智慧城市背景下基于Arduino平臺(tái)的城市防澇智慧管控系統(tǒng)研究

王菲露，唐雅勤，萬文芳，魏曉莉，武鋼，符煜昊

（安徽建筑大學(xué)）

1 引言

近年來，全國(guó)各地都有發(fā)生嚴(yán)重內(nèi)澇，城市內(nèi)澇災(zāi)害每年都在增加。如2012年7 月21 日，北京發(fā)生特大嚴(yán)重暴雨，暴雨造成79人死亡。2020年7月，四川發(fā)生嚴(yán)重暴雨災(zāi)害，64 個(gè)縣未能幸免，145 萬多人遭受災(zāi)害，9 人死亡，共計(jì)轉(zhuǎn)移安置11萬人[1]。2020年，廣州、武漢、安徽等各地也都遭受暴雨的襲擊，給城市交通帶來影響，人民生命財(cái)產(chǎn)安全受到威脅。為了最大程度解決內(nèi)澇對(duì)人民造成的損失，一方面要大力建設(shè)城市水務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施[2]，另一方面需要結(jié)合信息化，建設(shè)城市排水智慧管控系統(tǒng)，實(shí)時(shí)智能監(jiān)測(cè)和掌握城市內(nèi)澇情況，降低強(qiáng)降雨對(duì)城市的影響。

2 智慧城市

2010 年IBM 公司正式提出“智慧城市”概念，全球開啟了信息化浪潮，智慧城市通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代化信息技術(shù)的結(jié)合，對(duì)城市各個(gè)基礎(chǔ)組成部分進(jìn)行智能控制、數(shù)據(jù)上云、云上處理和云上共享，進(jìn)而達(dá)到便捷的公共服務(wù)、高度共享的城市信息、適合居住的生活環(huán)境和智能度高的基礎(chǔ)設(shè)施。目前，我國(guó)約有500 個(gè)城市明確提出或者正在進(jìn)行智慧城市進(jìn)行，同時(shí)華為等技術(shù)公司也在積極提供技術(shù)支持。我國(guó)已在人工智能技術(shù)研究、移動(dòng)便民服務(wù)、共享網(wǎng)約單車等應(yīng)用方面走在世界前列（見圖1）。

城市地下空間信息化建設(shè)是智慧城市建設(shè)的重要一環(huán)，城市內(nèi)澇地下信息化建設(shè)旨在解決城市內(nèi)澇問題，使城市地上的人對(duì)城市地下信息情況有詳細(xì)了解并能掌握數(shù)據(jù)，便于進(jìn)一步解決城市易內(nèi)澇和地下管道排布難等問題，同時(shí)，可以和別的城市信息化系統(tǒng)相結(jié)合，打造一體化的智慧城市。

3 系統(tǒng)開發(fā)和建設(shè)意義

在我國(guó)城市化快速發(fā)展的過程中，城市內(nèi)澇災(zāi)害問題普遍出現(xiàn)，特別是在地勢(shì)低、河湖多、內(nèi)澇災(zāi)害經(jīng)常發(fā)生的城市，城市內(nèi)澇問題就更亟待解決[3]?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)的城市防澇智慧管控系統(tǒng)，提供城市排水防澇的全面監(jiān)控和管理功能，通過后臺(tái)監(jiān)控和計(jì)算，做到災(zāi)害預(yù)警和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的接收顯示，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和管理，不僅節(jié)省了大量人力物力，同時(shí)信息化的處理模式也為排水行業(yè)提供了基礎(chǔ)研究數(shù)據(jù)，有助于未來更加安全和諧的發(fā)展。

進(jìn)行信息化的建設(shè)需要與城市發(fā)展現(xiàn)狀及排水信息化需求緊密結(jié)合，以解決實(shí)際問題為導(dǎo)向，以先進(jìn)性與實(shí)用性結(jié)合為原則，以保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全、實(shí)現(xiàn)人與自然和諧發(fā)展為目標(biāo)[4]。將具體可行的技術(shù)運(yùn)用起來，解決人民生活的問題。城市防澇智慧管控系統(tǒng)可以使管理工作由被動(dòng)應(yīng)付變成主動(dòng)管理，不再依靠大量人員巡查，而是直接通過手機(jī)監(jiān)控的方式查看設(shè)備狀態(tài)，了解路面情況，大大提高了城市路面積水現(xiàn)象的管理效率。信息化需要不斷升級(jí)和維護(hù)，因此建立本地化的實(shí)施隊(duì)伍有重要意義，通過排水信息化建設(shè)和相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展，全面推動(dòng)智慧城市建設(shè)，帶動(dòng)地方經(jīng)濟(jì)（見圖2）。

