Интеллектуальный город стал четвертой волной после индустриализации, информатизации и электрификации. Строительство интеллектуального города – передовая тенденция мирового урбанистического развития. В настоящее время многие городские трубы для отвода дождевой воды часто засоряются, что серьезно затрудняет дренаж и приводит к частому скоплению воды на дорогах, что серьезно сказывается на жизни и передвижении людей. Кроме того, в последние годы крышки колодцев время от времени воруются и повреждаются, что приводит к падению пешеходов в канализацию. Чрезмерное движение на дорогах также влияет на дорожную ситуацию и передвижение людей. Поэтому крайне необходимо осуществлять систематическое управление всеми аспектами муниципальных проблем. В то же время, с точки зрения развития технологий, прогресс интеллектуальных сенсорных технологий беспроводных датчиков, быстрое развитие и внедрение технологий мобильной связи NB-IoT, а также стремительная популяризация широкополосного интернета, также обеспечивают прочную техническую основу для построения «муниципального управления интеллектуальным городом».
1 Системная функция
Мы создаём интеллектуальную платформу управления городским хозяйством для городских властей, которая позволяет удалённо отслеживать состояние крышек колодцев, транспортный поток, засоры трубопроводов и другую информацию, а также своевременно оповещать о возникновении проблем и предлагать более эффективные решения. Продукт также позволяет визуально отображать все операции.
2. Базовые идеи дизайна
2.1 Мониторинг состояния потока воды
Каждый узел использует ультразвуковой модуль для определения уровня воды и сравнивает его между соседними узлами, чтобы определить наличие засора (если разница уровней воды между соседними узлами велика, можно считать, что дренажный трубопровод между двумя узлами засорен, а степень засора можно приблизительно оценить по разнице высот). Схема обнаружения засора представлена на рисунке 1.
Сбор информации об уровне воды в каждый момент времени необходим для построения кривой его изменения. Сигнал тревоги срабатывает, когда уровень воды растёт слишком быстро.
Модуль размещается в верхней части водопропускной трубы рядом со скважиной, чтобы исключить влияние неровностей грунта. Принцип ультразвуковой локации заключается в измерении времени отражения звуковой волны от препятствия после её запуска на основе известной скорости распространения ультразвуковой волны в воздухе и вычислении фактического расстояния от точки запуска до препятствия на основе разницы во времени между запуском и приёмом. Различия в уровне воды в соседних узлах можно отобразить в программном обеспечении верхнего уровня, что позволит ускорить решение задачи.
2.2 Определение состояния крышки скважины
Модуль гироскопа используется для обнаружения изменения угла крышки вала, чтобы оценить, ослаблена ли крышка или открыта без причины, тем самым реализуя функцию защиты от кражи и обнаружения ослабления.
MPU6050 имеет функцию обнаружения углового ускорения и ускорения, и точность очень высока. Он может обнаруживать микроизменения угла. Применение протокола связи I2C очень просто в эксплуатации. Mpu6050 может быть прикреплен к крышке колодца горизонтально. Когда крышка колодца открыта, модуль может обнаружить изменение угла и выдать обратную связь. Если крышка колодца неплотно закрыта, когда кто-то или транспортное средство проезжает через крышку колодца, угол крышки колодца немного изменится. Информация, возвращаемая MPU6050, может быть использована для оценки того, неплотно закрыта крышка колодца или нет. Если наклон крышки колодца больше 30 °, считается, что крышка колодца открыта; если угол составляет -5 ° ～ 5 ° с постоянным колебанием, она считается неплотно закрытой.
2.3 Мониторинг состояния окружающей среды на поверхности
Контролируйте температуру и влажность поверхности, оценивайте погодные условия и предоставляйте необходимую обратную связь.
2.3.1 Определение влажности
Датчик влажности, установленный на внутреннем крае крышки колодца, позволяет отслеживать уровень влажности в режиме реального времени и передавать данные в центральную систему обработки данных каждого узла. При высокой влажности в дождливую погоду или попадании поверхностной воды в датчик через край крышки колодца, если влажность превышает заданное значение, центральная система обработки данных реагирует, увеличивает частоту связи с хостом и передает данные в режиме реального времени, что позволяет руководителям получать больше информации в случае чрезвычайной ситуации.
2.3.2 Определение температуры
Установка датчика температуры под крышкой колодца для сбора и передачи информации о температуре поверхности поможет муниципальному департаменту оценить температурную ситуацию в различных частях города и принять меры по охлаждению в районах со слишком высокой температурой. (Верхний компьютер можно использовать для построения кривой изменения температуры и прогнозирования будущей температуры.)
Используется датчик температуры LM35DZ. Микросхема компактна, гибка в размерах и обладает высокой точностью. Точность данных составляет два знака после запятой. Микросхема поддерживает одношинный режим связи и проста в эксплуатации.
2.4 Мониторинг транспортных потоков
Модуль обнаружения автомобилей устанавливается на крышке колодца для отслеживания транспортного потока и передачи информации в отдел муниципального управления для справки.
