第一章 引言
 

　　1.1 城市內澇與積水監測的緊迫性
 

　　全球氣候變化與城市化進程加速導致降雨事件頻發，城市排水系統超負荷運轉問題日益突出。據統計，我國每年因內澇造成的經濟損失超過百億元，其中70%的災害源于排水管網失效。傳統人工巡查與水位計監測存在響應滯后、覆蓋盲區大等問題，亟需部署智能化監測系統——地埋式積水監測預警系統。
 

　　1.2 超聲波傳感器的技術優勢
 

　　超聲波傳感器通過高頻聲波反射原理實現非接觸式測量，具有以下核心優勢：
 

　　高精度：分辨率達毫米級(±1mm)，滿足《城市排水設計規范》要求；
 

　　環境適應性：耐水淹、耐腐蝕，可長期埋設于地下復雜環境中；
 

　　實時動態監測：支持毫秒級響應與連續數據采集。
 

　　1.3 系統建設目標
 

　　地埋式積水監測預警系統需實現：
 

　　全生命周期管理：從管道敷設到運維的全過程監控；
 

　　多參數協同：水位、流量、水質(如濁度、溶解氧)一體化檢測；
 

　　智能預警：基于歷史數據與AI算法預測內澇風險并自動觸發應急措施。
 

　　第二章 超聲波傳感器技術原理
 

　　2.1 超聲波測距基礎
 

　　2.1.1 工作原理
 

　　發射與接收：傳感器發射40-48kHz高頻超聲波脈沖，經水體反射后被接收換能器捕捉；
 

　　時間差計算：通過飛行時間(ToF)計算聲波傳播距離，公式為：
 

 

　　其中，Δt為發射與接收信號的時間差，聲速取1484m/s(水溫20℃)。
 

　　2.1.2 關鍵性能指標
 

　　

 

　　2.2 超聲波傳感器的選型與安裝
 

　　2.2.1 根據應用場景選型
 

　　短管型傳感器(直徑20-30mm)：適用于家庭排水管與小型支線；
 

　　長桿型傳感器(直徑50-80mm)：用于主干管道與檢查井；
 

　　法蘭式安裝傳感器：適配大型管道與工業場景。
 

　　2.2.2 安裝規范
 

　　垂直埋設：傳感器軸線與管道中心線重合，傾斜角度≤1°；
 

　　防水密封：采用環氧樹脂封裝，避免泥沙侵入導致信號衰減；
 

　　信號屏蔽：避免鄰近大功率電器(如水泵)產生的電磁干擾。
 

　　第三章 系統架構與硬件設計
 

　　3.1 地埋式積水監測預警系統組成
 

　　3.1.1 硬件層
 

　　超聲波傳感器陣列：部署于管道內壁或井蓋下方，實現多點水位監測；
 

　　數據采集模塊：集成高精度ADC(模數轉換器)與微控制器(如STM32)；
 

　　通信模塊：支持LoRa/NB-IoT/4G，實現數據遠傳與遠程控制；
 

　　電源系統：太陽能電池板+蓄電池組合，續航時間≥365天。
 

　　3.1.2 軟件層
 

　　嵌入式算法：實時濾波(卡爾曼濾波)與異常值剔除；
 

　　云端平臺：基于時間序列分析(ARIMA)的洪水預測模型；
 

　　移動端應用：微信/短信預警推送與地圖可視化。
 

　　3.2 關鍵技術突破
 

　　3.2.1 動態噪聲抑制
 

　　場景：污水流動產生的氣泡與懸浮物干擾超聲波信號；
 

　　方案：
 

　　多普勒頻移補償：通過頻域分析消除水流速度影響；
 

　　自適應濾波：基于小波包分解的時頻域聯合降噪。
 

　　3.2.2 溫度漂移補償
 

　　實現方式：
 

　　內置溫度傳感器實時采集環境溫度；
 

　　基于多項式回歸模型修正水位測量值。