圖2 系統(tǒng)開發(fā)和建設(shè)意義

4 城市防澇智慧管控系統(tǒng)概述

4.1 平臺(tái)方案搭建

將利用物聯(lián)網(wǎng)、通信等多種技術(shù)集成，實(shí)現(xiàn)信息數(shù)據(jù)的采集及處理，利用安卓移動(dòng)端技術(shù)，實(shí)現(xiàn)排水相關(guān)管理部門和用戶之間的簡(jiǎn)單信息交互，操作方便靈活。系統(tǒng)的監(jiān)控中心可根據(jù)數(shù)據(jù)閾值，判定災(zāi)害情況，生成內(nèi)澇積水預(yù)警，平臺(tái)通過地圖顯示，安卓端可接收消息提醒，提前發(fā)布警告信息，盡快啟動(dòng)相應(yīng)預(yù)案；另一方面，利用安卓移動(dòng)端技術(shù)實(shí)現(xiàn)排水相關(guān)管理部門和用戶之間的簡(jiǎn)單信息交互，操作方便靈活。

本系統(tǒng)由Arduino 作為主控；水位傳感器、超聲波測(cè)距模塊等各類傳感器模塊作為數(shù)據(jù)的采集；水泵、步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以及ESP8266 作為通信模塊，實(shí)現(xiàn)硬件端和軟件端的信息傳遞功能;通過中移平臺(tái)的NB-IOT協(xié)議上傳數(shù)據(jù)到物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，無需代碼直接開發(fā)出網(wǎng)頁(yè)和APP，利用view2.0 功能，開發(fā)網(wǎng)頁(yè)顯示設(shè)備信息及澇災(zāi)情況。通過不同功能的傳感器檢測(cè)各類環(huán)境參數(shù)并回傳給控制單元，控制單元按照程序?qū)Ω黝悈?shù)進(jìn)行匯集處理，進(jìn)行場(chǎng)景的聯(lián)動(dòng)，控制水泵和步進(jìn)電機(jī)的開關(guān)；用WiFi 模塊使其以簡(jiǎn)單易讀的文字、圖標(biāo)等形式顯示到手機(jī)等顯示設(shè)備上，在軟件端進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的處理、記錄和發(fā)布，可以實(shí)時(shí)向手機(jī)等終端設(shè)備發(fā)送消息提醒。

如果在未布設(shè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的地區(qū)，用戶可以對(duì)自己所在地區(qū)澇災(zāi)嚴(yán)重程度進(jìn)行問題上報(bào)，附上具體位置信息等相關(guān)描述，后臺(tái)將直接連接相關(guān)部門，一鍵式反映，并及時(shí)做出響應(yīng)。如果在已布設(shè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備地區(qū)用戶發(fā)現(xiàn)移動(dòng)端顯示數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況不符，也可進(jìn)行問題上報(bào)反映。另外，檢測(cè)人員也可通過移動(dòng)端第一時(shí)間了解事故信息，便于現(xiàn)場(chǎng)人員及時(shí)對(duì)事故進(jìn)行定位處理和設(shè)備維護(hù)。

總體來說，基于Arduino 平臺(tái)的城市防澇智能管控系統(tǒng)可利用各類硬件設(shè)備實(shí)現(xiàn)信息數(shù)據(jù)的采集及處理，從而監(jiān)測(cè)道路積水深度、地下管道堵塞情況等各項(xiàng)關(guān)鍵性指標(biāo)。與此同時(shí)，通過提供歷史數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)分析結(jié)果，可以幫助相關(guān)研究部門分析未來趨勢(shì)，提前預(yù)防災(zāi)害，避免處理不及時(shí)所造成的人民和國(guó)家的損失。主要路線如圖3平臺(tái)流程圖和圖4系統(tǒng)架構(gòu)圖所示。

圖3 平臺(tái)流程圖

圖4 系統(tǒng)架構(gòu)圖

4.2 主要研究?jī)?nèi)容

本系統(tǒng)初始化后通過傳感器模塊采集環(huán)境參數(shù)并在顯示屏上顯示。設(shè)備的數(shù)據(jù)采集在實(shí)際使用中可以采用太陽(yáng)能供電或接入市電，然后將數(shù)據(jù)傳送至Arduino 單片機(jī)進(jìn)行分析，與初始化的正常范圍進(jìn)行比較，當(dāng)數(shù)據(jù)超出正常范圍時(shí)報(bào)警并控制水泵和步進(jìn)電機(jī)的開啟（模擬智能井蓋），同時(shí)通過NB-IOT協(xié)議向云平臺(tái)上傳數(shù)據(jù)信息。同時(shí)，用戶和檢測(cè)人員可以實(shí)時(shí)上報(bào)問題到移動(dòng)端，通過地圖查看居民居住地區(qū)易積水道路狀態(tài)。

