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智慧化窨井设施远程监测平台研究

2021-01-03田立武沈晓萍

中国新通信 2021年20期
关键词:智慧化

田立武 沈晓萍

【摘要】    智慧化窨井实施监测系统是智慧市政的重要组成部分,为现代智慧化城市管理发挥作用。其监测平台是系统中的关键部分,功能是完成对采集自窨井设施的大量数据进行计算处理与分析,然后为技术人员提供窨井数据和工作建议,包括窨井的日常监测、窨井的基本信息管理、异常信息反馈、数据采集端配置四部分,项目设计主要完了通信协议的规划设计、数据库的搭建设计、电子地图引入设计等任务。平台设计合理、运行稳定,达到项目要求。

【关键词】    智慧化    窨井    监测平台

引言:

近几十年来,城市建设日新月异,伴随的城市的电力、用水、燃气等基础实施的更新完善也是飞快。大量的基础设施需要高效的管理和极高的安全性。近几年出现的一个社会焦点问题是地下管道和窨井的管理问题,窨井数量大量增加给管理带来难题,管理不到位,出现了人员、车辆等事故,影响了市民生活体验。因此,对于窨井等设施的智能高效管理是很有必要的,它属于智慧市政建设的重要内容。

建立智慧化的窨井监测系统,可以大面积实时监测窨井设施的状态,在窨井设施出现问题后可及时派工作人员到现场处理,在人力成本不断加大的现代具有优势,同时运作效率会大幅提高。当前国内外在窨井设施管理上多采用物联网中成熟的ZigBee、wifi等无线通信方式。ZigBee无线通信方式虽然能耗低,自组网,但通信距离短,不适合广阔区域部署和后续便捷的集中管理[1];wifi通信方式最大的缺陷在能耗高,成本过高,在广阔的室外环境中部署。根据对比分析,智慧化窨井实施监测系统采用长距离的NB-IoT(窄带物联网技术)比较合适,其在距离、能耗、大链接等方面具有优势[2]。因此,研究和设计基于NB-IoT技术的窨井设施远程监测系统很有必要,其关键技术和核心监测模块也可在其他市政设施或行业进行大面积应用推广。

一、智慧化窨井设施监测系统总体设计

1.1智慧化窨井设施监测系统功能分析

智慧化窨井實施监测系统是智慧市政的重要组成部分,其作用是对区域内道路上的窨井设施的状态进行实施监测。因为系统部署所面对的环境一是区域广,二是窨井设施所处的环境恶劣,所以在通信方面选择可靠性高、性价比高的的长远距离通信方式,采集端模块设计在尺寸、精度、能耗方面要重点研究和考虑。具体的平台方面包括井盖编码在内的通信协议规划设计要合理,实现数据采集到平台的数据传输安全可靠;数据库的选择与设计要能完成大量数据的保存处理;平台要完成信息的统计分析与异常信息反馈。

1.2智慧化窨井设施监测系统整体架构

根据对系统功能需求分析,智慧化窨井设施监测系统主要就是实现窨井位置及状态信息的准确采集、安全传输、有效处理与反馈。整体系统包括井下数据采集与传输端、监测平台端两部分。井下数据采集与传输端主要领用传感器模块采集数据,基于NB-IoT传输模块进行数据远距离传输;监测平台接收来自传感器的采集数据,后进行进一步的分析处理等[3]。整体设计如图1智慧化窨井设施监测系统整体架构图所示。

1.3数据采集端设计

根据监测系统的整体构想,井下数据采集端的作用一是准确实时采集有害气体、水位值、井盖倾角值等各类与窨井相关的数据并完成数据发送到基站;二是接收平台发送的指令完成传感器模块相关参数的修改等。数据采集端的具体设计包括各类传感器模块、控制与通信模块两部分。有害气体传感器、加速度传感器等各类传感器模块完成各种状态数据采集转化和接收控制模块的指令执行相应采集任务。控制与通信模块是核心,相当与采集端的中枢,一是对各类传感数据的汇集与无线传输,二是接收来自平台的指令并进行进一步的处理。采集端设计如图2数据采集端基本框图所示。

二、智慧化窨井设施监测平台设计

智慧化窨井设施监测平台的主要功能是对采集自窨井设施的大量数据进行计算处理与分析,然后为技术人员提供窨井数据和工作建议等。监测平台采用B/S建构的的Web系统,页面采用jsp来进行设计,网站的数据库Oraclel1g,当有异常信息出现,监测平台会以短信的方式发给工作人员,方便工作人员进行后续处理。同时,监测平台可以发指令对数据采集端进行参数配置等。

