為解決目前城市排水系統(tǒng)存在的各種問題，采集城市內(nèi)一些重要信息，我們設(shè)計了基于智能井蓋的市政一體化系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要針對城市排水井蓋進行功能拓展，通過各種傳感器監(jiān)測下水道水位信息、地表溫濕度信息、井蓋狀態(tài)信息(如啟閉、松動等)和車流量信息，并將這些信息傳入互聯(lián)網(wǎng)，且當某部分狀態(tài)異常時可以自動向用戶報警。城市管理者可通過上位機輕松訪問相關(guān)數(shù)據(jù),通過數(shù)據(jù)分析判斷堵塞位置等問題所在。使用該系統(tǒng)可以更容易地掌握城市各方面信息，大大減少城市管理者工作量。

一、 項目背景

現(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，致使道路三天兩頭出現(xiàn)積水，給人們的生活和出行帶來嚴重不便。另外，井蓋被盜、損壞近幾年時有發(fā)生，經(jīng)常伴隨出現(xiàn)行人跌落下水道的現(xiàn)象。公路車流量過多，也影響到交通狀況和人們的出行。對于市政各方面的問題進行系統(tǒng)化的管理是有必要的。同時在技術(shù)發(fā)展方面，隨著無線傳感器的智能感知技術(shù)的進步和GPRS/3G移動通信技術(shù)的飛速發(fā)展和部署以及寬帶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)。

二、 目標

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一個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。

三、 產(chǎn)品功能

1. 盜竊報警，并使用網(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，并在可視化界面顯示堵塞位置。顯示管道維修車的位置，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數(shù)據(jù)頻率，有助大雨預警。

7. 檢測車流量，并實時傳回數(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。

四、 本項目的特色與創(chuàng)新

本項目把井蓋作為一個區(qū)域匯聚節(jié)點，集中傳輸和智能處理數(shù)據(jù)。結(jié)合檢測下水道的堵塞自動報警，檢測實時車流量，井蓋出現(xiàn)問題自動報警并構(gòu)建基于物聯(lián)網(wǎng)的輔助控制系統(tǒng)是本項目的一大創(chuàng)新。平時，城市市政因系統(tǒng)各自分立，信息不統(tǒng)一、不準確、不完整、不及時等給城市安全、環(huán)保造成問題。而本項目通過井蓋系統(tǒng)定時向運營平臺發(fā)送數(shù)據(jù)，并通過檢測在下雨天增加發(fā)送頻率，保證信息的實時性。

五、 基本設(shè)計思路

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。

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。

我們準備將模塊放在靠近水井的涵洞頂端，排除地面不平正的影響。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，從而更快的解決問題。

2. 井蓋姿態(tài)監(jiān)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，且精度特別高，可以檢測到微小的角度變化，采用IIC通信協(xié)議，操作簡單。可將mpu6050水平貼附于井蓋上，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度則判斷為抬起，角度在-5—5之間波動不斷則判斷為松動。

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。

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。

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)

溫度傳感器可采用TI公司的溫度傳感器LM35DZ，該芯片體積小巧，精確度較高，可以精確到小數(shù)點后兩位，采用單總線通信方式，操作簡單。

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用作參考。

初步計劃使用地磁傳感器實現(xiàn)這一功能。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。

主要優(yōu)點：

1、體積小巧：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，單就靈敏度而言，能感測到3米以外的車輛移動；

3、超低功耗：模塊平均工作電流低于200uA，且工作電壓可低至2.0V，最大限度延長電池使用壽命。（參考數(shù)據(jù)：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：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。

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)匯總后用GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)椒?wù)器，最終上位機訪問服務(wù)器獲得數(shù)據(jù)。為演示方便，我們計劃使用局域網(wǎng)進行演示。（見圖二）

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，我們決定用其在組內(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。

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)能順利傳輸?shù)交ヂ?lián)網(wǎng);

2、網(wǎng)速可達到每秒20k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。

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，我們決定利用服務(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)。

6. 中控

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(詳見5、數(shù)據(jù)傳輸--zigbee部分)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，8k的RAM，性能較高，足以協(xié)調(diào)控制各個模塊。（見圖三）

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，我們決定采用beaglebone作為中央控制器。（見圖四）

因為相對于樹莓派，TI公司的beaglebone更適合以下場合：

（1）連接大量傳感器的項目——BBB提供的眾多接口可以很好的滿足這方面的需求.

（2）打算商用的項目——樹莓派的封閉性使得你構(gòu)建自己需要的最小系統(tǒng)變得很難；而基于開源的BBB，你可以很容易構(gòu)建自己的最小系統(tǒng)；

（3）僅僅需要其“運行”的項目——BBB“即買即用”的特性（不需要自己去安裝系統(tǒng)）可以為你節(jié)省很多時間。

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)異常時，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)頁以圖表的形式呈現(xiàn)，點擊標記即可查看。同時，報警功能可將問題及時的通知使用者。

六、 整體框圖

七、 預期目標

系統(tǒng)設(shè)計完成后，我們著手完成各個分系統(tǒng)，在軟硬件結(jié)合后進行調(diào)試，最終組合完成最后的完整作品。

最終實現(xiàn)以下功能

1. 盜竊報警，并使用網(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，并在可視化界面顯示堵塞處。顯示管道維修車的位置，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數(shù)據(jù)頻率，有助大雨預警。

7. 車流量檢測，并實時傳回數(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。

八、 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)在我們產(chǎn)品還不能延伸到人類生活的每個角落，但是我們一定會繼續(xù)改進我們的作品，為人們的安全和生活質(zhì)量提供更多的保障。

參考文獻

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