基于智慧城市解決方案的應(yīng)用與實(shí)踐
——以智慧公廁為例

王晨，蘇偉峰，陳道來(lái)，周子欣，王寧波，鄭國(guó)棟，馬浴菁，連慧玉

（1.上海對(duì)外經(jīng)貿(mào)大學(xué)；2.無(wú)錫太湖學(xué)院）

1 引言

隨著社會(huì)的飛速發(fā)展，我國(guó)城市正處于發(fā)展階段，現(xiàn)狀呈現(xiàn)建設(shè)規(guī)劃不全面、亟待完善與提升、局部區(qū)域人口密度大、階段性人流密度大等特點(diǎn)。旅游景區(qū)、各大公園、大型商業(yè)街等是任何一級(jí)政府注重投入的發(fā)展經(jīng)濟(jì)的產(chǎn)業(yè)，也是一個(gè)城市重要的名片，但是公共廁所卻成為了讓人詬病的地方，公廁所長(zhǎng)期存在的臟亂差，給游客留下了不好的印象。特別在黃金周時(shí)間游客扎堆、如廁排隊(duì)，幾乎已經(jīng)成為了節(jié)日里的普遍現(xiàn)象。這樣一來(lái)嚴(yán)重影響了旅客進(jìn)行二次銷(xiāo)售的欲望。大型體育賽事(國(guó)際馬拉松等)、各種大型展會(huì)、大型演出等時(shí)間短、人流量過(guò)大的大型活動(dòng)[1]。由于公廁數(shù)量少，男女廁所比例不合理[2]，廁所排局不合理等。導(dǎo)致公眾急事不能及時(shí)解決，基本需求得不到滿(mǎn)足，大大影響各種賽事、演出及活動(dòng)的客戶(hù)體驗(yàn)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案

2.1 解決方案

2.1.1 對(duì)傳統(tǒng)的公廁改造

結(jié)合公廁用戶(hù)的需求，通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信（ZigBee協(xié)議，Modbus協(xié)議等）、物聯(lián)網(wǎng)（云服務(wù)器[3]）、等技術(shù)實(shí)現(xiàn)公廁的智能通風(fēng)、智能照明、智能除臭等，以提升公廁服務(wù)品質(zhì)、優(yōu)化管理質(zhì)量為目標(biāo)，從設(shè)計(jì)、應(yīng)用、管理上實(shí)現(xiàn)線(xiàn)下技術(shù)應(yīng)用及線(xiàn)上可視化管理 。

2.1.2 公廁智慧管理

智慧管理側(cè)重于通過(guò)各類(lèi)傳感器技術(shù)采集、無(wú)線(xiàn)通信傳輸、云平臺(tái)存儲(chǔ)，并實(shí)現(xiàn)對(duì)公廁運(yùn)營(yíng)過(guò)程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和統(tǒng)計(jì)，通過(guò)監(jiān)控指揮平臺(tái)實(shí)時(shí)進(jìn)行遠(yuǎn)程管控，以實(shí)現(xiàn)對(duì)公廁的環(huán)境檢測(cè)及控制。智慧公廁是將公廁改造和智慧管理兩者有機(jī)結(jié)合，通過(guò)改造公廁基礎(chǔ)設(shè)施，提升公廁服務(wù)質(zhì)量。通過(guò)對(duì)公廁各類(lèi)傳感器數(shù)據(jù)的采集分析可快速發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并解決問(wèn)題，為用戶(hù)提供良好的如廁環(huán)境。智慧公廁解決方案采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)，依托大數(shù)據(jù)、智能傳感、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)與 PC 端云計(jì)算技術(shù)，對(duì)公廁服務(wù)所涉及的人、物、事進(jìn)行全過(guò)程實(shí)時(shí)管理。合理設(shè)計(jì)規(guī)劃公廁管理模式，提升公廁保潔作業(yè)質(zhì)量，降低公廁運(yùn)營(yíng)成本，提高應(yīng)急處理能力，實(shí)時(shí)掌握一線(xiàn)管理和作業(yè)水平，提高管理效率，為日常經(jīng)營(yíng)管理和決策提供強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支持[4]。

1）公廁設(shè)備

通過(guò)人流量計(jì)數(shù)攝像頭，采集人流信息，再通過(guò)公廁外的顯示器顯示人數(shù)。通過(guò)溫濕度傳感器，采集公廁內(nèi)部環(huán)境參數(shù)，從而采取相應(yīng)措施處理、通過(guò)一鍵報(bào)警按鈕，改善公廁使用安全性，人體熱感應(yīng)紅外裝置坑位檢測(cè)。同時(shí)，采用智能電表、智能水表、智能皂液設(shè)備、人臉識(shí)別取紙?jiān)O(shè)備。

