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為解決目前城市排水系統存在的各種問題，采集城市內一些重要信息，我們設計了基于智能井蓋的市政一體化系統。該系統主要針對城市排水井蓋進行功能拓展，通過各種傳感器監測下水道水位信息、地表溫濕度信息、井蓋狀態信息(如啟閉、松動等)和車流量信息，并將這些信息傳入互聯網，且當某部分狀態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數據,通過數據分析判斷堵塞位置等問題所在。使用該系統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，致使道路三天兩頭出現積水，給人們的生活和出行帶來嚴重不便。另外，井蓋被盜、損壞近幾年時有發生，經常伴隨出現行人跌落下水道的現象。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化的管理是有必要的。同時在技術發展方面，隨著無線傳感器的智能感知技術的進步和GPRS/3G移動通信技術的飛速發展和部署以及寬帶Internet的迅速普及，也為“智慧城市市政管理”建設提供了堅實的技術基礎。
二、 目標
我們希望為城市管理者打造一款能夠遠程監測井蓋狀態，車流量，以及管道堵塞情況等信息，同時能夠在出現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。該產品還可以通過可視化的方式完成全部操作。
三、 產品功能
1. 盜竊報警，并使用網絡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，并傳回數據。
5. 檢測水位，并傳回數據。
6. 檢測地面濕度，并在濕度增加時提高傳數據頻率，有助大雨預警。
7. 檢測車流量，并實時傳回數據，協助交通管理。
8. 可視化界面顯示傳回的數據，并進行相應處理與分類，為市政部門提供方便的操作環境。
9. 建立數據庫，將傳回的數據儲存，方便調用和分析。
四、 本項目的特色與創新
本項目把井蓋作為一個區域匯聚節點，集中傳輸和智能處理數據。結合檢測下水道的堵塞自動報警，檢測實時車流量，井蓋出現問題自動報警并構建基于物聯網的輔助控制系統是本項目的一大創新。平時，城市市政因系統各自分立，信息不統一、不準確、不完整、不及時等給城市安全、環保造成問題。而本項目通過井蓋系統定時向運營平臺發送數據，并通過檢測在下雨天增加發送頻率，保證信息的實時性。
五、 基本設計思路
1. 水流狀態監測
各個節點利用超聲波模塊檢測水位高度，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。
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，測量聲波在發射后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，能夠在上位機軟件上突出顯示，從而更快的解決問題。
2. 井蓋姿態監測
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，當有人或車輛經過井蓋時，井蓋發生微小角度變化，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. 地表環境監控
監測地表溫度和濕度，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側邊緣處，實時檢測濕度狀況并反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。
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，可以精確到小數點后兩位，采用單總線通信方式，操作簡單。
4. 車流量監測
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，當附近有車輛經過時，會對地磁場產生干擾，模塊檢測到磁場發生變化，就可以判定有車輛經過。目前市場上該模塊主要被用于車位檢測中。
主要優點：
1、體積小巧：可以方便地應用于產品中；
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。（參考數據：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，超大容量的甚至能工作10年以上或者由電池保質期決定。）
開關量接口：高低電平輸出，高電平表示有車，低電平表示無車；
UART串口：提供定時狀態報告、參數設置等功能。
5. 數據傳輸
數據分級傳輸，小范圍內采用zigbee組網傳輸信息，數據匯總后用GPRS網絡傳輸到服務器，最終上位機訪問服務器獲得數據。為演示方便，我們計劃使用局域網進行演示。（見圖二）
zigbee部分：
將相距較近的節點分為一組，將組內每個節點的信息匯總在一起。由于zigbee方便組網，傳輸過程中保密性強，且自帶16位crc校驗，傳輸數據可靠，我們決定用其在組內傳輸信息。組內所有節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)處理后的信息發送到Internet。利用GPRS傳輸數據主要有以下優勢:
1、GPRS信號覆蓋范圍廣，可以保證所有數據能順利傳輸到互聯網;
2、網速可達到每秒20k左右，足夠傳輸數據;
3、與短信相比，利用GPRS傳輸數據費用相對較低;
4、使用串口通信協議，操作簡單。
服務器部分：
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不同的設備上登錄，難以直接將采集到的信息發送給用戶的設備，我們決定利用服務器平臺作為數據的中轉站。所有采集到的信息先通過GPRS發送到服務器臨時存儲，用戶使用上位機訪問服務器獲得數據。
6. 中控
節點控制器:
各個節點采用cc2530作為控制器，用于協調控制溫度、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發送到該節點所在組(詳見5、數據傳輸--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，足以協調控制各個模塊。（見圖三）
中央控制器:
各個節點收集到的信息通過zigbee發送到與中央控制器相連的zigbee并由中央控制器進行統一處理，再通過GPRS發送到互聯網。
由于中央控制器要處理的數據較多，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建自己需要的最小系統變得很難；而基于開源的BBB，你可以很容易構建自己的最小系統；
（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）可以為你節省很多時間。
7. 智能控制界面
上位機從服務器平臺獲取數據，以可視化形式展現給用戶。通過可視化界面，用戶可以直觀地了解各個節點間的位置關系，方便地獲取各節點的水位、溫度、濕度、井蓋狀態、車流量等信息，當出現各種異常狀況，如發生堵塞、水位上升較快、井蓋狀態異常時，及時向用戶反饋狀態和位置等信息。
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，將各節點收集的數據在網頁以圖表的形式呈現，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
系統設計完成后，我們著手完成各個分系統，在軟硬件結合后進行調試，最終組合完成最后的完整作品。
最終實現以下功能
1. 盜竊報警，并使用網絡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，并傳回數據。
5. 檢測水位，并傳回數據。
6. 檢測地面濕度，并在濕度增加時提高傳數據頻率，有助大雨預警。
7. 車流量檢測，并實時傳回數據，協助交通管理。
8. 可視化界面顯示傳回的數據，并進行相應處理與分類，為市政部門提供方便的操作環境。
9. 建立數據庫，將傳回的數據儲存，方便調用和分析。
八、 結語
本系統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。
把井蓋作為一個區域匯聚節點，集中傳輸和智能處理采集的數據是本項目的一大創新點，對排水、交通、道路安全等市政信息統籌兼顧，建設智慧城市是本項目的一大亮點。雖然現在我們產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改進我們的作品，為人們的安全和生活質量提供更多的保障。
參考文獻
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