1）水位傳感器模塊設(shè)計(jì)

水位傳感器簡(jiǎn)單易用、小巧輕便、性價(jià)比高。工作溫度在10-30℃，工作濕度在10%～90%無凝結(jié)，實(shí)現(xiàn)水量到模擬量的轉(zhuǎn)換，具有較強(qiáng)的可塑性、高靈敏度、功耗低，能夠連接各種開發(fā)板實(shí)現(xiàn)功能。水位傳感器采用的是HC-SR04 超聲波測(cè)距模塊，測(cè)量模塊距離水面的高度，再用測(cè)量模塊部署的高度減去測(cè)量的高度即可得到水位深度，然后計(jì)算兩個(gè)超聲波測(cè)距模塊的平均值，以減少誤差。

2）超聲波測(cè)距模塊設(shè)計(jì)

超聲波水位傳感器根據(jù)聲學(xué)原理測(cè)量水位[2]。工作原理是超聲波通過探頭的放射換能器，向水面垂直發(fā)射固定頻率的超聲波，到達(dá)水面后產(chǎn)生回波。探測(cè)器接收到回波，通過轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，從而轉(zhuǎn)換成所測(cè)水面的水位高度。

3）步進(jìn)電機(jī)和水泵抽水模塊設(shè)計(jì)

水泵是一種能夠輸送液體或者可以使液體增壓的機(jī)械。它的工作原理是將原機(jī)械的機(jī)械能或者其他能量傳輸給液體，從而使液體能量增加，可用于輸送液體。步進(jìn)電機(jī)在本項(xiàng)目中，用來模擬井蓋，提供動(dòng)力，讓模擬井蓋打開關(guān)閉，二者配合實(shí)現(xiàn)對(duì)過高水位的抽水。

4）云平臺(tái)的設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目直接利用中國(guó)移動(dòng)OneNET云平臺(tái)進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)，開發(fā)簡(jiǎn)易，無需編寫代碼，網(wǎng)頁(yè)端功能多樣。NB-IOT時(shí)延、高并發(fā)、高可用的消息中間件，保障應(yīng)用平臺(tái)與OneNET 數(shù)據(jù)交互即時(shí)可靠。數(shù)據(jù)可視化View2.0 全新上線，3D 場(chǎng)景搭建，聯(lián)動(dòng)控制，強(qiáng)大過濾。支持創(chuàng)建3D項(xiàng)目，免編程、可視化拖拽配置，集成匯總、轉(zhuǎn)換能力的數(shù)據(jù)層，支持多種數(shù)據(jù)源接入，功能強(qiáng)大的數(shù)據(jù)過濾器可對(duì)雜亂數(shù)據(jù)進(jìn)行多種邏輯加工，靈活嵌入搭建，讓2D/3D結(jié)合成為可能。城市排水防澇監(jiān)控移動(dòng)端采用小程序設(shè)計(jì)，主界面展示水泵、電動(dòng)機(jī)等設(shè)備的開關(guān)狀態(tài)以及超聲波、水位計(jì)等傳感設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，同時(shí)通過定位功能，在地圖上顯示設(shè)備報(bào)警狀況。當(dāng)設(shè)備處于報(bào)警狀態(tài)時(shí)，地圖上會(huì)有紅色標(biāo)識(shí)出現(xiàn)，提示使用人員出現(xiàn)險(xiǎn)情急需處理的位置，并且有用戶提交問題界面，用戶將問題反映到手機(jī)后臺(tái)，后臺(tái)收到消息，再反映給具體的相關(guān)管理人員，對(duì)用戶給出的問題技術(shù)處理。

5 結(jié)語(yǔ)

目前，我國(guó)智慧城市發(fā)展具有很大潛力，伴隨新興技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用，越來越多的相關(guān)信息化產(chǎn)品在實(shí)際中運(yùn)用，力圖讓科技改變?nèi)藗兊纳?，使城市居民生活更加智能化、便捷化。本文提出一種基于Arduino平臺(tái)的城市防澇智慧管控系統(tǒng)方案，加強(qiáng)應(yīng)急管理災(zāi)難信息獲取與救災(zāi)及時(shí)處理能力，及時(shí)預(yù)警，及時(shí)救治，遠(yuǎn)程掌控城市內(nèi)澇災(zāi)情，同時(shí)，調(diào)動(dòng)普通居民積極性，讓居民有途徑可以參與智慧城市建設(shè)，利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、NB-IOT 技術(shù)保障防澇系統(tǒng)的建設(shè)，形成管理部門和普通居民共同建設(shè)的科學(xué)、規(guī)范、便捷、智能的城市防澇管控平臺(tái)，構(gòu)建防澇行業(yè)管控的新模式，以提高城市防災(zāi)減災(zāi)能力和安全保障水平[5-6]。