基於物聯網的交通路段水深信息共享系統和方法與流程
2023-08-08 21:55:26 3
本發明涉及水自然災害監測裝置領域，特別是涉及一種基於物聯網的交通路段水深信息共享系統和方法。
背景技術：
近年來城市化是中國社會變遷的主旋律，根據現在的城市化速度，2030年後中國將有60%的人生活在城市裡。城市化的快速推進過程中，出現了一些新的問題，其中比較嚴重的由於盲目的擴張城市功能，一些城市已經在挑戰資源環境承載能力的物理極限。在國務院新聞辦召開的第二次全國溼地資源調查成果發布會上，國家林業局副局長張永利說，近十年來受到基建佔用威脅的溼地面積增加了10倍以上。溼地的急劇減少導致了一些城市失去蓄水功能，在降雨後水流會集中於街道導致交通水深快速上升。假若遇到厄爾尼諾的年份，較大的降水會導致一些城市遭受水災，往往給居民帶來的嚴重的生命財產損失。
一些交通道路特別是地勢複雜多變的道路，在降水後路面被水遮蓋，行人無法判定前方水深，盲目前行只會威脅生命安全。一般在降水後，交通管理部門會出動人員進行交通管制，在一些危險的路段設立警示牌。但是這種方法耗費大量人力，並且有效程度不高，由於誤入深水導致事故的事件依然層出不窮。
所以亟需一種能夠解決這一問題的設施或方法，不但能夠監測各路段的水深情況，並且能夠將水深信息實施傳遞給人們，讓人們及時避免進入危險區域，保障人民生命財產安全。
技術實現要素：
因此，本發明為了監測水深情況並將信息傳遞給人們，提供一種基於物聯網的交通路段水深信息共享系統和方法，利用超聲波能夠精確的獲得所監測位置的水深，並且依靠通訊網絡將水深信息傳遞到人們使用的終端設備。
本發明提供一種基於物聯網的交通路段水深信息共享系統和方法，硬體包括豎杆，外殼，PCB板，GSM通訊模塊，GSM天線，MCU，高壓脈衝發生器，A/D轉換電路，網罩殼，引腳，絕緣固定層，壓電晶片，錐形共振盤，阻抗匹配器，螺栓，電線；
所述豎杆安裝在各交通路段的地勢低洼處，所述外殼通過螺栓安裝在豎杆頂端，所述PCB板安裝在外殼內，所述GSM通訊模塊，GSM天線，MCU，高壓脈衝發生器，A/D轉換電路均安裝在PCB板上側，PCB板下側安裝有超聲波發射器和超聲波接收器，兩者結構較為相似，其中超生波發射器包括一個網罩殼、兩個引腳、一件絕緣固定層、一個壓電晶片、一個錐形共振盤，超聲波接收器包括另外一個網罩殼、兩個引腳、一件絕緣固定層、一個壓電晶片、一個錐形共振盤和一件阻抗匹配器；所述高壓脈衝發生器位於超聲波發射器正上方，用於提供瞬時高壓給超聲波發射器；所述A/D轉換電路位於超聲波接收器正上方，用於將超聲波接收器的電壓信號轉換為數位訊號；所述GSM通訊模塊通過結合GSM天線將獲取的水深信息傳遞到後臺資料庫。
本發明的工作原理是：
MCU控制高壓脈衝發生器發出高壓脈衝到超聲波發射器，高壓脈衝通過引腳和電線到達壓電晶片，壓電晶片受到瞬時高壓後產生振動，帶動錐形共振盤同步振動，產生一段超聲波；
超聲波向下傳播到水面後，發生反射和折射，其中反射光先傳播到超聲波接收器，另外的折射光在水底反射後，再次在水面發生折射，最後才被超聲波接收器接收，因此超聲波接收器會接收到兩次超聲波，兩次的接收時間差，即為超聲波在水下傳播所用時間。因為超聲波傳播方向豎直向下，所以超聲波從水面到水底的時間即為兩次超聲波接收時間差的一半。從而可以計算出水深。
交通管理部門建立交通路段水深資料庫，GSM通訊模塊通過GSM天線將水深數據傳遞到後臺資料庫，資料庫對民眾是開放查詢的，所有民眾可以通過網絡對交通路段的水深情況進行查詢，避免出行中發生意外。
本發明具有的有益效果是：
（1）充分利用交通路段的立杆或其它建築物，形成監測點；（2）多個監測點數據實時採集，形成水深監測網絡；（3）超聲波具有集中度高，無噪音汙染的優勢；（4）利用GSM網絡作為數據傳播媒介，形成完整的物聯網系統。
所以，這種基於物聯網的交通水深信息共享系統和方法，能夠有效的監測交通路段的水深狀況，對於維護交通安全穩定和保障人們生命財產安全有重大意義。
本發明的其他特徵和優點將在隨後的說明書中闡述，或者通過實施本發明而了解。
附圖說明
附圖僅用於示出具體實施例的目的，而並不認為是對本發明的限制。
圖1是本發明的整體裝配外觀圖。
圖2是本發明的俯視角度的局部裝配圖。
圖3是本發明的俯視角度的局部拆解圖。
圖4是本發明的仰視角度的局部裝配圖。
圖5是本發明中PCB板與其它零件的裝配示意圖。
圖6是本發明的超聲波發射器和接收器的外觀圖。
圖7是本發明的超聲波發射器和接收器的內部結構圖。
圖8是本發明的超聲波發射器的軸線剖面圖。
圖9是本發明的超聲波接收器的軸線剖面圖。
圖中標號：1-豎杆，2-外殼，3-PCB板，4-GSM通訊模塊，5-GSM天線，6-MCU，7-高壓脈衝發生器，8-A/D轉換電路，9-網罩殼，10-引腳，11-絕緣固定層，12-壓電晶片，13-錐形共振盤，14-阻抗匹配器，15-螺栓，16-電線，17-超聲波束。
