Las ciudades inteligentes se han convertido en la cuarta ola tras la industrialización, la informatización y la electrificación. La construcción de ciudades inteligentes es la tendencia pionera del desarrollo urbano global. Hoy en día, muchas tuberías urbanas para el drenaje pluvial se bloquean con frecuencia, lo que afecta gravemente el drenaje y provoca la frecuente acumulación de agua en las carreteras, afectando gravemente la vida y los desplazamientos de las personas. Además, en los últimos años, las tapas de los pozos han sido robadas y dañadas ocasionalmente, lo que ha provocado que los peatones caigan en las alcantarillas. El exceso de tráfico vial también afecta la situación del tráfico y los desplazamientos. Por lo tanto, es fundamental gestionar sistemáticamente todos los aspectos de los problemas municipales. Al mismo tiempo, en términos de desarrollo tecnológico, el avance de la tecnología de detección inteligente de sensores inalámbricos, el rápido desarrollo e implementación de la tecnología de comunicación móvil NB-IOT y la rápida popularización del internet de banda ancha proporcionan una base técnica sólida para la construcción de la "gestión municipal de ciudades inteligentes".
1 Función del sistema
Desarrollamos una plataforma inteligente de gestión municipal para administradores municipales, que permite monitorear remotamente el estado de las tapas de pozos, el flujo de tráfico, los bloqueos de tuberías y otra información. Además, permite alertar oportunamente sobre problemas y brindar soluciones más eficientes. El producto también permite realizar todas las operaciones de forma visual.
2 ideas básicas de diseño
2.1 Monitoreo del estado del flujo de agua
Cada nodo utiliza el módulo ultrasónico para detectar la altura del agua y compara la altura entre los nodos adyacentes para determinar si existe una obstrucción. Si la diferencia de nivel entre los nodos adyacentes es grande, se puede considerar que la tubería de drenaje entre ambos está obstruida, y la gravedad de la obstrucción se puede determinar aproximadamente mediante la diferencia de altura. El diagrama esquemático de la detección de obstrucciones se muestra en la Figura 1.
La información del nivel del agua se recopila en cada momento para formar la curva de altura. Si el nivel del agua aumenta demasiado rápido, se activa la alarma.
El módulo se coloca en la parte superior de la alcantarilla, cerca del pozo, para eliminar la influencia de las irregularidades del terreno. El principio de la medición ultrasónica consiste en medir el tiempo que tarda la onda sonora en reflejarse en un obstáculo tras su lanzamiento, basándose en la velocidad de propagación conocida de la onda ultrasónica en el aire, y calcular la distancia real desde el punto de lanzamiento hasta el obstáculo según la diferencia de tiempo entre el lanzamiento y la recepción. Cuando el nivel del agua de los nodos adyacentes es diferente, se puede detectar en el software superior para resolver el problema con mayor rapidez.
2.2 Detección del estado de la cobertura del pozo
El módulo de giroscopio se utiliza para detectar el cambio del ángulo de la cubierta del eje, a fin de juzgar si la cubierta está suelta o abierta sin ningún motivo, a fin de realizar la función antirrobo y detección de holgura.
El MPU6050 detecta la aceleración angular y la aceleración con una precisión muy alta. Detecta microcambios de ángulo. Su protocolo de comunicación I2C es muy fácil de usar. El MPU6050 se puede fijar horizontalmente a la tapa del pozo. Al abrirla, el módulo detecta el cambio de ángulo y proporciona información. Si la tapa está suelta, el ángulo cambiará ligeramente al pasar alguien o un vehículo. La información proporcionada por el MPU6050 permite determinar si la tapa está suelta. Si la inclinación de la tapa es superior a 30°, se considera que está abierta; si el ángulo fluctúa constantemente entre -5° y 5°, se considera que está suelta.
2.3 Monitoreo ambiental de superficie
Monitorear la temperatura y la humedad de la superficie, evaluar las condiciones climáticas y brindar cierta retroalimentación.
2.3.1 Detección de humedad
Al instalar el sensor de humedad en el borde interior de la tapa del pozo, se detecta el estado de humedad en tiempo real y se envía información al sistema de procesamiento central de cada nodo. Cuando la humedad es alta en tiempo lluvioso o el agua superficial penetra en el sensor a través del borde de la tapa del pozo, y la humedad supera un valor específico, el sistema de procesamiento central responde, mejora la frecuencia de comunicación con el host y proporciona información en tiempo real, lo que facilita a los administradores el acceso a más información en caso de emergencia.
2.3.2 Detección de temperatura
La instalación del sensor de temperatura bajo la tapa del pozo para recopilar y reportar la temperatura superficial es útil para que el departamento municipal conozca la situación térmica en diversas zonas de la ciudad y tome medidas de enfriamiento en las zonas con temperaturas demasiado altas. (La computadora superior puede utilizarse para generar la curva de cambio de temperatura y predecir la temperatura futura).
Se utiliza el sensor de temperatura LM35DZ. El chip es pequeño, flexible y de alta precisión. Los datos tienen una precisión de dos decimales. El chip adopta el modo de comunicación de bus único y es fácil de usar.
2.4 Monitoreo del flujo de tráfico
El módulo de detección de automóviles se instala en la tapa del pozo para detectar el flujo de tráfico y reflejarlo al departamento de gestión municipal como referencia.
