智慧城市背景下基于Arduino平臺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）

1 引言

近年來，全國各地都有發(fā)生嚴重內澇，城市內澇災害每年都在增加。如2012年7 月21 日，北京發(fā)生特大嚴重暴雨，暴雨造成79人死亡。2020年7月，四川發(fā)生嚴重暴雨災害，64 個縣未能幸免，145 萬多人遭受災害，9 人死亡，共計轉移安置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，人民生命財產安全受到威脅。為了最大程度解決內澇對人民造成的損失，一方面要大力建設城市水務基礎設施[2]，另一方面需要結合信息化，建設城市排水智慧管控系統(tǒng)，實時智能監(jiān)測和掌握城市內澇情況，降低強降雨對城市的影響。

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)網技術、大數(shù)據(jù)技術和物聯(lián)網等現(xiàn)代化信息技術的結合，對城市各個基礎組成部分進行智能控制、數(shù)據(jù)上云、云上處理和云上共享，進而達到便捷的公共服務、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設施。目前，我國約有500 個城市明確提出或者正在進行智慧城市進行，同時華為等技術公司也在積極提供技術支持。我國已在人工智能技術研究、移動便民服務、共享網約單車等應用方面走在世界前列（見圖1）。

城市地下空間信息化建設是智慧城市建設的重要一環(huán)，城市內澇地下信息化建設旨在解決城市內澇問題，使城市地上的人對城市地下信息情況有詳細了解并能掌握數(shù)據(jù)，便于進一步解決城市易內澇和地下管道排布難等問題，同時，可以和別的城市信息化系統(tǒng)相結合，打造一體化的智慧城市。

3 系統(tǒng)開發(fā)和建設意義

在我國城市化快速發(fā)展的過程中，城市內澇災害問題普遍出現(xiàn)，特別是在地勢低、河湖多、內澇災害經常發(fā)生的城市，城市內澇問題就更亟待解決[3]。基于物聯(lián)網技術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，通過后臺監(jiān)控和計算，做到災害預警和實時數(shù)據(jù)的接收顯示，實現(xiàn)遠程控制和管理，不僅節(jié)省了大量人力物力，同時信息化的處理模式也為排水行業(yè)提供了基礎研究數(shù)據(jù)，有助于未來更加安全和諧的發(fā)展。

進行信息化的建設需要與城市發(fā)展現(xiàn)狀及排水信息化需求緊密結合，以解決實際問題為導向，以先進性與實用性結合為原則，以保障人民生命財產安全、實現(xiàn)人與自然和諧發(fā)展為目標[4]。將具體可行的技術運用起來，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應付變成主動管理，不再依靠大量人員巡查，而是直接通過手機監(jiān)控的方式查看設備狀態(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和維護，因此建立本地化的實施隊伍有重要意義，通過排水信息化建設和相關領域的發(fā)展，全面推動智慧城市建設，帶動地方經濟（見圖2）。

圖2 系統(tǒng)開發(fā)和建設意義

4 城市防澇智慧管控系統(tǒng)概述

4.1 平臺方案搭建

將利用物聯(lián)網、通信等多種技術集成，實現(xiàn)信息數(shù)據(jù)的采集及處理，利用安卓移動端技術，實現(xiàn)排水相關管理部門和用戶之間的簡單信息交互，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，判定災害情況，生成內澇積水預警，平臺通過地圖顯示，安卓端可接收消息提醒，提前發(fā)布警告信息，盡快啟動相應預案；另一方面，利用安卓移動端技術實現(xiàn)排水相關管理部門和用戶之間的簡單信息交互，操作方便靈活。

本系統(tǒng)由Arduino 作為主控；水位傳感器、超聲波測距模塊等各類傳感器模塊作為數(shù)據(jù)的采集；水泵、步進電機作為執(zhí)行機構，以及ESP8266 作為通信模塊，實現(xiàn)硬件端和軟件端的信息傳遞功能;通過中移平臺的NB-IOT協(xié)議上傳數(shù)據(jù)到物聯(lián)網云平臺，無需代碼直接開發(fā)出網頁和APP，利用view2.0 功能，開發(fā)網頁顯示設備信息及澇災情況。通過不同功能的傳感器檢測各類環(huán)境參數(shù)并回傳給控制單元，控制單元按照程序對各類參數(shù)進行匯集處理，進行場景的聯(lián)動，控制水泵和步進電機的開關；用WiFi 模塊使其以簡單易讀的文字、圖標等形式顯示到手機等顯示設備上，在軟件端進行數(shù)據(jù)信息的處理、記錄和發(fā)布，可以實時向手機等終端設備發(fā)送消息提醒。

