第一章 引言
1.1 城市内涝与积水监测的紧迫性
全球气候变化与城市化进程加速导致降雨事件频发，城市排水系统超负荷运转问题日益突出。据统计，我国每年因内涝造成的经济损失超过百亿元，其中70%的灾害源于排水管网失效。传统人工巡查与水位计监测存在响应滞后、覆盖盲区大等问题，亟需部署智能化监测系统——地埋式积水监测预警系统。
1.2 超声波传感器的技术优势
超声波传感器通过高频声波反射原理实现非接触式测量，具有以下核心优势：
高精度：分辨率达毫米级(±1mm)，满足《城市排水设计规范》要求；
环境适应性：耐水淹、耐腐蚀，可长期埋设于地下复杂环境中；
实时动态监测：支持毫秒级响应与连续数据采集。
1.3 系统建设目标
地埋式积水监测预警系统需实现：
全生命周期管理：从管道敷设到运维的全过程监控；
多参数协同：水位、流量、水质(如浊度、溶解氧)一体化检测；
智能预警：基于历史数据与AI算法预测内涝风险并自动触发应急措施。
第二章 超声波传感器技术原理
2.1 超声波测距基础
2.1.1 工作原理
发射与接收：传感器发射40-48kHz高频超声波脉冲，经水体反射后被接收换能器捕捉；
时间差计算：通过飞行时间(ToF)计算声波传播距离，公式为：
其中，Δt为发射与接收信号的时间差，声速取1484m/s(水温20℃)。
2.1.2 关键性能指标
| 参数 | 典型值 | 说明 |
| 工作频率 | 40kHz | 兼容多数管道材质与水质条件 |
| 测量范围 | 0-5m | 覆盖城市主干管与支线管道 |
| 温度补偿 | ±0.1% per ℃ | 确保不同季节测量精度稳定 |
| 抗干扰能力 | IP68防护等级 | 适应污水、泥沙等恶劣工况 |
2.2 超声波传感器的选型与安装
2.2.1 根据应用场景选型
短管型传感器(直径20-30mm)：适用于家庭排水管与小型支线；
长杆型传感器(直径50-80mm)：用于主干管道与检查井；
法兰式安装传感器：适配大型管道与工业场景。
2.2.2 安装规范
垂直埋设：传感器轴线与管道中心线重合，倾斜角度≤1°；
防水密封：采用环氧树脂封装，避免泥沙侵入导致信号衰减；
信号屏蔽：避免邻近大功率电器(如水泵)产生的电磁干扰。
第三章 系统架构与硬件设计
3.1 地埋式积水监测预警系统组成
3.1.1 硬件层
超声波传感器阵列：部署于管道内壁或井盖下方，实现多点水位监测；
数据采集模块：集成高精度ADC(模数转换器)与微控制器(如STM32)；
通信模块：支持LoRa/NB-IoT/4G，实现数据远传与远程控制；
电源系统：太阳能电池板+蓄电池组合，续航时间≥365天。
3.1.2 软件层
嵌入式算法：实时滤波(卡尔曼滤波)与异常值剔除；
云端平台：基于时间序列分析(ARIMA)的洪水预测模型；
移动端应用：微信/短信预警推送与地图可视化。
3.2 关键技术突破
3.2.1 动态噪声抑制
场景：污水流动产生的气泡与悬浮物干扰超声波信号；
方案：
多普勒频移补偿：通过频域分析消除水流速度影响；
自适应滤波：基于小波包分解的时频域联合降噪。
3.2.2 温度漂移补偿
实现方式：
内置温度传感器实时采集环境温度；
基于多项式回归模型修正水位测量值。
