城市智慧化，智能井蓋系統(tǒng)
發(fā)表時(shí)間：2018-12-17 10:01:07 瀏覽次數(shù)：536
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城市智慧化，已成為繼工業(yè)化、信息化、電氣化之后的第四次浪潮，建設(shè)智慧城市，是世界城市發(fā)展的前沿趨勢(shì)?，F(xiàn)如今，許多城市的雨水排水管道經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，嚴(yán)重影響排水，致使道路頻繁出現(xiàn)積水，給人們的生活和出行帶來(lái)嚴(yán)重不便。另外，井蓋被盜、損壞的現(xiàn)象近幾年時(shí)有發(fā)生，并伴隨有行人跌落下水道的現(xiàn)象出現(xiàn)。公路車流量過(guò)多，也影響到交通狀況和人們的出行。對(duì)市政各方面的問(wèn)題進(jìn)行系統(tǒng)化管理是非常有必要的。同時(shí)在技術(shù)發(fā)展方面，隨著無(wú)線傳感器智能感知技術(shù)的進(jìn)步和NB-IOT移動(dòng)通信技術(shù)的飛速發(fā)展與部署以及寬帶Internet的迅速普及，也為“智慧城市市政管理”建設(shè)提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。 1 系統(tǒng)功能 我們?yōu)槌鞘泄芾碚叽蛟煲豢钅軌蜻h(yuǎn)程監(jiān)測(cè)井蓋狀態(tài)、車流量，以及管道堵塞情況等信息，同時(shí)能夠在出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)及時(shí)報(bào)警并做出更高效的處理方案的智能型市政管理平臺(tái)。該產(chǎn)品還可以通過(guò)可視化的方式完成全部操作。2 基本設(shè)計(jì)思路 2.1 水流狀態(tài)監(jiān)測(cè) 各個(gè)節(jié)點(diǎn)利用超聲波模塊檢測(cè)水位高度，相鄰節(jié)點(diǎn)間水位高度進(jìn)行比較，從而判斷是否發(fā)生堵塞（若相鄰節(jié)點(diǎn)水位相差較大，可認(rèn)為兩結(jié)點(diǎn)間排水管道發(fā)生堵塞，通過(guò)高度差可以大致判斷堵塞嚴(yán)重程度）。堵塞檢測(cè)示意圖如圖1所示。 收集各個(gè)時(shí)刻的水位信息，生成水位高度變化曲線，當(dāng)水位高度增加速度過(guò)快時(shí)，觸發(fā)報(bào)警。 將模塊放在靠近水井的涵洞頂端，排除地面不平整的影響。超聲波測(cè)距的原理是利用超聲波在空氣中的傳播速度為已知，測(cè)量聲波在發(fā)射后遇到障礙物反射回來(lái)的時(shí)間，根據(jù)發(fā)射和接收的時(shí)間差計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)到障礙物的實(shí)際距離。當(dāng)檢測(cè)到相鄰節(jié)點(diǎn)水位不同時(shí)，能夠在上位機(jī)軟件上突出顯示，從而更快地解決問(wèn)題。 2.2 井蓋姿態(tài)檢測(cè) 利用陀螺儀模塊檢測(cè)井蓋角度變化，從而判斷井蓋是否松動(dòng)或者被無(wú)故開啟，以實(shí)現(xiàn)防盜和檢測(cè)松動(dòng)功能。 MPU6050具有角加速度和加速度檢測(cè)功能，且精度非常高，可以檢測(cè)到微小的角度變化，采用I2C通信協(xié)議，操作簡(jiǎn)單?？蓪PU6050水平貼附于井蓋，當(dāng)井蓋被開啟時(shí)，模塊檢測(cè)出角度變化并返回信息。若井蓋松動(dòng)，當(dāng)有人或車輛經(jīng)過(guò)井蓋時(shí)，井蓋發(fā)生微小角度變化，通過(guò)判斷MPU6050返回的信息可以判斷井蓋是否松動(dòng)。如井蓋傾斜大于30°則判斷為抬起，角度在-5°～5°之間波動(dòng)不斷則判斷為松動(dòng)。 2.3 地表環(huán)境監(jiān)控