使用智能除臭設(shè)備、除濕設(shè)備、智能熱水設(shè)備（采用太陽(yáng)能）、智能照明設(shè)備，進(jìn)行二氧化碳空氣檢測(cè)、有毒氣體檢查、PM2.5空氣檢測(cè)。

2）公廁現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)系統(tǒng)

廣告投放，公廁遠(yuǎn)程協(xié)助檢修，公廁檢查登記，公廁人流信息顯示，環(huán)境顯示，坑位引導(dǎo)顯示。

3）智慧公廁小程序

公廁狀況遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，公廁遠(yuǎn)程控制，云端管理平臺(tái)。

3 總體設(shè)計(jì)方案

3.1 傳感器信息采集

該裝置采用的是人體感應(yīng)熱釋體紅外檢測(cè)傳感器HC-SR501，其人體紅外感應(yīng)模塊 是基于紅外線(xiàn)技術(shù)的自動(dòng)控制產(chǎn)品。靈敏度高、可靠性強(qiáng)、超低功耗，超低電壓工作模式[5]。廣泛應(yīng)用于各類(lèi)自動(dòng)感應(yīng)電器設(shè)備，尤其是干電池供電的自動(dòng)控制產(chǎn)品，其工作原理是：人進(jìn)入其感應(yīng)范圍則輸出高電平，人離開(kāi)感應(yīng)范圍則自動(dòng)延時(shí)關(guān)閉高電平，輸出低電平。同時(shí)可預(yù)留光敏控制模塊位置，設(shè)置光敏控制，白天或光線(xiàn)強(qiáng)時(shí)不感應(yīng)。

3.2 總體變量數(shù)據(jù)采集模塊

采用485通訊方式，將采集的人流數(shù)據(jù)等傳送到內(nèi)置核心板中，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，同時(shí)采取一定動(dòng)作反應(yīng)，例如排水沖洗等等[6]。通過(guò)控制線(xiàn)播控機(jī)可以及時(shí)發(fā)出播控指令，也可以隨時(shí)讀取錄像機(jī)、切換臺(tái)、還有視頻服務(wù)器的狀態(tài)。以上只是播控機(jī)房的系統(tǒng)控制圖。上載、總控機(jī)房的系統(tǒng)控制大致和這相同。RS422總線(xiàn)、RS485和RS422電路原理基本相同，都是以差動(dòng)方式發(fā)送和接受，不需要數(shù)字地線(xiàn)。差動(dòng)工作是同速率條件下傳輸距離遠(yuǎn)的根本原因，這正是二者與RS232的根本區(qū)別，因?yàn)镽S232是單端輸入輸出，雙工工作時(shí)至少需要數(shù)字地線(xiàn)、發(fā)送線(xiàn)和接受線(xiàn)三條線(xiàn)(異步傳輸)，還可以加其他控制線(xiàn)完成同步等功能。計(jì)算機(jī)控制在廣電播控系統(tǒng)中運(yùn)用會(huì)越來(lái)越廣泛，而且隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，智能化也會(huì)不斷提高，系統(tǒng)也會(huì)更加龐大，這就要求我們能更深入了解計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)理論，這樣才能更深入的了解系統(tǒng)，維護(hù)系統(tǒng)，保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，更好的保障安全 播出。

3.3 技術(shù)實(shí)現(xiàn)-智能化控水控電設(shè)備

3.3.1 傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)

老式?jīng)_水裝置利用的是浮力構(gòu)造，利用浮力球帶動(dòng)的普通杠桿，當(dāng)注入水槽里的水達(dá)到一定高度時(shí)，浮力球會(huì)帶動(dòng)杠桿裝置進(jìn)行沖水工作，但是這種裝置會(huì)一直工作，無(wú)論是否有人使用廁所。而基于這種裝置，我們進(jìn)行一定的改進(jìn)，利用傳感器模塊，使用智能杠桿，對(duì)水槽的進(jìn)出水裝置進(jìn)行控制。利用同樣的原理，可以對(duì)電燈進(jìn)行控制。

3.3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

綜合考慮，將本裝置設(shè)計(jì)為三個(gè)單元，即控制單元a、信息收集單元b、轉(zhuǎn)動(dòng)單元c?？刂茊卧捎脝纹瑱C(jī)的操作原理，對(duì)硬件層進(jìn)行定向控制，將各個(gè)模塊結(jié)合起來(lái)，信息收集單元采用的是激光傳感器定向收集使用者的動(dòng)作狀態(tài)，從而讓控制單元更好的控制轉(zhuǎn)動(dòng)模塊，達(dá)到一定的目的。

