基于智能井蓋的物聯(lián)網(wǎng)＋市政一體化系統(tǒng)

引 言

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?，F(xiàn)如今，許多城市的雨水排水管道經(jīng)常會出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，嚴重影響排水，致使道路頻繁出現(xiàn)積水，給人們的生活和出行帶來嚴重不便。另外，井蓋被盜、損壞的現(xiàn)象近幾年時有發(fā)生，并伴隨有行人跌落下水道的現(xiàn)象出現(xiàn)。公路車流量過多，也影響到交通狀況和人們的出行。對市政各方面的問題進行系統(tǒng)化管理是非常有必要的。同時在技術(shù)發(fā)展方面，隨著無線傳感器智能感知技術(shù)的進步和GPRS/3G 移動通信技術(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)提供了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)功能

我們希望為城市管理者打造一款能夠遠程監(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(shè)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?？蓪PU6050 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(yīng)，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(yīng)用于產(chǎn)品中；

(2) 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；

(3) 超低功耗。模塊平均工作電流低于 200μA，且工作電壓可低至 2.0V，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）。

(4) 簡單易用。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，低電平表示無車 ；UART串口提供定時狀態(tài)報告、參數(shù)設(shè)置等功能。

2.5 數(shù)據(jù)傳輸

數(shù)據(jù)分級傳輸，小范圍內(nèi)采用ZigBee 組網(wǎng)傳輸信息，數(shù)據(jù)匯總后可用GPRS 網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)椒?wù)器，最終由上位機訪問服務(wù)器獲得數(shù)據(jù)。

2.5.1 ZigBee 部分

將相距較近的節(jié)點分為一組，將組內(nèi)每個節(jié)點的信息匯總在一起。由于ZigBee 方便組網(wǎng)，傳輸過程中保密性強，且自帶 16 位CRC 校驗，傳輸數(shù)據(jù)可靠，故決定用其在組內(nèi)傳輸信息。組內(nèi)所有節(jié)點信息由一臺與中央控制器（Beaglebone） 相連的ZigBee 接收，并由中央控制器進行統(tǒng)一處理。

2.5.2 GPRS部分

GPRS 部分用于將中央控制器（Beaglebone）處理后的信息發(fā)送到Internet。利用GPRS 傳輸數(shù)據(jù)主要有以下優(yōu)勢：

(1) GPRS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)；

(2) 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 GPRS傳輸數(shù)據(jù)費用相對較低；

(4) 使用串口通信協(xié)議，操作簡單。

2.5.3 服務(wù)器部分

考慮到GPRS 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(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)器平臺作為數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)站。所有采集到的信息先通過GPRS 發(fā)送到服務(wù)器臨時存儲，用戶使用上位機訪問服務(wù)器獲得數(shù)據(jù)。

2.6 中控

2.6.1 節(jié)點控制器

各個節(jié)點采用CC2530 作為控制器，用于協(xié)調(diào)控制溫度、濕度傳感器、超聲波距離傳感器、地磁傳感器和陀螺儀等的工作，并將采集到的信息通過ZigBee 發(fā)送到該節(jié)點所在組的中央控制器。

CC2530 是理想的ZigBee 專用芯片，它具有兩個 USART 控制器，21 個通用GPIO，兩個定時器，8 K 的RAM，性能較高，足以協(xié)調(diào)控制各個模塊。節(jié)點控制原理圖如圖 2 所示。

2.6.2 中央控制器

各個節(jié)點收集到的信息通過ZigBee 發(fā)送到與中央控制器相連的ZigBee 并由中央控制器進行統(tǒng)一處理，再通過GPRS發(fā)送到互聯(lián)網(wǎng)。

由于中央控制器要處理的數(shù)據(jù)較多，需要性能強大的處理器，故決定采用Beaglebone 作為中央控制器。圖 3 所示為中央處理器原理圖。

2.7 智能控制界面

上位機從服務(wù)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(guān)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(luò)通知市政部門及時解決井蓋缺 失問題。

（2）松動報警，排除井蓋損壞造成的行人安全隱患。

（3）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。

（4）檢測地面溫度并傳回數(shù)據(jù)。

（5）檢測水位并傳回數(shù)據(jù)。

（6）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(yīng)處理與分類， 為市政部門提供方便的操作環(huán)境。

（9）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。

4 結(jié) 語

本系統(tǒng)旨在為城市打造一款智能型市政管理平臺。為市 民提供更加便利和安全的生活。把井蓋作為一個區(qū)域匯聚節(jié) 點，集中傳輸和智能處理采集的數(shù)據(jù)是本項目的一大創(chuàng)新點， 對排水、交通、道路安全等市政信息統(tǒng)籌兼顧，建設(shè)智慧城 市是本項目的一大亮點。雖然現(xiàn)在供電和天線方面還存在些問 題，但是這些問題對于工程師來說不難解決，可以為人們的 安全和生活質(zhì)量提供更多的保障。