監(jiān)測(cè)地表溫度和濕度，判斷天氣情況，并做出一定反饋。
2.3.1 濕度檢測(cè)
將濕度傳感器安裝于井蓋內(nèi)側(cè)邊緣處，實(shí)時(shí)檢測(cè)濕度狀況并反饋給各節(jié)點(diǎn)的中央處理系統(tǒng)，當(dāng)陰雨天氣濕度較高或者路面積水通過(guò)井蓋邊緣滲入時(shí)，濕度超過(guò)特定值，中央處理系統(tǒng)做出響應(yīng)，提高與主機(jī)的通信頻率，反饋實(shí)時(shí)信息，有利于管理人員在緊急狀況下掌握更多信息。
2.3.2 溫度檢測(cè)
將溫度傳感器固定在井蓋下方，采集地表溫度信息并上報(bào)，有利于市政部門掌握城市各處的溫度狀況，并對(duì)溫度過(guò)高的地區(qū)采取降溫措施（可利用上位機(jī)生成溫度變化曲線，對(duì)未來(lái)溫度進(jìn)行預(yù)測(cè)） 。
采用溫度傳感器LM35DZ，該芯片體積小巧，精確度較高，數(shù)據(jù)可以精確到小數(shù)點(diǎn)后兩位，芯片可采用單總線通信方式，操作簡(jiǎn)單。
2.4 車流量監(jiān)測(cè)
在井蓋上加裝車輛檢測(cè)模塊，用于檢測(cè)車流量，并反映給市政管理部門以作參考。
初步計(jì)劃使用地磁傳感器實(shí)現(xiàn)車流量監(jiān)測(cè)功能。該模塊可以精確地探測(cè)出周圍的磁場(chǎng)情況，當(dāng)附近有車輛經(jīng)過(guò)時(shí)，會(huì)對(duì)地磁場(chǎng)產(chǎn)生干擾，模塊檢測(cè)到磁場(chǎng)發(fā)生變化，就可以判定有車輛經(jīng)過(guò)。目前市場(chǎng)上該模塊主要被用于車位檢測(cè)中。該模塊的主要優(yōu)點(diǎn)如下：
?。?）體積小巧。模塊可以方便地應(yīng)用于產(chǎn)品中；
?。?）靈敏度高。模塊對(duì)地球磁場(chǎng)的變化非常靈敏能檢測(cè)到3 m以外的車輛移動(dòng)；
?。?）超低功耗。模塊平均工作電流低于200 μA，且工作電壓可低至2.0 V，最大限度地延長(zhǎng)電池使用壽命（兩節(jié)5號(hào)南孚電池可工作3個(gè)月以上，專業(yè)的大容量工業(yè)電池則可工作5年以上，超大容量的電池甚至能工作10年以上或者由電池保質(zhì)期決定）。
?。?）簡(jiǎn)單易用。模塊提供了開關(guān)量接口和UART串口。開關(guān)量接口可供高低電平輸出，高電平表示有車，低電平表示無(wú)車；UART串口提供定時(shí)狀態(tài)報(bào)告、參數(shù)設(shè)置等功能。
2.5 數(shù)據(jù)傳輸
2.5.2 NB-IOT部分
NB-IOT部分用于將中央控制器（Beaglebone）處理后的信息發(fā)送到Internet。利用NB-IOT傳輸數(shù)據(jù)主要有以下優(yōu)勢(shì)：
（1）NB-IOT信號(hào)覆蓋范圍廣，可以保證所有數(shù)據(jù)都能順利傳輸?shù)交ヂ?lián)網(wǎng)；
?。?）網(wǎng)速可達(dá)到每秒20 K左右，足夠傳輸數(shù)據(jù)；
（3）與短信相比，利用NB-IOT傳輸數(shù)據(jù)費(fèi)用相對(duì)較低；
?。?）使用串口通信協(xié)議，操作簡(jiǎn)單。
2.5.3 服務(wù)器部分