3.3.3 信息收集單元

信息收集單元采用的是兩束激光傳感器A、B，通過(guò)安裝在門(mén)框的兩束平行的激光傳感器A、B，采集到進(jìn)入廁所的人，當(dāng)有人通過(guò)門(mén)時(shí)，傳感器A首先接收到信號(hào)，B再次接收到信號(hào)，定義為進(jìn)入；反之，當(dāng)傳感器B接收到信號(hào)，其次A再接收到信號(hào)，定義為出去；當(dāng)傳感器接收到信號(hào)時(shí)，反饋值給控制的系統(tǒng)，系統(tǒng)再控制轉(zhuǎn)動(dòng)裝置。

3.3.4 轉(zhuǎn)動(dòng)單元

轉(zhuǎn)動(dòng)單元采用的是智能杠桿，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)控制的杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)，結(jié)合繼電器的步進(jìn)電機(jī)，在中央控制器單片機(jī)的控制下，進(jìn)行一定的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而控制注水口與出水口的開(kāi)關(guān)。采用5V 1A的步進(jìn)電機(jī)控制杠桿，通過(guò)單片機(jī)設(shè)定好的程序代碼，進(jìn)行工作，杠桿一端X連接阻水塞，另一端Y連接控制出水口的阻塞，將5V 1A的步進(jìn)電機(jī)安裝在支點(diǎn)處。通過(guò)計(jì)算使用25cm的杠桿最為省力，降低步進(jìn)電機(jī)的工作環(huán)境要求，并且也保證了使用者的人身安全。

3.3.5 具體流程

1）控水設(shè)備

首先設(shè)備處于休息狀態(tài)，注水口的阻塞關(guān)閉，出水口的懸塞打開(kāi)。當(dāng)有使用者通過(guò)激光傳感器時(shí)，通過(guò)信息收集單元，如果當(dāng)A傳感器接收到信號(hào)時(shí)，反饋信號(hào)給中央控制器，中央控制器給出一個(gè)低電平傳輸?shù)娇刂聘軛U的步進(jìn)電機(jī)，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)控制杠桿端，使X端上拉，Y端下降，系統(tǒng)進(jìn)行注水工作，（如果可設(shè)計(jì)另有一種方案，當(dāng)注水時(shí)，B傳感器接收到信號(hào)時(shí)，智能杠桿控制X端下降Y端上升）延時(shí)設(shè)置為5min（根據(jù)實(shí)地的水槽計(jì)算，注滿(mǎn)水所需要的時(shí)間），延時(shí)過(guò)后，中央控制再次給出一個(gè)低電平，讓步進(jìn)電機(jī)控制智能杠桿，控制X端下降，Y端上升，進(jìn)行沖洗工作，沖洗完畢后，即結(jié)束一個(gè)循環(huán)。

2）控電設(shè)備

該設(shè)備根據(jù)光線(xiàn)以及人流控制公廁的燈，節(jié)約電力資源的浪費(fèi)， 當(dāng)外界已有的光照強(qiáng)度大于室內(nèi)的光照強(qiáng)度時(shí)，光敏電阻無(wú)限大致使電路實(shí)現(xiàn)斷路，人流傳感器保持工作狀態(tài)無(wú)法工作，當(dāng)外界的光照強(qiáng)度較小時(shí)，光敏電阻的阻值會(huì)減小，使電路導(dǎo)通即處于工作狀態(tài)，電路形成一個(gè)閉合環(huán)路，但此時(shí)燈的開(kāi)關(guān)并沒(méi)有打開(kāi)，需要人流傳感器的觸發(fā)，才能使電燈點(diǎn)亮。該裝置增加總閥控制電路，把開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)在對(duì)廁所供電的總線(xiàn)上，利于直接控制電的工作，也增加了一定程度的安全性能，避免引起由于電通過(guò)水流造成的安全事故。同時(shí)，該設(shè)備還利用智能電表，采集用電情況，并能及時(shí)將數(shù)據(jù)傳遞至智能云端，有利于數(shù)據(jù)的采集和后期分析利用。該設(shè)備將市電220V通過(guò)變壓器調(diào)至一定的低壓為系統(tǒng)供電，保證了電磁閥門(mén)、燈具、傳感器等進(jìn)行工作。

圖1 控水原理圖解

4 控水的流程原理系統(tǒng)流程圖如圖1所示