智能井蓋，改善城市治理，助力智慧城市建設
發(fā)表時間：2019-01-05 16:16:20 瀏覽次數(shù)：499
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1 系統(tǒng)功能
我們?yōu)槌鞘泄芾碚叽蛟煲豢钅軌蜻h程監(jiān)測井蓋狀態(tài)、車流量，以及管道堵塞情況等信息，同時能夠在出現(xiàn)問題時及時報警并做出更高效的處理方案的智能型市政管理平臺。該產(chǎn)品還可以通過可視化的方式完成全部操作。
2 基本設計思路
2.1 水流狀態(tài)監(jiān)測
各個節(jié)點利用超聲波模塊檢測水位高度，相鄰節(jié)點間水位高度進行比較，從而判斷是否發(fā)生堵塞（若相鄰節(jié)點水位相差較大，可認為兩結(jié)點間排水管道發(fā)生堵塞，通過高度差可以大致判斷堵塞嚴重程度）。堵塞檢測示意圖如圖1所示。
收集各個時刻的水位信息，生成水位高度變化曲線，當水位高度增加速度過快時，觸發(fā)報警。
將模塊放在靠近水井的涵洞頂端，排除地面不平整的影響。超聲波測距的原理是利用超聲波在空氣中的傳播速度為已知，測量聲波在發(fā)射后遇到障礙物反射回來的時間，根據(jù)發(fā)射和接收的時間差計算出發(fā)射點到障礙物的實際距離。當檢測到相鄰節(jié)點水位不同時，能夠在上位機軟件上突出顯示，從而更快地解決問題。
2.2 井蓋姿態(tài)檢測
利用陀螺儀模塊檢測井蓋角度變化，從而判斷井蓋是否松動或者被無故開啟，以實現(xiàn)防盜和檢測松動功能。
MPU6050具有角加速度和加速度檢測功能，且精度非常高，可以檢測到微小的角度變化，采用I2C通信協(xié)議，操作簡單。可將MPU6050水平貼附于井蓋，當井蓋被開啟時，模塊檢測出角度變化并返回信息。若井蓋松動，當有人或車輛經(jīng)過井蓋時，井蓋發(fā)生微小角度變化，通過判斷MPU6050返回的信息可以判斷井蓋是否松動。如井蓋傾斜大于30°則判斷為抬起，角度在-5°～5°之間波動不斷則判斷為松動。
2.3 地表環(huán)境監(jiān)控
監(jiān)測地表溫度和濕度，判斷天氣情況，并做出一定反饋。
2.3.1 濕度檢測
將濕度傳感器安裝于井蓋內(nèi)側(cè)邊緣處，實時檢測濕度狀況并反饋給各節(jié)點的中央處理系統(tǒng)，當陰雨天氣濕度較高或者路面積水通過井蓋邊緣滲入時，濕度超過特定值，中央處理系統(tǒng)做出響應，提高與主機的通信頻率，反饋實時信息，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
將溫度傳感器固定在井蓋下方，采集地表溫度信息并上報，有利于市政部門掌握城市各處的溫度狀況，并對溫度過高的地區(qū)采取降溫措施（可利用上位機生成溫度變化曲線，對未來溫度進行預測） 。
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)點后兩位，芯片可采用單總線通信方式，操作簡單。
2.4 車流量監(jiān)測
在井蓋上加裝車輛檢測模塊，用于檢測車流量，并反映給市政管理部門以作參考。
初步計劃使用地磁傳感器實現(xiàn)車流量監(jiān)測功能。該模塊可以精確地探測出周圍的磁場情況，當附近有車輛經(jīng)過時，會對地磁場產(chǎn)生干擾，模塊檢測到磁場發(fā)生變化，就可以判定有車輛經(jīng)過。目前市場上該模塊主要被用于車位檢測中。該模塊的主要優(yōu)點如下：
（1）體積小巧。模塊可以方便地應用于產(chǎn)品中；
?。?）靈敏度高。模塊對地球磁場的變化非常靈敏能檢測到3 m以外的車輛移動；
?。?）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，最大限度地延長電池使用壽命（兩節(jié)5號南孚電池可工作3個月以上，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）。
?。?）簡單易用。模塊提供了開關量接口和UART串口。開關量接口可供高低電平輸出，高電平表示有車，低電平表示無車；UART串口提供定時狀態(tài)報告、參數(shù)設置等功能。
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：
?。?）NB-IOT信號覆蓋范圍廣，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)費用相對較低；
?。?）使用串口通信協(xié)議，操作簡單。
2.5.3 服務器部分
考慮到NB-IOT模塊使用的IP地址是隨機分配的，用戶也需要在IP不同的設備上登錄，難以直接將采集到的信息發(fā)送給用戶的設備，故決定利用服務器平臺作為數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)站。所有采集到的信息先通過NB-IOT發(fā)送到服務器臨時存儲，用戶使用上位機訪問服務器獲得數(shù)據(jù)。
2.7 智能控制界面
上位機從服務器平臺獲取數(shù)據(jù)，以可視化形式展現(xiàn)給用戶。通過可視化界面，用戶可以直觀地了解各個節(jié)點間的位置關系，方便地獲取各節(jié)點的水位、溫度、濕度、井蓋狀態(tài)、車流量等信息，當出現(xiàn)各種異常狀況如發(fā)生堵塞、水位上升較快、井蓋狀態(tài)異常則及時向用戶反饋狀態(tài)和位置等信息。
上位機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)頁中，各節(jié)點則被標記在地圖上，一目了然。運用python語言的django架構(gòu)以及html，js等語言，將各節(jié)點收集的數(shù)據(jù)在網(wǎng)頁中以圖表的形式呈現(xiàn)出來，點擊標記即可查看。同時，報警功能可將問題及時通知使用者。
3 整體框圖
該系統(tǒng)的整體框圖如圖4所示，并最終實現(xiàn)以下功能：
（1）盜竊報警，使用網(wǎng)絡通知市政部門及時解決井蓋缺失問題。
?。?）松動報警，排除井蓋損壞造成的行人安全隱患。
?。?）管道堵塞報警，在可視化界面顯示堵塞處，協(xié)助清潔部門及時清理，排除隱患，防止城市內(nèi)澇的發(fā)生。
?。?）檢測地面溫度并傳回數(shù)據(jù)。
?。?）檢測水位并傳回數(shù)據(jù)。
?。?）檢測地面濕度，并在濕度增加時提高傳輸頻率，有助于大雨預警。
（7）車流量檢測，實時傳回數(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)，并進行相應處理與分類，為市政部門提供方便的操作環(huán)境。
?。?）建立數(shù)據(jù)庫，將傳回的數(shù)據(jù)儲存，方便調(diào)用和分析。
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