考慮到NB-IOT模塊使用的IP地址是隨機(jī)分配的，用戶也需要在IP不同的設(shè)備上登錄，難以直接將采集到的信息發(fā)送給用戶的設(shè)備，故決定利用服務(wù)器平臺(tái)作為數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)站。所有采集到的信息先通過(guò)NB-IOT發(fā)送到服務(wù)器臨時(shí)存儲(chǔ)，用戶使用上位機(jī)訪問(wèn)服務(wù)器獲得數(shù)據(jù)。
2.7 智能控制界面
上位機(jī)從服務(wù)器平臺(tái)獲取數(shù)據(jù)，以可視化形式展現(xiàn)給用戶。通過(guò)可視化界面，用戶可以直觀地了解各個(gè)節(jié)點(diǎn)間的位置關(guān)系，方便地獲取各節(jié)點(diǎn)的水位、溫度、濕度、井蓋狀態(tài)、車流量等信息，當(dāng)出現(xiàn)各種異常狀況如發(fā)生堵塞、水位上升較快、井蓋狀態(tài)異常則及時(shí)向用戶反饋狀態(tài)和位置等信息。
上位機(jī)借用百度地圖提供的API將被監(jiān)視區(qū)域的地圖顯示在網(wǎng)頁(yè)中，各節(jié)點(diǎn)則被標(biāo)記在地圖上，一目了然。運(yùn)用python語(yǔ)言的django架構(gòu)以及html，js等語(yǔ)言，將各節(jié)點(diǎn)收集的數(shù)據(jù)在網(wǎng)頁(yè)中以圖表的形式呈現(xiàn)出來(lái)，點(diǎn)擊標(biāo)記即可查看。同時(shí)，報(bào)警功能可將問(wèn)題及時(shí)通知使用者。
3 整體框圖
該系統(tǒng)的整體框圖如圖4所示，并最終實(shí)現(xiàn)以下功能：
（1）盜竊報(bào)警，使用網(wǎng)絡(luò)通知市政部門及時(shí)解決井蓋缺失問(wèn)題。
?。?）松動(dòng)報(bào)警，排除井蓋損壞造成的行人安全隱患。
?。?）管道堵塞報(bào)警，在可視化界面顯示堵塞處，協(xié)助清潔部門及時(shí)清理，排除隱患，防止城市內(nèi)澇的發(fā)生。
?。?）檢測(cè)地面溫度并傳回?cái)?shù)據(jù)。
（5）檢測(cè)水位并傳回?cái)?shù)據(jù)。
?。?）檢測(cè)地面濕度，并在濕度增加時(shí)提高傳輸頻率，有助于大雨預(yù)警。
?。?）車流量檢測(cè)，實(shí)時(shí)傳回?cái)?shù)據(jù)，協(xié)助交通管理。
（8）可視化界面顯示傳回的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行相應(yīng)處理與分類，為市政部門提供方便的操作環(huán)境。
?。?）建立數(shù)據(jù)庫(kù)，將傳回的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存，方便調(diào)用和分析。
4 結(jié) 語(yǔ)
本系統(tǒng)旨在為城市打造一款智能型市政管理平臺(tái)。為市民提供更加便利和安全的生活。把井蓋作為一個(gè)區(qū)域匯聚節(jié)點(diǎn)，集中傳輸和智能處理采集的數(shù)據(jù)是本項(xiàng)目的一大創(chuàng)新點(diǎn)，對(duì)排水、交通、道路安全等市政信息統(tǒng)籌兼顧，建設(shè)智慧城市是本項(xiàng)目的一大亮點(diǎn)。雖然現(xiàn)在供電和天線方面還存在些問(wèn)題，但是這些問(wèn)題對(duì)于工程師來(lái)說(shuō)不難解決，可以為人們的安全和生活質(zhì)量提供更多的保障。
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