1  选题背景与意义

近年来，厄尔尼诺现象、极端天气和城市化快速发展等因素导致城市内涝频发，全球平均地表温度预计到2035年将继续上升0.3～0.7℃，全球总人数到2050年将上升至93亿，城市人口占比将上升至68%，发展中国家的变化更加明显，这将加剧未来的城市内涝灾害，席卷着各个城市，严重影响人民的正常出行。受全球变暖的影响，短时强降水的发生频率逐渐增加，给我国城市带来了严重的城市洪涝灾害，不仅造成了巨大的经济利益损失，而且危害了人们的生命安全。随着城市化进程的加快和道路交通的高速发展，私家车数量逐年剧增，为减缓交通压力，各大城市陆续建立了数量巨大的桥洞、立交桥、高架桥等方便人们出行，随着立交桥和隧道在城市道路中占比越来越大，这些路段成为城市中最容易积水的地方。如果没有一套完整的积水监测及预警系统，车辆一旦驶入该路段，将会对人身财产带来极大的安全隐患。而暴雨天气下会导致城市排水系统瘫痪，使道路低洼处的桥洞大量积水存在水情隐患，无法及时排出。桥洞积水不仅影响城市交通，还可能引发城市内涝，对人们的生命财产安全构成威胁，因此建立完善的涵洞积水预警系统已迫在眉睫。目前全国范围的强降雨对城市的道路交通造成了很大的危害，严重威胁了市民的出行安全，但是国内城市道路积水监测并没有完整的体系。

1、涵洞积水预警系统能够实时监测桥洞内的积水情况，及时发现积水超过阈值极限，及时响应预警，通过LED预警指示灯、显示屏和挡车器阻止行车及车辆通行，进而有效预防车辆和行人因涵洞积水过高而发生交通事故，提升交通安全；

2、通过监测涵洞内的积水情况，可以及时掌握降雨情况，为科学防洪决策提供数据支持，有效预防和减少洪涝灾害的发生，提醒政府管理人员积极的去改善涵洞、城市的凹道、下穿隧道及立交桥下低洼处的排水设施，减少给人们带来的不便。

3、涵洞积水会导致交通拥堵和延误，给人们的出行带来不便。通过监测涵洞积水情况，可以判断涵洞的通行能力，可以判断涵洞的通行能力，合理安排交通流向，避免拥堵现象的发生，提高通行效率。

4、为科学防洪决策提供数据支持，有效预防和减少洪涝灾害的发生，提醒政府管理人员积极的去改善涵洞、下穿隧道及立交桥下等低洼处的排水设施，减小给人们带来的不便。涵洞积水预警系统是城市排水系统的重要组成部分，它的应用可以提高城市排水设施的管理水平，促进城市基础设施的优化和完善。

2  技术框架

STM32单片机+Wi-Fi无线通信技术+腾讯云平台+小程序

3  实现功能

1. 积水监测：利用超声波传感器实时检测涵洞内的水位的实时距离，显示于OLED显示屏。（测量原理：选用超声波传感器测量涵洞积水的水位，把传感器固定在一个已知确定的高度，当液面上升时，超声波测量的距离变短；当液面下降时，超声波测量的距离变长，已知高度减去超声波测得的距离就是实际的水位。
2. 阈值设定：可以根据实际情况通过微信小程序和按键设定超声波的安装高度和水位阈值。

3. 提醒行人车辆：当积水水位低于设定阈值的最小值，绿色指示灯亮，屏幕显示“正常通行”，当积水水位处于设定阈值范围内，黄色指示灯亮，屏幕显示“谨慎通行”，当积水水位高于设定阈值的最大值，蜂鸣器报警，红色指示灯亮，屏幕显示“禁止通行”，放下挡车栏杆，并通过微信公众号推送消息“XX路段积水水位过高，请及时处理”给防汛管理人员。

4. 位置监测：通过GPS定位模块实时定位检测点，防汛管理人员可通过微信小程序查看该低洼路段的经度和纬度。

5. 一键求助：在紧急情况下，被困人员可以按下求助按键进行求助，按下按键后，自动推送消息“XX路段有被困人员，请及时救援”给防汛管理人员。

6. 屏幕可视化：通过OLED显示屏显示该路段实时的积水水位情况及相关提示信息。

7. 腾讯云平台远程监测：通过WiFi无线通信技术将监测数据上传至腾讯云平台，在腾讯云平台可以实时查看数据记录，并可以通过数据曲线进行展示数据，微信小程序端可以进行积水水位、经纬度数据情况的监测、阈值的设定和接收积水水位预警。

4  系统总体设计

涵洞积水预警系统分为设备感知层、传输层和应用层三部分。设备感知层由STM32单片机作为微控制器对城市低洼地段的积水相关数据进行采集、处理、显示和传输，搭载HC-SR04超声波传感器、NEO-6M GPS定位模块和紧急求助模块、屏幕显示模块、蜂鸣器报警模块、指示灯预警模块和挡车器模块实现对城市低洼地段的积水情况及位置信息进行采集，在数据异常时，能够根据积水情况联合蜂鸣器、挡车器、屏幕显示、指示灯做出正确提示，来对提醒过往车辆及行车。传输层采用的是WiFi无线通信技术接入将监测的积水数据传输至腾讯云平台实现远程数据交互。应用层是分为电脑端腾讯云平台和手机端微信小程序，实现数据远程可视化，其中电脑端腾讯云平台可以便于管理人员查看数据及历史记录和对积水情况进行曲线分析；防汛管理人员手机端微信小程序可以查看低洼地段的积水数据、设定安装高度、起始报警水位和局限报警水位和远程接收紧急求助和水位超过极限的公众号预警。

5  实物效果图

实物图展示

手机端消息预警