示。该系统通过SCCS型超声波液位计检测液位，海康威视iDS-2VS325-F836摄像头采集隧道内停车信息，检测到的信息接入AT89C52单片机后进行计算，最后通过JR-SG01进行隧道内外的声光报警。

关键词：隧道;单片机;报警

0    引言

由于城市建设导致地面硬化、城市人口急剧膨胀等原因，夏天暴雨季节，我国部分大中型城市经常会遭遇水浸街，不同程度地发生城市内涝，严重影响人们的正常生活和工作。隧道地势较低，空间密闭，且当前多数隧道口没有预警信息，经常出现人与汽车困于隧道中的现象，甚至出现死伤案例。因此在隧道口及隧道内部进行必要的警示显得非常重要。

1    系统总体架构

隧道积水报警系统可以显示信息或语音报警禁止行人进入隧道或告知其尽快离开隧道。如图1所示，通过液位计实时监测液位数据发送至单片机，由单片机计算水位增加的速度及加速度，再根据摄像头判断隧道内车辆的通行状况，综合进行隧道能否通行的警示;并且当隧道内水位过高时，通过单片机播放语音，提醒隧道内的司机离开车辆。

2    系统电路设计

2.1    液位数据采集

图2所示为数据采集及声光报警电路，液位传感装置采用SCCS型超声波液位计，将获得的液位数据通过液位计自带的RS485接口传送至RS487通信芯片MAX487。MAX487与单片机的串口连接，将液位数据送入单片机。MAX487芯片A、B两脚用于接收液位计的数据;RO、DI引脚分别与单片机P30、P31引脚相连，将数据传入单片机;RE与DE引脚分别为接收与输出信号引脚，与单片机P37引脚相连。

2.2    隧道内停车信息采集

如图2所示，摄像头采用海康威视违章停车取证球型摄像机iDS-2VS325-F836系列，包含开关量的报警输出，可以检测到隧道内出现停车的情况。将隧道内停车的信息接入单片机。

2.3    声光报警电路

如图2所示，声光报警器采用旋转爆闪警报灯JR-SG01，当发生报警的条件触发后，在隧道口和隧道内部进行声光报警。报警的语音信号可以实现定制，分多条语音信息分别触发。

3    报警逻辑

一般而言，积水超过27 cm时会封路，也就是说，积水超过27 cm，进气管负压就容易把水吸进进气口，导致发动机熄火。但由于汽车通过隧道需要时间，在积水水位升高的情况下，可能导致汽车在进隧道前水位低于27 cm，而行驶在隧道中时，水位超过27 cm;所以需要警示的水位就与汽车通过隧道的时间（隧道长度与汽车速度的比值）、水位升高的速度及加速度相关。其中，加速度即水位升高速度的变化，受降水量与地形条件的影响，当地面积水较多，降雨量没有特别大的变化时，则主要受地形条件的影响，即可认为加速度基本保持一致。

可得到需要警示的水位L1为：

式中：V1为隧道内车辆运行速度，由于积水时车辆运行速度较低，为安全起见，一般可取10 km/h;V2为水位升高的速度;L2为隧道长度;a为水位升高的加速度，由于加速度会影响水位升高的速度，所以此处将加速度单独作为一个运算部分。

当隧道水位超过警示水位的一半，且摄像头检测到内部有停止的汽车时，显示器直接显示禁止通行信息，防止汽车因无法前进困在隧道内。

当隧道内水位过高时，通过单片机播放语音，提醒隧道内的司机离开车辆。一般而言，当水位超过70 cm后建议弃车，因为此时车辆很难正常前行，且积水继续加深后车门将很难打开。

综上所述，报警逻辑可总结如下：

（1）当前水位≤1/2警示值，且摄像头监控到隧道内无拥堵时不进行警示，提醒隧道外车主通过。

（2）当1/2警示值<当前水位≤警示值，且摄像头监控到隧道内有拥堵时，显示器显示隧道内拥堵，提醒隧道外车主禁止通过。

（3）警示值<当前水位≤70 cm时，显示器显示当前水位，并提醒隧道外车主禁止通行。

（4）当前水位≥70 cm，且摄像头监控到隧道内有拥堵时，显示器显示当前水位，提醒隧道外车主禁止通行，并语音提醒隧道内车主下车。

4    结语

本文提出了基于51单片机的隧道积水报警系统，通过超声波液位计、摄像头检测液位及隧道内是否有停车的信息，将信息传给单片机，然后通过单片机对数据进行处理，分情况进行隧道内外的报警。制造样机并进行测试，在各报警条件下系统均能产生相应的报警信息，可以有效减少隧道积水时的人员伤亡。

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收稿日期：2020-08-27

作者简介：高又春（1984—），男，湖北监利人，硕士研究生，讲师，从事物联网研究工作。