Планируется использовать геомагнитный датчик для реализации функции мониторинга потока транспортных средств. Модуль способен точно определять состояние магнитного поля. При прохождении транспортных средств он будет создавать помехи магнитному полю. Если модуль обнаружит изменение магнитного поля, он сможет определить наличие проезжающих транспортных средств. В настоящее время модуль в основном используется для контроля парковочных мест. Основные преимущества модуля:
(1) Компактный и гибкий размер. Модуль легко использовать в изделиях;
(2) Высокая чувствительность. Модуль очень чувствителен к изменению магнитного поля Земли и может обнаруживать движение транспортного средства на расстоянии более 3 м;
(3) Сверхнизкое энергопотребление. Средний рабочий ток модуля составляет менее 200 мкА. Рабочее напряжение может составлять всего 2,0 В, что позволяет максимально продлить срок службы аккумулятора (две батареи Nanfu № 5 могут работать более 3 месяцев, профессиональные промышленные батареи большой ёмкости — более 5 лет, а батареи сверхбольшой ёмкости — более 10 лет или дольше, в зависимости от срока годности аккумулятора).
(4) Простота и удобство использования. Модуль оснащен интерфейсом коммутатора и последовательным портом UART. Интерфейс коммутатора может обеспечивать выходной сигнал высокого и низкого уровня. Высокий уровень означает наличие автомобиля, низкий уровень – его отсутствие. Последовательный порт UART обеспечивает отчёт о состоянии синхронизации, настройку параметров и другие функции.
2.5 Передача данных
2.5.2 Часть NB-IOT
Модуль Nb-IOT используется для передачи информации, обработанной центральным контроллером (Beaglebone), в Интернет. Использование NB-IOT для передачи данных имеет следующие преимущества:
(1) Сигнал NB-IOT охватывает широкий диапазон, что может обеспечить бесперебойную передачу всех данных в Интернет;
(2) Скорость сети может достигать около 20 Кбит/с, что достаточно для передачи данных;
(3) По сравнению с SMS, стоимость использования NB-IOT для передачи данных ниже;
(4) Использование последовательного протокола связи упрощает эксплуатацию.
2.5.3Серверная часть
Учитывая, что IP-адрес, используемый модулем NB-IOT, назначается случайным образом, пользователям также необходимо авторизоваться на разных IP-устройствах, что затрудняет прямую отправку собранной информации на устройства пользователей. Поэтому было принято решение использовать серверную платформу в качестве станции передачи данных. Вся собранная информация отправляется на сервер для временного хранения через NB-IOT, а пользователь использует компьютер верхнего уровня для доступа к серверу и получения данных.
2.7 Интеллектуальный интерфейс управления
Верхний компьютер получает данные с серверной платформы и представляет их пользователю в виде визуализации. Благодаря визуальному интерфейсу пользователь может интуитивно понять взаимосвязь местоположения каждого узла и легко получить данные об уровне воды, температуре, влажности, состоянии покрытия скважин, транспортном потоке и другую информацию по каждому узлу. При возникновении различных нештатных ситуаций, таких как засорение, быстрый подъем уровня воды, нештатное состояние покрытия скважин, пользователь может оперативно получить информацию о состоянии и местоположении.
Верхний компьютер использует API, предоставляемый Baidu Map, для отображения карты контролируемой зоны на веб-странице, где каждый узел отмечен на карте, что очень наглядно. Благодаря архитектуре Django, основанной на языке Python, а также HTML, JS и других языках, данные, собранные каждым узлом, представлены в виде диаграммы на веб-странице, которую можно просмотреть, щелкнув по метке. Функция оповещения позволяет своевременно информировать пользователя о проблемах.
- Общая блок-схема
Общая структурная схема системы представлена на рисунке 4, в ней реализованы следующие функции:
(1) Сигнализация о взломе, используйте сеть для информирования муниципальных департаментов с целью своевременного решения проблемы отсутствия крышки колодца.
(2) Отключите сигнализацию, устраните потенциальную угрозу безопасности пешеходов, вызванную повреждением крышки колодца.
(3) Сигнализация о закупорке трубопровода, отображающая на визуальном интерфейсе закупорку, помогает отделу очистки вовремя убраться, устранить скрытые опасности и предотвратить возникновение подтоплений в городах.
(4) Определить температуру земли и отправить данные обратно.
(5) Определите уровень воды и отправьте данные обратно.
(6) Определите влажность почвы и увеличьте частоту передачи при ее повышении, что полезно для предупреждения о сильном дожде.
(7) Отслеживайте поток транспортных средств, отправляйте данные в режиме реального времени и помогайте управлять дорожным движением.
(8) Отобразить возвращенные данные в интерфейсе визуализации и провести соответствующую обработку и классификацию, что обеспечивает удобную рабочую среду для муниципальных департаментов.
(9) Создайте базу данных для хранения возвращенных данных для удобства использования и анализа.
4 Заключительные замечания
Целью системы является создание интеллектуальной платформы муниципального управления для обеспечения более комфортной и безопасной жизни населения. Использование системы водоотведения в качестве регионального узла конвергенции, централизованная передача и интеллектуальная обработка собранных данных являются важным нововведением проекта. Ключевым моментом проекта является создание умного города, учитывающего вопросы водоотведения, дорожного движения, безопасности дорожного движения и другие муниципальные данные. Хотя некоторые проблемы с электроснабжением и антеннами всё ещё существуют, их решение не составит труда для инженеров, что может обеспечить большую гарантию безопасности и качества жизни людей.