监测平台主要包括窨井的日常监测、窨井的基本信息管理、异常信息反馈、数据采集端配置四部分。窨井的日常监测部分实现井盖的位置信息和工作状态信息的实时显示;窨井的基本信息管理部分一是实现对第三方巡检信息的查询,二是实现井盖信息的增加、删除、修改等基本操作;异常信息反馈实现井盖异常基本查询和次数的统计;数据采集端配置部分实现气体浓度异常阈值、井盖传感器参数等的设置。根据功能需求,监测平台的设计任务主要集中在三个方面,首先是为了实现通信的有效性和安全性,要进行井盖编码、指令编码、采集端数据编码等的规划设计;然后是因为整个系统有大量的数据需要存储处理,要进行数据库的规划设计,本平台采用Oracle数据库;最后是电子地图的引入设计,能友好生动地显示窨井的位置信息、异常反馈标识,本平台引入的是百度地图模块。

2.1 智慧化窨井设施监测平台通信协议的规划设计

为了从数据采集端到监测平台信息传输的可靠性,必须对平台的通信协议进行规化和设计,其协议中主要包括了采集端传感器感应到的有害企业浓度值、窨井水位值、井盖加速度信息、井盖位置信息四类数据。通信的两大关键指标是有效性和可靠性,为了实现目标,本项目选择了CRC(循环冗余校验)法。

2.1.1井盖的编号

城市基础设施井盖数量庞大,数字化平台设计中一般对此类对象要进行数字化编码,即每个井盖对应唯一一组数字编码。本项目对嘉兴区域的窨井设施的所有井盖进行编码,区县代码为01-99,街道代码为001-999,具体道路的代码为001-999,某条道路上的井盖代码为01-99。例如嘉兴市南湖区新兴街道吉杨路1号窨井数字编码为0103100901,其中01代表南湖区,031代表新兴街道,009代表吉杨路,01代表次道路上的1号窨井。

2.1.2指令编码规划

要实现监测平台与数据采集层的信息互通的顺畅,必须进行统一的指令编码规划设计。平台和数据采集端因收到不一样的指令而快速地执行相应的动作。整个系统指令编码规划主要包括鉴权指令编码(0x6000)、气体异常报警指令编码(0x6100)、水位异常报警指令编码(0x6102)等。

2.1.3采集端数据编码规划

从系统整体考虑,采集端数据主要包括井盖位置信息、井盖倾角值、水位值、气体浓度值等4方面的数据,下一步就是针对此类数据进行编码设计。

井盖位置信息:井盖的位置信息要精确,这样才能做到准确定位,平台采用将采集端程序中位置数据拆分来发送,监测平台在接收到信息后把数据进行合并得到精确位置数据。

井盖倾角值:完成井盖倾角值的采集与发送,即在恰当的时间发送倾角值、唤醒阈值、唤醒时间三类数据。一定时间的唤醒设计是物联网中传感层的基本设计要求,加速度传感器在不工作时进入休眠状态,这样可以达到采集端的较低功耗,本系统中井盖加速度传感器唤醒阈值设为45mg,唤醒时间位8ms,在井盖倾角值大于25º则发出异常反馈。

水位值:本系统采用结露传感器来对窨井中的水位值进行实时监测,如果感应到有水,则及时向平台发出异常信息。因此只存在正常(0表示正常)和异常(1表示异常)两种状态信息。

气体浓度:本系统采用气体传感器来对窨井中的有害气体进行实时监测,同时,平台可以对发出异常信息的气体浓度阈值进行修改,这样的设计提升系统的异常反馈的准确率。

2.1.4数据校验法的选择

本系统选择CRC(Cyclic Redundancy Check,CRC)校验法。在网络通信中,CRC的算法具有一定优点,一是可以大比例纠正信息传输中错误,二是能快速完成校验码生成并完成纠错动作,这样不仅提高信息传输可靠性,还提高了信息传输的有效性,达到通信的关键指标要求。CRC检验方法的成本比较低,检测能力、速度等方面相对其它方法有很明显的优势,因而,CRC成为网络通信领域最为普遍的校验方法[4]。常用的CRC-16生成过程如下:

1.设置CRC寄存器,并给其赋值FFFF(hex)。

2.将数据的第一个8-bit字符与16位CRC寄存器的低8位进行异或,并把结果存入CRC寄存器。

3. CRC寄存器向右移一位,MSB補零,移出并检查LSB。

4.如果LSB等于0,再次进行第三步;若LSB等于1,CRC寄存器与多项式码相异或。

5.再次执行第3与第4步直到8次移位全部结束。此时一个8-bit数据处理完毕[5]。

6.重复第2至第5步直到所有数据全部处理完成。

7.最终CRC寄存器的内容即为CRC值。

2.2数据库系统规划设计

本平台有一定量的数据需要存储和处理,因此必须进行数据库的整体规划设计。需要存放的数据有窨井的地址信息、井盖的位置信息、倾角值、窨井水位值、异常反馈信息等,本平台数据库选择Oracle来构建。

2.2.1数据库的总体规划

根据对平台的功能要求和需要采集的数据的分析,本平台数据库包括数据基本信息分类、基本信息管理和异常信息分析三个功能模块。

1.基本信息分类

基本信息分类模块主要保存井盖的数据信息,一是保存窨井的区域位置信息,与井盖编号做到一一对应;二是保存井盖位置信息、倾角值、水位等状态类信息,与井盖编号做到一一对应;三是保存异常反馈信息,包括异常反馈级别、异常反馈时间,这些信息也要与井盖编号做到一一对应。

2.基本信息管理

基本信息管理模块主要完成对数据的基本操作,包括对数据的添加、删除等,这也是平台对数据方便灵活管理的基本要求。如果上传数据有误差,可以在平台上做补救修正处理。

3.异常反馈信息分析

异常反馈信息分析模块主要完成对上传的窨井异常数据的分析,窨井状态异常信息有有害气体超过阈值等三种。当有异常反馈信息上传到平台,平台会对信息中的编号和异常级别进行分析,从而获取窨井的位置信息、异常级别等信息后做保存。

2.2.2具体数据库表的设计

根据对平台所要求的数据归类分析,主要有三类信息要与井盖编号做一一对应,因此本平台数据库设计三张数据库表,第一张是保存窨井的区域位置信息;第二张是保存井盖位置信息、倾角值、水位等状态类信息;第三张是保存异常反馈信息。

第一张表是保存窨井的区域位置信息,主要包括窨井编码,城市名、区县名、街道名、道路名,井盖序号6个字段。具体设计如表2窨井区域位置信息表所示。

第二张表是保存窨井状态信息,主要包括窨井编码,倾角值、水位值、有害气体浓度值、经度,纬度6个字段。具体设计如表3窨井状态信息表所示。

第三张表是保存异常反馈信息,主要包括窨井编码,异常时间、异常级别、异常次数4个字段。具体设计如表4异常反馈信息表所示。

2.3 电子地图引入与设计

一般需要定位信息的平台都会引入电子地图,结合电子地图来显示窨井的具体位置信息,生动而直观。本平台采用了常用的百度地图模块,来完成对井盖的实时定位显示。对电子地图网页做进一步开发,确保实际井盖位置与电子地图上位置相符,具体是从采集端获取的位置信息传入网页文件中,通过编程语言实现井盖图标创建和电子地图对应位置的放置。同时,为了窨井正常和异常显示有明显区别,设计了不同的显示图标。电子地图引入,使管理人员可以更便捷实用平台。

三、结束语

智慧化窨井设施远程监测平台是整个监测系统的重要组成部分,其功能是完成对采集自窨井设施的大量数据进行计算处理与分析,然后为技术人员提供窨井数据和工作建议,包括窨井的日常监测、窨井的基本信息管理、异常信息反馈、数据采集端配置四部分,平台设计主要完成通信协议的规划设计、数据库的搭建设计、电子地图引入设计等任务。从平台应用测试的各项数据看,实现了采集端各类数据信息的收集、保存与反馈,达到预期目标。

参  考  文  献

[1]何勉,许军.基于ZigBee技术的智能家居系统设计[J].仪器仪表用户, 2017,34(1):52-55.

[2]秦钰林,周若麟,张珂欣,范训礼,冯瑞航.基于NB-IoT窄带通信和多传感器组网技术的森林火灾监测预警系统[J].物联网技术,2020,10(6):14-16,19.

[3]张超.优秀历史建筑安全管理与监控平台的研发与应用[J].绿色建筑2019,3:54-58.

[4]高云飞, 陈亮, 何栋.论CRC算法在计算机网络通信中的应用[J].中国战略新兴产业,2020,6:117.

[5]高岳,马帅.CRC算法在计算机网络通信中的应用研究[J].信息记录资料,2017,18(10):8-10.

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