摘 要

近几年来，我国多个城市的排水系统面临着严峻的暴雨内涝形势。去某地“看海”成了新鲜的网络流行语。为了让城市的排水系统更为有效的运行、实用且经济，为广大民众提供便捷的涝灾信息，减少民众的生命财产损失，城市内涝的在线监测研究非常有必要。

本文首先针对我国城市内涝面临的严峻形势，分析了城市内涝形成的人为原因，并对其在民众日常生活中的影响进行了分析。然后设计了一种通过监测暴雨时的雨量和水位情况，来实时反映涝灾情况的城市内涝在线监测系统。城市内涝在线监测系统主要由监测站点和监测中心两部分组成。其中监测站点由数据采集模块、外部存储器、通信模块等组成。本文通过比较多种无线数据传输方式，最终选择了GPRS传输数据。在微处理器方面，选择了EFM32G系列的芯片。水位传感器选择了TC401感应式数字液位传感器，雨量传感器选择了JDZ05-1不锈钢翻斗式雨量传感器。

关键词:城市内涝；传感器；GPRS；CAN总线

Abstract

In recent years, urban storm drainage system is facing the grim situation of water logging. Go somewhere and "to see the sea" have become a fresh network buzzwords. In order to make the drainage system of city more efficient, practical and economical, and to provide convenient information on floods for the general public ,and to reduce the loss of life and property of the people, on-line monitoring of urban water logging is very necessary.

First ,to grim situation that China's urban water logging is facing ,I analyzes the formation of urban water logging for man-made ,and the harm of urban water logging in terms of food, clothing, stay, and travel for urban residents. I design a online monitoring system of urban water logging. by monitoring rainfall and water depth in real time when it is rainstorms. Urban water logging on-line monitoring system mainly consists of monitoring stations and monitoring centers. Monitoring sites include data acquisition module ,external memory ,communication module and so on. comparing a variety of wireless data transmission ,finally I select GPRS for data transmission. In microprocessors, I choose EFM32G series chips. In the depth of detector ,I choose the TC401 inductive digital level sensor. In the rain sensor, I choose JDZ05-1 stainless steel tipping bucket rain sensor.

Keywords: City water logging; sensor; GPRS ; CAN Bus

目录

摘要 I

Abstract II

目录 III

第一章 绪论 1

1.1 城市内涝问题研究 1

1.1.1 我国城市内涝面临的严峻形势 2

1.1.2 内涝成因研究 3

1.2 国内外研究现状 4

第二章 系统总体设计 6

2.1 系统整体框架设计 6

2.2 系统通信方式设计 7

2.3 本章小结 8

第三章 系统硬件设计 9

3.1 系统硬件总体设计 9

3.2 微处理器选择 10

3.3 数据采集模块设计 11

3.3.1 液位传感器 11

3.2.2 雨量传感器 12

3.3 CAN总线接口硬件电路设计 14

3.4 本章小结 15

第四章 现场总线与GPRS模块 16

4.1 CAN总线 16

4.2 GPRS技术及模块选型 16

4.2.1 GPRS 通信技术概述 16

4.2.2 GPRS模块选型 17

4.3本章小结 18

第五章 总结与展望 19

致谢 20

参考文献 21

第一章 绪论

1.1 城市内涝问题研究

城市积水问题会逐渐演变为城市内涝问题，城市内涝问题普遍存在于我国众多城市，成为困扰市民正常生活的灾害。改革开放后，伴随着经济的快速发展，我国城市数量及城市规模都发生了较大变化，城市内涝问题逐渐凸显，而城市内涝相关研究是从这一时期开始的^[1]。在2000年之前，我国学者对城市内涝问题的研究相对较少；一直到2009年，我国城市内涝问题变得十分严重，对其的研究才快速增多。最近几年来，有关城市内涝的研究文献的增长如下图。

在上世纪80年代，国内学者简单、浅显的叙述了城市内涝的形成原因。他们对沿江河流域城市因洪水引发的内涝和因暴雨引发的城市内涝进行了大量的研究。在防洪防涝的方面，注重简单的机排。例如李昭淑等人在研究关中盆地内涝情况时，总结了气象水文、地质地貌等方面的自然原因^[2]。

到上世纪90年代，学者们深入分析各种形成内涝的原因，首次将城市建设等人为因素纳入内涝成因；首次区分不同的内涝形式，和国外先进理论接轨。1991年顾朝林等人在研究苏皖城市洪涝灾害的时候，对城市的选址和建设方面进行了深入研究，还把城市内涝分为了点状、线状和片状3种类型^[3]。董扬在研究安徽省城镇洪涝灾害时提出了“截、排、蓄、分、引、植”多方法结合防治内涝的先进理念^[4]。

到2000-2013年，学者们对城市内涝的人为原因和自然原因进行了一定总结，对其中某一因素做了详细分析；对内涝地区进行实况模拟，建立了较为精确的内涝模型；与国外的技术手段和先进理论进行了驳接，寻找符合我国基本国情的防涝方法，并归纳总结了已经引入实践的先进理论。王林等人为完美再现内涝全过程，建立了产汇流模型、降雨模型、数字高程模型、排水模型，并把深圳作为例子做了验证^[5]。2011年刘卓等人在城市国际化论坛上介绍了如法国、英国、日本等在防治涝灾方面居于世界前沿国家的先进理念^[6]，对我国制定防治涝灾方案有很大的作用。

1.1.1 我国城市内涝面临的严峻形势

步入新世纪后，我国大力推动城市化发展，经济高速发展，人类生产活动对城市内涝灾害的影响逐渐凸显。基于城市的自身特点，例如水域面积不大，绿化不足等，使得雨水存储能力较差，会基于“汇水”而形成积水。此外，伴随着大型城市而出现的“热岛效应”，还容易引发暴雨，大量降水，容易形成内涝灾害。受季节性降雨影响，我国南方及北方靠海的广大地域，会因为梅雨、热雷雨等而在较短时间内形成大规模的地表径流，如果这些流水不能及时排出、清除，就会引发城市内的区域积水问题，进而引发经济损失甚至危害生命安全。根据相关报道，因暴雨而导致城市交通瘫痪，市民出行安全降低等问题，普遍困扰着我国多个大中型城市。依据相关统计结果，我国500余个不同层级的城市中，有超过300个城市出现过城市内涝问题^[7]。

最近几年，随着暴雨天气增多，强降雨现象普遍出现在城市中，在许多城市中都引发了路面积水的现象，导致国内诸多城市市区被雨水“淹没”。在近年来，网络上盛传的“到武汉大学看海”、“到杭州观水漫金山”等，都集中反映了这一问题。据当地气象局观测，武汉市在2011年6月18日的1：00-19:00间，总降水量超过193mm，创造了近13年来的最高记录；北京市在同年的6月23日，在16:00-19:00间的3个小时内，局部地区降水量超过182mm，而城区的平均降水量也达到了57mm，给城市排水系统带来了沉重压力。