【方案分享】基于无线传感的井盖管理系统

Royliang

为解决目前城市排水系统存在的各种问题，采集城市内一些重要信息，我们设计了基于智能井盖的市政一体化系统。该系统主要针对城市排水井盖进行功能拓展，通过各种传感器监测下水道水位信息、地表温湿度信息、井盖状态信息(如启闭、松动等)和车流量信息，并将这些信息传入互联网，且当某部分状态异常时可以自动向用户报警。城市管理者可通过上位机轻松访问相关数据,通过数据分析判断堵塞位置等问题所在。使用该系统可以更容易地掌握城市各方面信息，大大减少城市管理者工作量。

一、 项目背景

现如今，许多城市的雨水排水管道经常会出现堵塞现象，严重影响排水，致使道路三天两头出现积水，给人们的生活和出行带来严重不便。另外，井盖被盗、损坏近几年时有发生，经常伴随出现行人跌落下水道的现象。公路车流量过多，也影响到交通状况和人们的出行。对于市政各方面的问题进行系统化的管理是有必要的。同时在技术发展方面，随着无线传感器的智能感知技术的进步和GPRS/3G移动通信技术的飞速发展和部署以及宽带Internet的迅速普及，也为“智慧城市市政管理”建设提供了坚实的技术基础。

二、 目标

我们希望为城市管理者打造一款能够远程监测井盖状态，车流量，以及管道堵塞情况等信息，同时能够在出现问题时及时报警并做出更高效的处理方案的一个智能型市政管理平台。该产品还可以通过可视化的方式完成全部操作。

三、 产品功能

1. 盗窃报警，并使用网络通知市政部门及时解决井盖缺失问题。

2. 松动报警，排除井盖损坏造成的行人安全隐患。

3. 管道堵塞报警，并在可视化界面显示堵塞位置。显示管道维修车的位置，协助清洁部门及时清理，排除隐患，防止城市内涝的发生。

4. 检测地面温度，并传回数据。

5. 检测水位，并传回数据。

6. 检测地面湿度，并在湿度增加时提高传数据频率，有助大雨预警。

7. 检测车流量，并实时传回数据，协助交通管理。

8. 可视化界面显示传回的数据，并进行相应处理与分类，为市政部门提供方便的操作环境。

9. 建立数据库，将传回的数据储存，方便调用和分析。

四、 本项目的特色与创新

本项目把井盖作为一个区域汇聚节点，集中传输和智能处理数据。结合检测下水道的堵塞自动报警，检测实时车流量，井盖出现问题自动报警并构建基于物联网的辅助控制系统是本项目的一大创新。平时，城市市政因系统各自分立，信息不统一、不准确、不完整、不及时等给城市安全、环保造成问题。而本项目通过井盖系统定时向运营平台发送数据，并通过检测在下雨天增加发送频率，保证信息的实时性。

五、 基本设计思路

1. 水流状态监测

各个节点利用超声波模块检测水位高度，相邻节点间水位高度进行比较，从而判断是否发生堵塞(若相邻节点水位相差较大，可认为两结点间排水管道发生堵塞，通过高度差可以大致判断堵塞严重程度。

收集各个时刻的水位信息，生成水位高度变化曲线，当水位高度增加速度过快时，触发报警。

我们准备将模块放在靠近水井的涵洞顶端，排除地面不平正的影响。超声波测距的原理是利用超声波在空气中的传播速度为已知，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。当检测到相邻节点水位不同时，能够在上位机软件上突出显示，从而更快的解决问题。

2. 井盖姿态监测

利用陀螺仪模块检测井盖角度变化，从而判断井盖是否松动或者被无故开启，以实现防盗和检测松动功能。

mpu6050具有角加速度和加速度检测功能，且精度特别高，可以检测到微小的角度变化，采用IIC通信协议，操作简单。可将mpu6050水平贴附于井盖上，当井盖被开启时，模块检测出角度变化并返回信息。若井盖松动，当有人或车辆经过井盖时，井盖发生微小角度变化，通过判断mpu6050返回的信息可以判断井盖是否松动。如:井盖倾斜大于30度则判断为抬起，角度在-5—5之间波动不断则判断为松动。

3. 地表环境监控

监测地表温度和湿度，判断天气情况，并做出一定反馈。

湿度检测：

将湿度传感器安装于井盖内侧边缘处，实时检测湿度状况并反馈给各节点的中央处理系统，当阴雨天气湿度较高或者路面积水通过井盖边缘渗入时，湿度超过特定值，中央处理系统做出响应，提高与主机的通信频率，反馈实时信息，有利于管理人员在紧急状况下掌握更多信息。

温度检测:

将温度传感器固定在井盖下方，采集地表温度信息并上报，有利于市政部门掌握城市各处的温度状况，并对温度过高的地区采取降温措施。(可利用上位机生成温度变化曲线，对未来温度进行预测)

温度传感器可采用TI公司的温度传感器LM35DZ，该芯片体积小巧，精确度较高，可以精确到小数点后两位，采用单总线通信方式，操作简单。

4. 车流量监测

在井盖上加装车辆检测模块，用于检测车流量，并反映给市政管理部门用作参考。

初步计划使用地磁传感器实现这一功能。该模块可以精确地探测出周围的磁场情况，当附近有车辆经过时，会对地磁场产生干扰，模块检测到磁场发生变化，就可以判定有车辆经过。目前市场上该模块主要被用于车位检测中。

