為解決目前城市排水系統(tǒng)存在的各種問(wèn)題，采集城市內(nèi)一些重要信息，我們?cè)O(shè)計(jì)了基于智能井蓋的市政一體化系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要針對(duì)城市排水井蓋進(jìn)行功能拓展，通過(guò)各種傳感器監(jiān)測(cè)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(dòng)等)和車流量信息，并將這些信息傳入互聯(lián)網(wǎng)，且當(dāng)某部分狀態(tài)異常時(shí)可以自動(dòng)向用戶報(bào)警。城市管理者可通過(guò)上位機(jī)輕松訪問(wèn)相關(guān)數(shù)據(jù),通過(guò)數(shù)據(jù)分析判斷堵塞位置等問(wèn)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(xiàng)目背景

現(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，致使道路三天兩頭出現(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、損壞近幾年時(shí)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(guò)多，也影響到交通狀況和人們的出行。對(duì)于市政各方面的問(wèn)題進(jìn)行系統(tǒng)化的管理是有必要的。同時(shí)在技術(shù)發(fā)展方面，隨著無(wú)線傳感器的智能感知技術(shù)的進(jìn)步和GPRS/3G移動(dòng)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(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

二、 目標(biāo)

我們希望為城市管理者打造一款能夠遠(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一個(gè)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。

三、 產(chǎn)品功能

1. 盜竊報(bào)警，并使用網(wǎng)絡(luò)通知市政部門及時(shí)解決井蓋缺失問(wèn)題。

2. 松動(dòng)報(bào)警，排除井蓋損壞造成的行人安全隱患。

3. 管道堵塞報(bào)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(shí)清理，排除隱患，防止城市內(nèi)澇的發(fā)生。

4. 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)。

6. 檢測(cè)地面濕度，并在濕度增加時(shí)提高傳數(shù)據(jù)頻率，有助大雨預(yù)警。

7. 檢測(cè)車流量，并實(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。

9. 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。

四、 本項(xiàng)目的特色與創(chuàng)新

本項(xiàng)目把井蓋作為一個(gè)區(qū)域匯聚節(jié)點(diǎn)，集中傳輸和智能處理數(shù)據(jù)。結(jié)合檢測(cè)下水道的堵塞自動(dòng)報(bào)警，檢測(cè)實(shí)時(shí)車流量，井蓋出現(xiàn)問(wèn)題自動(dòng)報(bào)警并構(gòu)建基于物聯(lián)網(wǎng)的輔助控制系統(tǒng)是本項(xiàng)目的一大創(chuàng)新。平時(shí)，城市市政因系統(tǒng)各自分立，信息不統(tǒng)一、不準(zhǔn)確、不完整、不及時(shí)等給城市安全、環(huán)保造成問(wèn)題。而本項(xiàng)目通過(guò)井蓋系統(tǒng)定時(shí)向運(yùn)營(yíng)平臺(tái)發(fā)送數(shù)據(jù)，并通過(guò)檢測(cè)在下雨天增加發(fā)送頻率，保證信息的實(shí)時(shí)性。

五、 基本設(shè)計(jì)思路

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。

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。

我們準(zhǔn)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(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，從而更快的解決問(wèn)題。

2. 井蓋姿態(tài)監(jiān)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(kāi)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，且精度特別高，可以檢測(cè)到微小的角度變化，采用IIC通信協(xié)議，操作簡(jiǎn)單?？蓪pu6050水平貼附于井蓋上，當(dāng)井蓋被開(kāi)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度則判斷為抬起，角度在-5—5之間波動(dòng)不斷則判斷為松動(dòng)。

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。

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。

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))

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(diǎn)后兩位，采用單總線通信方式，操作簡(jiǎn)單。

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用作參考。

初步計(jì)劃使用地磁傳感器實(shí)現(xiàn)這一功能。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。

主要優(yōu)點(diǎn)：

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(duì)地球磁場(chǎng)的變化非常靈敏，單就靈敏度而言，能感測(cè)到3米以外的車輛移動(dòng)；

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(zhǎng)電池使用壽命。（參考數(shù)據(jù)：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，超大容量的甚至能工作10年以上或者由電池保質(zhì)期決定。）

4、簡(jiǎn)單易用： 模塊提供了開(kāi)關(guān)量接口和UART串口

開(kāi)關(guān)量接口：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。

5. 數(shù)據(jù)傳輸

數(shù)據(jù)分級(jí)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(jī)訪問(wèn)服務(wù)器獲得數(shù)據(jù)。為演示方便，我們計(jì)劃使用局域網(wǎng)進(jìn)行演示。（見(jiàn)圖二）

zigbee部分：

將相距較近的節(jié)點(diǎn)分為一組，將組內(nèi)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的信息匯總在一起。由于zigbee方便組網(wǎng)，傳輸過(guò)程中保密性強(qiáng)，且自帶16位crc校驗(yàn)，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(diǎn)信息由一臺(tái)與中央控制器(beaglebone)相連的zigbee接收，并由中央控制器進(jìn)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(shì):

1、GPRS信號(hào)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(dá)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(fèi)用相對(duì)較低;

4、使用串口通信協(xié)議，操作簡(jiǎn)單。

服務(wù)器部分：

考慮到GPRS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，我們決定利用服務(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)GPRS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)。

6. 中控

節(jié)點(diǎn)控制器:

各個(gè)節(jié)點(diǎn)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(guò)zigbee發(fā)送到該節(jié)點(diǎn)所在組(詳見(jiàn)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(gè)USART控制器，21個(gè)通用GPIO，兩個(gè)定時(shí)器，8k的RAM，性能較高，足以協(xié)調(diào)控制各個(gè)模塊。（見(jiàn)圖三）

中央控制器:

各個(gè)節(jié)點(diǎn)收集到的信息通過(guò)zigbee發(fā)送到與中央控制器相連的zigbee并由中央控制器進(jìn)行統(tǒng)一處理，再通過(guò)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(qiáng)大的處理器，我們決定采用beaglebone作為中央控制器。（見(jiàn)圖四）

因?yàn)橄鄬?duì)于樹(shù)莓派，TI公司的beaglebone更適合以下場(chǎng)合：

（1）連接大量傳感器的項(xiàng)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(xiàng)目——樹(shù)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(kāi)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(yùn)行”的項(xiàng)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(shí)間。

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)異常時(shí)，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)以圖表的形式呈現(xiàn)，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)的通知使用者。

六、 整體框圖

七、 預(yù)期目標(biāo)

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

最終實(shí)現(xiàn)以下功能

1. 盜竊報(bào)警，并使用網(wǎng)絡(luò)通知市政部門及時(shí)解決井蓋缺失問(wèn)題。

2. 松動(dòng)報(bào)警，排除井蓋損壞造成的行人安全隱患。

3. 管道堵塞報(bào)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(shí)清理，排除隱患，防止城市內(nèi)澇的發(fā)生。

4. 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)。

6. 檢測(cè)地面濕度，并在濕度增加時(shí)提高傳數(shù)據(jù)頻率，有助大雨預(yù)警。

7. 車流量檢測(cè)，并實(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。

9. 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。

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

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