La ville intelligente est entrée dans la quatrième vague après l'industrialisation, l'informatisation et l'électrification. La construction de villes intelligentes représente une tendance majeure du développement urbain mondial. De nos jours, de nombreuses canalisations urbaines d'évacuation des eaux pluviales sont souvent obstruées, ce qui affecte gravement le drainage et entraîne de fréquentes accumulations d'eau sur les routes, affectant gravement la vie et les déplacements des habitants. De plus, ces dernières années, les couvercles des puits sont régulièrement volés et endommagés, entraînant parfois des chutes de piétons dans les égouts. L'excès de circulation routière affecte également la circulation et les déplacements des habitants. Il est donc essentiel de gérer de manière systématique tous les aspects des problèmes municipaux. Parallèlement, en termes de développement technologique, les progrès des capteurs intelligents sans fil, le développement et le déploiement rapides des technologies de communication mobile NB-IOT et la popularisation rapide de l'internet haut débit constituent une base technique solide pour la construction d'une « gestion municipale des villes intelligentes ».
1 Fonction du système
Nous avons développé une plateforme de gestion municipale intelligente pour les gestionnaires municipaux. Cette plateforme permet de surveiller à distance l'état des couvertures de puits, la circulation, les blocages de canalisations et d'autres informations, et de déclencher des alertes en cas de problème afin de trouver des solutions plus efficaces. Le produit permet également de réaliser toutes les opérations de manière visuelle.
2 idées de conception de base
2.1 Surveillance de l'état du débit d'eau
Chaque nœud utilise un module ultrasonique pour détecter la hauteur d'eau et la comparer entre les nœuds adjacents afin de déterminer si un blocage se produit (une différence de niveau importante peut indiquer un blocage de la canalisation entre les deux nœuds, et la gravité du blocage peut être estimée approximativement par la différence de hauteur). Le schéma de détection de blocage est présenté à la figure 1.
La collecte d'informations sur le niveau d'eau à chaque instant permet de déterminer la courbe de hauteur. Lorsque le niveau d'eau augmente trop rapidement, l'alarme se déclenche.
Le module est placé en haut du ponceau, près du puits, afin d'atténuer les irrégularités du sol. Le principe de la télémétrie ultrasonore consiste à mesurer le temps de réflexion de l'onde sonore sur un obstacle après son lancement, en fonction de sa vitesse de propagation connue dans l'air. La distance réelle entre le point de lancement et l'obstacle est ensuite calculée en fonction de la différence de temps entre le lancement et la réception. Les différences de niveau d'eau entre les nœuds adjacents peuvent être mises en évidence dans le logiciel de l'ordinateur, ce qui accélère la résolution du problème.
2.2 Détection de l'état de la couverture du puits
Le module gyroscope est utilisé pour détecter le changement de l'angle du couvercle de l'arbre, afin de déterminer si le couvercle est desserré ou ouvert sans aucune raison, afin de réaliser la fonction antivol et de détection de desserrage.
Le MPU6050 assure la détection et l'accélération angulaires, avec une précision exceptionnelle. Il détecte les micro-changements d'angle. Son protocole de communication I2C est très simple d'utilisation. Le MPU6050 peut être fixé horizontalement au couvercle du puits. Lors de son ouverture, le module détecte les variations d'angle et fournit un retour d'information. Si le couvercle est desserré, son angle varie légèrement lorsqu'une personne ou un véhicule le traverse. Les informations renvoyées par le MPU6050 permettent de déterminer si le couvercle est desserré. Une inclinaison supérieure à 30° indique une ouverture ; une inclinaison de -5° à 5° avec une fluctuation constante indique une ouverture.
2.3 Surveillance de l'environnement de surface
Surveillez la température et l’humidité de la surface, évaluez les conditions météorologiques et faites certains retours.
2.3.1 Détection d'humidité
L'installation d'un capteur d'humidité sur le bord intérieur du couvercle du puits permet de détecter l'humidité en temps réel et de la transmettre au système central de chaque nœud. Lorsque l'humidité est élevée par temps pluvieux ou que l'eau de surface pénètre dans le capteur par le bord du couvercle du puits et dépasse une valeur spécifique, le système central réagit, améliore la fréquence de communication avec l'hôte et transmet des informations en temps réel, ce qui permet aux gestionnaires de disposer de plus d'informations en cas d'urgence.
2.3.2 Détection de température
L'installation d'un capteur de température sous le couvercle du puits, qui collecte et transmet les informations de température de surface, permet à la municipalité de mieux comprendre la situation thermique dans différents quartiers de la ville et de prendre des mesures de refroidissement dans les zones où la température est trop élevée. (L'ordinateur situé au-dessus permet de générer la courbe de variation de température et de prévoir les températures futures.)
Le capteur de température LM35DZ est utilisé. Compacte et flexible, sa puce offre une grande précision. Les données sont précises à deux décimales près. La puce adopte un mode de communication monobus et est facile à utiliser.
2.4 Surveillance du flux de trafic
Le module de détection de voiture est installé sur le couvercle du puits pour détecter le flux de trafic et le refléter au service de gestion municipal pour référence.