Se prevé utilizar un sensor geomagnético para monitorizar el flujo vehicular. El módulo detecta con precisión la situación del campo magnético. Cuando circulan vehículos, interfiere con el campo magnético. Si el módulo detecta cambios en el campo magnético, puede determinar si hay vehículos circulando. Actualmente, el módulo se utiliza principalmente para la detección de plazas de aparcamiento. Sus principales ventajas son las siguientes:
(1) Tamaño pequeño y flexible. El módulo se puede utilizar fácilmente en productos.
(2) Alta sensibilidad. El módulo es muy sensible a los cambios en el campo magnético terrestre y puede detectar el movimiento del vehículo a más de 3 m.
(3) Consumo de energía ultrabajo. La corriente de trabajo promedio del módulo es inferior a 200 μA. Su voltaje de trabajo puede ser de tan solo 2,0 V, lo que maximiza la vida útil de la batería (dos baterías Nanfu n.° 5 pueden funcionar durante más de 3 meses, las baterías industriales profesionales de gran capacidad pueden funcionar durante más de 5 años y las baterías de gran capacidad pueden incluso funcionar durante más de 10 años, según su vida útil).
(4) Fácil de usar. El módulo cuenta con una interfaz de conmutación y un puerto serie UART. La interfaz de conmutación puede proporcionar salidas de nivel alto y bajo. Un nivel alto indica que hay un vehículo, un nivel bajo indica que no hay vehículo. El puerto serie UART proporciona informes de estado de temporización, configuración de parámetros y otras funciones.
2.5 Transmisión de datos
2.5.2 Parte NB-IOT
La parte NB-IOT se utiliza para enviar la información procesada por el controlador central (Beaglebone) a Internet. El uso de NB-IOT para transmitir datos ofrece las siguientes ventajas:
(1) La señal NB-IOT cubre un amplio rango, lo que puede garantizar la transmisión fluida de todos los datos a Internet;
(2) La velocidad de la red puede alcanzar aproximadamente 20 K por segundo, lo que es suficiente para transmitir datos;
(3) En comparación con los SMS, el costo de utilizar NB-IOT para realizar la transmisión de datos es menor;
(4) El uso del protocolo de comunicación en serie es fácil de operar.
2.5.3 Parte del servidor
Dado que la dirección IP utilizada por el módulo NB-IOT se asigna aleatoriamente, los usuarios también necesitan iniciar sesión en diferentes dispositivos IP, lo que dificulta el envío directo de la información recopilada a sus dispositivos. Por lo tanto, se decide utilizar la plataforma del servidor como estación de transferencia de datos. Toda la información recopilada se envía al servidor para su almacenamiento temporal a través de NB-IOT, y el usuario utiliza el ordenador superior para acceder al servidor y obtener los datos.
2.7 Interfaz de control inteligente
La computadora superior obtiene los datos de la plataforma del servidor y los presenta al usuario en forma de visualización. A través de la interfaz visual, el usuario puede comprender intuitivamente la relación de ubicación entre cada nodo y obtener fácilmente el nivel de agua, la temperatura, la humedad, el estado de la cobertura del pozo, el flujo de tráfico y otra información de cada nodo. En caso de condiciones anormales, como bloqueos, aumentos repentinos del nivel del agua o un estado anormal de la cobertura del pozo, el usuario puede informar oportunamente sobre el estado y la ubicación.
La computadora superior utiliza la API de Baidu Map para mostrar el mapa del área monitoreada en la página web, y cada nodo está marcado en el mapa, lo cual es muy evidente. Utilizando la arquitectura Django de lenguaje Python, HTML, JS y otros lenguajes, los datos recopilados por cada nodo se presentan en forma de gráfico en la página web, que se puede consultar haciendo clic en la etiqueta. Además, la función de alarma puede informar al usuario de los problemas a tiempo.
- Diagrama de bloques general
El diagrama de bloques general del sistema se muestra en la Figura 4, y finalmente se realizan las siguientes funciones:
(1) Alarma antirrobo: utilice la red para informar a los departamentos municipales para resolver a tiempo el problema de la falta de la tapa del pozo.
(2) Alarma suelta, elimina el riesgo potencial de seguridad causado por el daño a la cubierta del pozo para los peatones.
(3) Alarma de bloqueo de tuberías, en la interfaz visual para mostrar el bloqueo, para ayudar al departamento de limpieza a limpiar a tiempo, eliminar peligros ocultos y prevenir la aparición de anegamientos urbanos.
(4) Detecta la temperatura del suelo y envía los datos.
(5) Detecta el nivel del agua y envía los datos.
(6) Detecta la humedad del suelo y aumenta la frecuencia de transmisión cuando aumenta la humedad, lo que resulta útil para advertir sobre fuertes lluvias.
(7) Detectar el flujo de vehículos, enviar datos en tiempo real y ayudar a la gestión del tráfico.
(8) Muestra los datos devueltos en la interfaz de visualización y realiza el procesamiento y la clasificación correspondientes, lo que proporciona un entorno operativo conveniente para los departamentos municipales.
(9) Establecer la base de datos para almacenar los datos devueltos para facilitar su uso y análisis.
4 Observaciones finales
El sistema busca construir una plataforma inteligente de gestión municipal para la ciudad, ofreciendo una vida más cómoda y segura a la ciudadanía. Al tomar la cubierta del pozo como nodo de convergencia regional, la transmisión centralizada y el procesamiento inteligente de los datos recopilados constituyen una innovación clave del proyecto. Al considerar el drenaje, el tráfico, la seguridad vial y otra información municipal, la construcción de una ciudad inteligente es un punto clave del proyecto. Si bien aún existen algunos problemas con el suministro eléctrico y la antena, su solución es sencilla para los ingenieros, lo que puede brindar mayores garantías para la seguridad y la calidad de vida de las personas.