具體實施方式
以下將結合附圖對本發明基於物聯網的交通水深信息共享系統和方法作進一步的詳細描述。
如圖1-7所示，一種基於物聯網的交通水深信息共享系統和方法，其硬體主要包括：硬體包括豎杆1，外殼2，PCB板3，GSM通訊模塊4，GSM天線5，MCU6，高壓脈衝發生器7，A/D轉換電路8，網罩殼9，引腳10，絕緣固定層11，壓電晶片12，錐形共振盤13，阻抗匹配器14，螺栓15，電線16；
所述豎杆1安裝在各交通路段的地勢低洼處，所述外殼2通過螺栓15安裝在豎杆1頂端，也可以安裝在其它可利用的建築物上；所述PCB板3安裝在外殼2內，所述GSM通訊模塊4，GSM天線5，MCU6，高壓脈衝發生器7，A/D轉換電路8均安裝在PCB板3上側，PCB板3下側安裝有超聲波發射器和超聲波接收器，兩者結構較為相似，其中超生波發射器包括一個網罩殼9、兩個引腳10、一件絕緣固定層11、一個壓電晶片12、一個錐形共振盤13，超聲波接收器包括另外一個網罩殼9、兩個引腳10、一件絕緣固定層11、一個壓電晶片12、一個錐形共振盤13和一件阻抗匹配器14；所述高壓脈衝發生器7位於超聲波發射器正上方，用於提供瞬時高壓給超聲波發射器；所述A/D轉換電路8位於超聲波接收器正上方，用於將超聲波接收器的電壓信號轉換為數位訊號；所述GSM通訊模塊4通過結合GSM天線5將獲取的水深信息傳遞到後臺資料庫。
進一步講，外殼2頂面開設小孔，將GSM天線5露出，小孔和GSM天線5之間設有密封圈，避免外界降水進入；外殼2底面開設兩個孔，將超聲波發射器和超聲波接收器露出。
進一步講，PCB板3是指印製電路板，上面印製有連接各元件的線路。
進一步講，MCU6是指單片微型計算機，通過閉合相應管腳，利用微電流控制繼電器開關的閉合，來控制高壓脈衝發生器7的開啟和停止。
進一步講，網罩殼9的底面為網狀，使得超聲波能夠順利通過，減少衰減，並且保護內部的各零件。
進一步講，絕緣固定層11的材料為環氧樹脂，既能將引腳10和壓電晶片12固定在網罩殼9上，同時有不會影響電流的傳導。
進一步講，壓電晶片12的材料為陶瓷，當電壓作用於壓電晶片12時，壓電晶片12就會隨著電壓和頻率的變化產生機械變形；同時，當振動壓電晶片12時，上面會相應產生電荷。
進一步講，錐形共振盤13使得超聲波得以沿盤子軸線方向，向外傳播，同時能聚攏外界傳來的超聲波。
進一步講，阻抗匹配器14僅安裝在超聲波接收器中，包裹在錐形共振盤13的周圍，用來吸收傳遞來的所有超聲波，使得超聲波不會再沿原路徑反射到波源，提升能源效益和精度。
進一步講，如圖8-9所示，在超聲波發射器和超聲波接收器中，網罩殼9內的元器件自上而下依次是引腳10、絕緣固定層11、壓電晶片12、錐形共振盤13，引腳10上端伸出網罩殼9頂部，插進PCB板3中，引腳10中部被絕緣固定層11包裹，引腳10下端接有電線16，將引腳10和壓電晶片12相連通；壓電晶片12固定在絕緣固定層11的底部，錐形共振盤13開口向下，固定在壓電晶片12底部；在超聲波接收器中，錐形共振盤13外部還包裹有阻抗匹配器14。
超聲波是一種頻率高於20000赫茲的聲波。它每秒的振動次數甚高，超出了人耳聽覺的一般上限，這種聽不見的聲波叫做超聲波，它和可聞聲本質是一樣的，都是一種機械振動模式，通常以縱波的方式在彈性介質內傳播，是一種能量的傳播形式。超聲波的波長短，方向性好。
首先，MCU6控制高壓脈衝發生器7發出高壓脈衝到超聲波發射器，高壓脈衝通過引腳10和電線16到達壓電晶片12，壓電晶片12受到瞬時高壓後產生振動，帶動錐形共振盤13同步振動，產生一段超聲波；
超聲波向下傳播到水面後，發生反射和折射，其中反射光先傳播到超聲波接收器，另外的折射光在水底反射後，再次在水面發生折射，最後才被超聲波接收器接收，設水面直接反射的超聲波的整個路徑所用時間為T1，路過水下的超聲波的整個路徑所用時間為T2，T2-T1即為超聲波在水下傳播所用時間，(T2-T1)/2即為超聲波從水面到水底所用時間，超聲波在水裡的傳播速度為v，那麼水深h=v*(T2-T1)/2。
本發明還包括利用這種基於物聯網的交通路段水深信息的共享方法：
在設立每套水深監測裝置時，都有給予唯一編碼，並且記錄位置信息；
交通管理部門建立交通路段水深資料庫，資料庫中包含編碼項、位置信息項、水深數據項，GSM通訊模塊通過GSM天線將水深數據實時傳遞到後臺資料庫，資料庫對民眾是開放查詢權限，所有民眾可以通過網絡，使用電腦、手機等終端設備登錄資料庫，對交通路段的水深情況進行查詢，為民眾為出行提供更好的安全保障。
以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。