Il est prévu d'utiliser un capteur géomagnétique pour la surveillance du flux de véhicules. Le module détecte avec précision le champ magnétique. Le passage de véhicules perturbe le champ magnétique. Si le module détecte une variation du champ magnétique, il peut déterminer la présence de véhicules. Actuellement, ce module est principalement utilisé pour la détection de places de stationnement. Ses principaux avantages sont les suivants :
(1) Compact et flexible, le module est facilement utilisable dans les produits ;
(2) Haute sensibilité. Le module est très sensible aux variations du champ magnétique terrestre et peut détecter les mouvements d'un véhicule à plus de 3 m.
(3) Consommation d'énergie ultra faible. Le courant de fonctionnement moyen du module est inférieur à 200 μA. Sa tension de fonctionnement peut descendre jusqu'à 2,0 V, ce qui maximise la durée de vie de la batterie (deux batteries Nanfu n° 5 peuvent fonctionner plus de 3 mois, des batteries industrielles professionnelles de grande capacité peuvent fonctionner plus de 5 ans, et même plus de 10 ans, selon la durée de vie de la batterie).
(4) Simple et facile à utiliser. Le module dispose d'une interface de commutation et d'un port série UART. L'interface de commutation peut fournir des sorties de niveau haut et bas. Un niveau haut indique la présence d'un véhicule, un niveau bas indique son absence. Le port série UART fournit des rapports d'état de temporisation, des paramètres et d'autres fonctions.
2.5 Transmission de données
2.5.2 Partie NB-IOT
La partie NB-IOT sert à transmettre les informations traitées par le contrôleur central (Beaglebone) à Internet. L'utilisation de NB-IOT pour la transmission de données présente les avantages suivants :
(1) Le signal NB-IOT couvre une large gamme, ce qui peut assurer la transmission fluide de toutes les données vers Internet ;
(2) La vitesse du réseau peut atteindre environ 20 K par seconde, ce qui est suffisant pour transmettre des données ;
(3) Par rapport aux SMS, le coût d’utilisation du NB-IOT pour effectuer la transmission de données est inférieur ;
(4) L'utilisation du protocole de communication série est facile à utiliser
2.5.3Partie serveur
L'adresse IP utilisée par le module NB-IOT étant attribuée aléatoirement, les utilisateurs doivent se connecter sur différents appareils IP, ce qui complique l'envoi direct des informations collectées. Il a donc été décidé d'utiliser la plateforme serveur comme point de transfert de données. Toutes les informations collectées sont envoyées au serveur pour stockage temporaire via NB-IOT, et l'utilisateur accède au serveur via l'ordinateur supérieur pour obtenir les données.
2.7 Interface de contrôle intelligente
L'ordinateur supérieur récupère les données de la plateforme serveur et les présente à l'utilisateur sous forme de visualisation. Grâce à l'interface visuelle, l'utilisateur peut comprendre intuitivement la relation de localisation entre chaque nœud et obtenir facilement le niveau d'eau, la température, l'humidité, l'état de couverture du puits, la circulation et d'autres informations pour chaque nœud. En cas de conditions anormales, telles qu'un blocage, une montée rapide du niveau d'eau ou un état de couverture anormal du puits, l'utilisateur peut rapidement obtenir des informations sur l'état et la localisation.
L'ordinateur supérieur utilise l'API fournie par Baidu Map pour afficher la carte de la zone surveillée sur la page web. Chaque nœud y est indiqué, ce qui est très visible. Grâce à l'architecture Django, basée sur Python et HTML, JS et d'autres langages, les données collectées par chaque nœud sont présentées sous forme de graphique sur la page web, consultables en cliquant sur l'étiquette. De plus, la fonction d'alarme permet d'informer l'utilisateur en temps opportun des problèmes.
- Schéma fonctionnel global
Le schéma fonctionnel global du système est présenté dans la figure 4, et les fonctions suivantes sont finalement réalisées :
(1) Alarme anti-vol, utilisez le réseau pour informer les services municipaux afin de résoudre à temps le problème de la couverture de puits manquante.
(2) Alarme lâche, élimine le risque potentiel de sécurité causé par les dommages causés au couvercle du puits aux piétons.
(3) Alarme de blocage de canalisation, dans l'interface visuelle pour afficher le blocage, pour aider le service de nettoyage à nettoyer à temps, éliminer les dangers cachés et empêcher l'apparition d'engorgement urbain.
(4) Détecter la température du sol et renvoyer les données.
(5) Détecter le niveau d'eau et renvoyer les données.
(6) Détectez l'humidité du sol et augmentez la fréquence de transmission lorsque l'humidité augmente, ce qui est utile pour l'avertissement de fortes pluies.
(7) Détectez le flux de véhicules, renvoyez les données en temps réel et aidez à la gestion du trafic.
(8) Affichez les données renvoyées dans l'interface de visualisation et effectuez le traitement et la classification correspondants, ce qui offre un environnement de fonctionnement pratique pour les services municipaux.
(9) Établir la base de données pour stocker les données renvoyées pour une utilisation et une analyse faciles.
4 Remarques finales
Le système vise à créer une plateforme de gestion municipale intelligente pour la ville, afin d'offrir un cadre de vie plus pratique et plus sûr à ses habitants. L'intégration du puits comme nœud de convergence régional, la transmission centralisée et le traitement intelligent des données collectées constituent une innovation majeure du projet. La prise en compte du drainage, de la circulation, de la sécurité routière et d'autres informations municipales, pour construire une ville intelligente, est un point fort du projet. Bien que des problèmes subsistent en matière d'alimentation électrique et d'antennes, ils sont faciles à résoudre pour les ingénieurs, ce qui améliore la sécurité et la qualité de vie des habitants.