主要优点：

1、体积小巧：可以方便地应用于产品中；

2、灵敏度高：模块对地球磁场的变化非常灵敏，单就灵敏度而言，能感测到3米以外的车辆移动；

3、超低功耗：模块平均工作电流低于200uA，且工作电压可低至2.0V，最大限度延长电池使用寿命。（参考数据：两节5号南孚电池可工作3个月以上。专业的大容量工业电池则可工作5年以上，超大容量的甚至能工作10年以上或者由电池保质期决定。）

4、简单易用： 模块提供了开关量接口和UART串口

开关量接口：高低电平输出，高电平表示有车，低电平表示无车；

UART串口：提供定时状态报告、参数设置等功能。

5. 数据传输

数据分级传输，小范围内采用zigbee组网传输信息，数据汇总后用GPRS网络传输到服务器，最终上位机访问服务器获得数据。为演示方便，我们计划使用局域网进行演示。（见图二）

zigbee部分：

将相距较近的节点分为一组，将组内每个节点的信息汇总在一起。由于zigbee方便组网，传输过程中保密性强，且自带16位crc校验，传输数据可靠，我们决定用其在组内传输信息。组内所有节点信息由一台与中央控制器(beaglebone)相连的zigbee接收，并由中央控制器进行统一处理。

Gprs部分：

GPRS部分用于将中央控制器(beaglebone)处理后的信息发送到Internet。利用GPRS传输数据主要有以下优势:

1、GPRS信号覆盖范围广，可以保证所有数据能顺利传输到互联网;

2、网速可达到每秒20k左右，足够传输数据;

3、与短信相比，利用GPRS传输数据费用相对较低;

4、使用串口通信协议，操作简单。

服务器部分：

考虑到GPRS模块使用的ip地址是随机分配的，用户也需要在ip不同的设备上登录，难以直接将采集到的信息发送给用户的设备，我们决定利用服务器平台作为数据的中转站。所有采集到的信息先通过GPRS发送到服务器临时存储，用户使用上位机访问服务器获得数据。

6. 中控

节点控制器:

各个节点采用cc2530作为控制器，用于协调控制温度、湿度传感器，超声波距离传感器，地磁传感器和陀螺仪等的工作，并将采集到的信息通过zigbee发送到该节点所在组(详见5、数据传输--zigbee部分)的中央控制器。

cc2530是理想的zigbee专用芯片，它具有两个USART控制器，21个通用GPIO，两个定时器，8k的RAM，性能较高，足以协调控制各个模块。（见图三）

中央控制器:

各个节点收集到的信息通过zigbee发送到与中央控制器相连的zigbee并由中央控制器进行统一处理，再通过GPRS发送到互联网。

由于中央控制器要处理的数据较多，需要性能强大的处理器，我们决定采用beaglebone作为中央控制器。（见图四）

因为相对于树莓派，TI公司的beaglebone更适合以下场合：

（1）连接大量传感器的项目——BBB提供的众多接口可以很好的满足这方面的需求.

（2）打算商用的项目——树莓派的封闭性使得你构建自己需要的最小系统变得很难；而基于开源的BBB，你可以很容易构建自己的最小系统；

（3）仅仅需要其“运行”的项目——BBB“即买即用”的特性（不需要自己去安装系统）可以为你节省很多时间。

7. 智能控制界面

上位机从服务器平台获取数据，以可视化形式展现给用户。通过可视化界面，用户可以直观地了解各个节点间的位置关系，方便地获取各节点的水位、温度、湿度、井盖状态、车流量等信息，当出现各种异常状况，如发生堵塞、水位上升较快、井盖状态异常时，及时向用户反馈状态和位置等信息。

上位机借用百度地图提供的API将被监视区域的地图显示在网页中，各节点则被标记在地图上，一目了然。运用python语言的django架构以及html，js等语言，将各节点收集的数据在网页以图表的形式呈现，点击标记即可查看。同时，报警功能可将问题及时的通知使用者。

六、 整体框图

七、 预期目标

系统设计完成后，我们着手完成各个分系统，在软硬件结合后进行调试，最终组合完成最后的完整作品。

最终实现以下功能

1. 盗窃报警，并使用网络通知市政部门及时解决井盖缺失问题。

2. 松动报警，排除井盖损坏造成的行人安全隐患。

3. 管道堵塞报警，并在可视化界面显示堵塞处。显示管道维修车的位置，协助清洁部门及时清理，排除隐患，防止城市内涝的发生。

4. 检测地面温度，并传回数据。

5. 检测水位，并传回数据。

6. 检测地面湿度，并在湿度增加时提高传数据频率，有助大雨预警。

7. 车流量检测，并实时传回数据，协助交通管理。

8. 可视化界面显示传回的数据，并进行相应处理与分类，为市政部门提供方便的操作环境。

9. 建立数据库，将传回的数据储存，方便调用和分析。

八、 结语

本系统旨在为城市打造一款智能型市政管理平台。为市民提供更加便利和安全的生活。

把井盖作为一个区域汇聚节点，集中传输和智能处理采集的数据是本项目的一大创新点，对排水、交通、道路安全等市政信息统筹兼顾，建设智慧城市是本项目的一大亮点。虽然现在我们产品还不能延伸到人类生活的每个角落，但是我们一定会继续改进我们的作品，为人们的安全和生活质量提供更多的保障。

参考文献

〔1〕李晓毅． ASP+SQLServer 网络应用系统开发与实例 [M].北京：人民邮电出版社，

2003.27(9):11~16.

〔2〕赵池龙.实用软件工程北京：电子工业出版社， 2002 111~126.

〔3〕曾长军.Access 数据库原理及应用 [M].北京:人民邮电出版社,2003.