智慧井蓋

城市智慧化，已成為繼工業化、資訊化、電氣化之後的第四次浪潮，建設智慧城市，是世界城市發展的前沿趨勢。現如今，許多城市的雨水排水管道經常會出現堵塞現象，嚴重影響排水，致使道路頻繁出現積水，給人們的生活和出行帶來嚴重不便。另外，井蓋被盜、損壞的現象近幾年時有發生，並伴隨有行人跌落下水道的現象出現。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化管理是非常有必要的。同時在技術發展方面，隨著無線感測器智慧感知技術的進步和NB-IOT移動通信技術的飛速發展與部署以及寬頻Internet的迅速普及，也為“智慧城市市政管理”建設提供了堅實的技術基礎。

1. 系統功能

　　我們為城市管理者打造一款能夠遠端監測井蓋狀態、車流量，以及管道堵塞情況等資訊，同時能夠在出現問題時及時報警並做出更高效的處理方案的智慧型市政管理平臺。該產品還可以通過視覺化的方式完成全部操作。 

2 基本設計思路 

2.1 水流狀態監測 

　　各個節點利用超聲波模組檢測水位高度，相鄰節點間水位高度進行比較，從而判斷是否發生堵塞（若相鄰節點水位相差較大，可認為兩結點間排水管道發生堵塞，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資訊，生成水位高度變化曲線，當水位高度增加速度過快時，觸發報警。 

　　將模組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，測量聲波在發射後遇到障礙物反射回來的時間，根據發射和接收的時間差計算出發射點到障礙物的實際距離。當檢測到相鄰節點水位不同時，能夠在上位機軟體上突出顯示，從而更快地解決問題。 

2.2 井蓋姿態檢測

　　利用陀螺儀模組檢測井蓋角度變化，從而判斷井蓋是否鬆動或者被無故開啟，以實現防盜和檢測鬆動功能。 

　　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，採用I2C通信協議，操作簡單。可將MPU6050水準貼附于井蓋，當井蓋被開啟時，模組檢測出角度變化並返回資訊。若井蓋鬆動，當有人或車輛經過井蓋時，井蓋發生微小角度變化，通過判斷MPU6050返回的資訊可以判斷井蓋是否鬆動。如井蓋傾斜大於30°則判斷為抬起，角度在-5°～5°之間波動不斷則判斷為鬆動。 

2.3 地表環境監控

　　監測地表溫度和濕度，判斷天氣情況，並做出一定回饋。 

2.3.1 濕度檢測

　　將濕度感測器安裝于井蓋內側邊緣處，即時檢測濕度狀況並回饋給各節點的中央處理系統，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，中央處理系統做出回應，提高與主機的通信頻率，回饋即時資訊，有利於管理人員在緊急狀況下掌握更多資訊。

2.3.2 溫度檢測

　　將溫度感測器固定在井蓋下方，採集地表溫度資訊並上報，有利於市政部門掌握城市各處的溫度狀況，並對溫度過高的地區採取降溫措施（可利用上位機生成溫度變化曲線，對未來溫度進行預測） 。 

　　採用溫度感測器LM35DZ，該晶片體積小巧，精確度較高，資料可以精確到小數點後兩位元，晶片可採用單匯流排通信方式，操作簡單。

2.4 車流量監測

　　在井蓋上加裝車輛檢測模組，用於檢測車流量，並反映給市政管理部門以作參考。 
　　初步計畫使用地磁感測器實現車流量監測功能。該模組可以精確地探測出周圍的磁場情況，當附近有車輛經過時，會對地磁場產生干擾，模組檢測到磁場發生變化，就可以判定有車輛經過。目前市場上該模組主要被用於車位元檢測中。該模組的主要優點如下： 

　　（1）體積小巧。模組可以方便地應用於產品中；

　　（2）靈敏度高。模組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。模組平均工作電流低於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5號南孚電池可工作3個月以上，專業的大容量工業電池則可工作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期決定）。 

　　（4）簡單易用。模組提供了開關量介面和UART串口。開關量介面可供高低電平輸出，高電平表示有車，低電平表示無車；UART串口提供定時狀態報告、參數設置等功能。 

2.5 資料傳輸

2.5.2 NB-IOT 部分

　　NB-IOT部分用於將中央控制器（Beaglebone）處理後的資訊發送到Internet。利用NB-IOT傳輸資料主要有以下優勢： 

　　（1）NB-IOT信號覆蓋範圍廣，可以保證所有資料都能順利傳輸到互聯網； 

　　（2）網速可達到每秒20 K左右，足夠傳輸資料； 

　　（3）與短信相比，利用NB-IOT傳輸資料費用相對較低； 

　　（4）使用串口通信協定，操作簡單。

2.5.3 伺服器部分

　　考慮到NB-IOT模組使用的IP位址是隨機分配的，使用者也需要在IP不同的設備上登錄，難以直接將採集到的資訊發送給使用者的設備，故決定利用伺服器平臺作為資料的中轉站。所有採集到的資訊先通過NB-IOT發送到伺服器臨時存儲，使用者使用上位機訪問伺服器獲得資料。 

2.7 智慧控制介面

　　上位機從伺服器平臺獲取資料，以視覺化形式展現給用戶。通過視覺化介面，使用者可以直觀地瞭解各個節點間的位置關係，方便地獲取各節點的水位、溫度、濕度、井蓋狀態、車流量等資訊，當出現各種異常狀況如發生堵塞、水位上升較快、井蓋狀態異常則及時向使用者回饋狀態和位置等資訊。

　　上位機借用百度地圖提供的API將被監視區域的地圖顯示在網頁中，各節點則被標記在地圖上，一目了然。運用python語言的django架構以及html，js等語言，將各節點收集的資料在網頁中以圖表的形式呈現出來，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

該系統的整體框圖如圖4所示，並最終實現以下功能： 

　　（1）盜竊報警，使用網路通知市政部門及時解決井蓋缺失問題。 

　　（2）鬆動報警，排除井蓋損壞造成的行人安全隱患。 

　　（3）管道堵塞報警，在視覺化介面顯示堵塞處，協助清潔部門及時清理，排除隱患，防止城市內澇的發生。 

　　（4）檢測地面溫度並傳回資料。 

　　（5）檢測水位並傳回資料。

　　（6）檢測地面濕度，並在濕度增加時提高傳輸頻率，有助於大雨預警。 

　　（7）車流量檢測，即時傳回資料，協助交通管理。 

　　（8）視覺化介面顯示傳回的資料，並進行相應處理與分類，為市政部門提供方便的操作環境。 

　　（9）建立資料庫，將傳回的資料儲存，方便調用和分析。

4 結 語

　　本系統旨在為城市打造一款智慧型市政管理平臺。為市民提供更加便利和安全的生活。把井蓋作為一個區域彙聚節點，集中傳輸和智慧處理採集的資料是本專案的一大創新點，對排水、交通、道路安全等市政資訊統籌兼顧，建設智慧城市是本項目的一大亮點。雖然現在供電和天線方面還存在些問題，但是這些問題對於工程師來說不難解決，可以為人們的安全和生活品質提供更多的保障。