如果在未布設物聯(lián)網設備的地區(qū)，用戶可以對自己所在地區(qū)澇災嚴重程度進行問題上報，附上具體位置信息等相關描述，后臺將直接連接相關部門，一鍵式反映，并及時做出響應。如果在已布設物聯(lián)網設備地區(qū)用戶發(fā)現(xiàn)移動端顯示數(shù)據(jù)和現(xiàn)場實際情況不符，也可進行問題上報反映。另外，檢測人員也可通過移動端第一時間了解事故信息，便于現(xiàn)場人員及時對事故進行定位處理和設備維護。

總體來說，基于Arduino 平臺的城市防澇智能管控系統(tǒng)可利用各類硬件設備實現(xiàn)信息數(shù)據(jù)的采集及處理，從而監(jiān)測道路積水深度、地下管道堵塞情況等各項關鍵性指標。與此同時，通過提供歷史數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)分析結果，可以幫助相關研究部門分析未來趨勢，提前預防災害，避免處理不及時所造成的人民和國家的損失。主要路線如圖3平臺流程圖和圖4系統(tǒng)架構圖所示。

圖3 平臺流程圖

圖4 系統(tǒng)架構圖

4.2 主要研究內容

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。設備的數(shù)據(jù)采集在實際使用中可以采用太陽能供電或接入市電，然后將數(shù)據(jù)傳送至Arduino 單片機進行分析，與初始化的正常范圍進行比較，當數(shù)據(jù)超出正常范圍時報警并控制水泵和步進電機的開啟（模擬智能井蓋），同時通過NB-IOT協(xié)議向云平臺上傳數(shù)據(jù)信息。同時，用戶和檢測人員可以實時上報問題到移動端，通過地圖查看居民居住地區(qū)易積水道路狀態(tài)。

1）水位傳感器模塊設計

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

2）超聲波測距模塊設計

超聲波水位傳感器根據(jù)聲學原理測量水位[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，到達水面后產生回波。探測器接收到回波，通過轉換電路，轉換成電信號，從而轉換成所測水面的水位高度。

3）步進電機和水泵抽水模塊設計

水泵是一種能夠輸送液體或者可以使液體增壓的機械。它的工作原理是將原機械的機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。步進電機在本項目中，用來模擬井蓋，提供動力，讓模擬井蓋打開關閉，二者配合實現(xiàn)對過高水位的抽水。

4）云平臺的設計

本項目直接利用中國移動OneNET云平臺進行系統(tǒng)開發(fā)，開發(fā)簡易，無需編寫代碼，網頁端功能多樣。NB-IOT時延、高并發(fā)、高可用的消息中間件，保障應用平臺與OneNET 數(shù)據(jù)交互即時可靠。數(shù)據(jù)可視化View2.0 全新上線，3D 場景搭建，聯(lián)動控制，強大過濾。支持創(chuàng)建3D項目，免編程、可視化拖拽配置，集成匯總、轉換能力的數(shù)據(jù)層，支持多種數(shù)據(jù)源接入，功能強大的數(shù)據(jù)過濾器可對雜亂數(shù)據(jù)進行多種邏輯加工，靈活嵌入搭建，讓2D/3D結合成為可能。城市排水防澇監(jiān)控移動端采用小程序設計，主界面展示水泵、電動機等設備的開關狀態(tài)以及超聲波、水位計等傳感設備實時監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，同時通過定位功能，在地圖上顯示設備報警狀況。當設備處于報警狀態(tài)時，地圖上會有紅色標識出現(xiàn)，提示使用人員出現(xiàn)險情急需處理的位置，并且有用戶提交問題界面，用戶將問題反映到手機后臺，后臺收到消息，再反映給具體的相關管理人員，對用戶給出的問題技術處理。

5 結語

目前，我國智慧城市發(fā)展具有很大潛力，伴隨新興技術的開發(fā)和應用，越來越多的相關信息化產品在實際中運用，力圖讓科技改變人們的生活，使城市居民生活更加智能化、便捷化。本文提出一種基于Arduino平臺的城市防澇智慧管控系統(tǒng)方案，加強應急管理災難信息獲取與救災及時處理能力，及時預警，及時救治，遠程掌控城市內澇災情，同時，調動普通居民積極性，讓居民有途徑可以參與智慧城市建設，利用物聯(lián)網、大數(shù)據(jù)、NB-IOT 技術保障防澇系統(tǒng)的建設，形成管理部門和普通居民共同建設的科學、規(guī)范、便捷、智能的城市防澇管控平臺，構建防澇行業(yè)管控的新模式，以提高城市防災減災能力和安全保障水平[5-6]。