祁霞，耿博望，陳艷超

（長安大學(xué) 電子與控制工程學(xué)院，西安710064）

祁霞（碩士研究生），研究方向?yàn)闄z測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置；耿博望、陳艷超（碩士研究生），研究方向?yàn)榭刂评碚撆c控制工程。

引 言

由于極端惡劣氣候的影響以及城建相關(guān)設(shè)施的不完善，使得道路積水引發(fā)的交通問題愈發(fā)突出，目前社會(huì)各界對(duì)此給予了極大的關(guān)注［1－4］?，F(xiàn)有的道路積水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過主機(jī)進(jìn)行處理并將數(shù)據(jù)通過GSM或GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送，但其實(shí)質(zhì)是一個(gè)封閉的局域網(wǎng)，獲得的數(shù)據(jù)是非開放的、不共享的，且無法提供相應(yīng)客戶終端使用戶獲得實(shí)時(shí)信息，在一定程度上造成了數(shù)據(jù)資源的浪費(fèi)［5，7－8］。本文提出一種可實(shí)現(xiàn)的解決方案，利用云服務(wù)器的實(shí)時(shí)性、便捷性、容量大、數(shù)據(jù)遷移方便等優(yōu)勢(shì)［9］，使得用戶在獲得快速、準(zhǔn)確、全面的數(shù)據(jù)的同時(shí)擁有更多自主決策，從而避免因城市內(nèi)澇導(dǎo)致道路積水造成的交通堵塞，提高城市在緊急狀況下的應(yīng)急能力。

1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主體由監(jiān)測(cè)終端和開放式云服務(wù)器兩大部分組成，如圖1所示。監(jiān)測(cè)終端對(duì)城市道路進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，云服務(wù)器為數(shù)據(jù)傳輸及共享提供了平臺(tái)。云服務(wù)器提供獨(dú)立的數(shù)據(jù)空間、帶寬、內(nèi)存、CPU等，可用于創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫，存儲(chǔ)各個(gè)監(jiān)測(cè)模塊傳來的水位數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)傳輸速率，且具有較大網(wǎng)頁空間，支持多種網(wǎng)站開發(fā)語言，方便進(jìn)行網(wǎng)頁設(shè)計(jì)［8］。更重要的是其租用價(jià)格低于傳統(tǒng)服務(wù)器，具有快速供應(yīng)和部署能力［9］。為了進(jìn)一步保證可靠性，采用面向連接的TCP／IP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

圖1 系統(tǒng)總體示意圖

2 關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)連接示意圖如圖2所示。傳感器設(shè)置于城市道路需要進(jìn)行積水檢測(cè)的路段，如城市立交橋下或者下穿隧道［6］；云服務(wù)器為可租用的計(jì)算服務(wù)平臺(tái)。用戶為市政和交通管理部門、氣象部門、機(jī)動(dòng)車司機(jī)、行人等擁有可聯(lián)網(wǎng)設(shè)備且需要獲取數(shù)據(jù)的群體。無線射頻模塊采用NewMsg－RF905；GPRS模塊采用華為生產(chǎn)的 GTM900－C；MCU1、MCU2采用STC12C5AS2。MCU和無線射頻模塊采用SPI串口協(xié)議進(jìn)行通信，監(jiān)測(cè)終端和云服務(wù)器端通過GPRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

圖2 系統(tǒng)連接示意圖

布置在現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)終端采集當(dāng)前道路的積水信號(hào)，通過MCU將現(xiàn)場(chǎng)采集到的壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為當(dāng)前水位信息，該數(shù)據(jù)通過無線射頻發(fā)送到顯示模塊，以提示車輛和行人。GPRS模塊將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)上傳至云服務(wù)器［6］，云服務(wù)器作為信息傳輸?shù)拿浇?，將接收的道路面積水?dāng)?shù)據(jù)完全開放給各類用戶，用戶可直接訪問服務(wù)器獲取數(shù)據(jù)。另外，氣象部門和交管部門可將氣象和交通信息通過云服務(wù)器傳輸給監(jiān)測(cè)終端，最終將信息在顯示屏公示出來。無降水情況時(shí)，顯示屏可以接收并顯示氣象預(yù)報(bào)、交通信息及公益廣告等信息。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 水位監(jiān)測(cè)儀

水位監(jiān)測(cè)儀包括控制器、壓力傳感器、射頻模塊、GPRS模塊和電源模塊，全部集成在一起密封于防水外殼中，體積很小，可以根據(jù)實(shí)際需要隨意移動(dòng)位置。水位監(jiān)測(cè)儀負(fù)責(zé)水位監(jiān)測(cè)、上傳積水?dāng)?shù)據(jù)至云服務(wù)器、從服務(wù)器接收數(shù)據(jù)，以及發(fā)射數(shù)據(jù)至顯示模塊，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

系統(tǒng)所需的微控制器采用STC12C5AS2單片機(jī)，這是一款高性能的51系列單片機(jī)，集成了SPI協(xié)議模塊、A／D轉(zhuǎn)換模塊和UART串口。傳感器選用壓力傳感器，為了能與單片機(jī)的A／D端口直接相連，內(nèi)置處理電路將傳感器的mV信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電壓0～5V，水深與電壓信號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系為：

其中H代表水深，單位為m；U代表電壓信號(hào)，單位為V。傳感器外殼通過用不銹鋼封裝達(dá)到抗振和抗沖擊，以適應(yīng)道路污水等惡劣環(huán)境。微控制器與壓力傳感器的連接圖如圖4所示。

圖3 水位監(jiān)測(cè)儀結(jié)構(gòu)圖

圖4 微控制器與壓力傳感器連接圖

無線射頻模塊選用NewMsg－RF905，最高工作速率為50Kbps，采用GFSK調(diào)制，抗干擾能力強(qiáng)，可通過軟件設(shè)計(jì)地址，并且只有收到本機(jī)地址時(shí)才會(huì)輸出數(shù)據(jù)，并提供中斷提示，可直接連接各種單片機(jī)。模塊通信采用SPI串口協(xié)議，單片機(jī)只需按模塊協(xié)議配置無線模塊，就可控制模塊收發(fā)數(shù)據(jù)。該無線模塊室外通信距離最大可達(dá)500m，滿足了積水監(jiān)測(cè)點(diǎn)到路口LED顯示屏的通信要求，連接圖如圖5所示。

圖5 微控制器與無線射頻模塊連接圖

GPRS模塊采用GTM900－C，這是一款兩頻段GSM／GPRS無線模塊，它支持標(biāo)準(zhǔn)AT命令及增強(qiáng)AT命令，提供語音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)等功能，此處使用其數(shù)據(jù)傳輸功能。系統(tǒng)采用GPRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，首先將GTM900－C模塊配置到GPRS網(wǎng)絡(luò)模式，進(jìn)行撥號(hào)連接，在ISP返回PPP鏈路配置請(qǐng)求時(shí)，PPP協(xié)議與ISP進(jìn)行交互，成功后ISP會(huì)給 GTM900－C模塊分配一個(gè)臨時(shí)IP地址，即可在外圍配上相應(yīng)通信協(xié)議與服務(wù)器端進(jìn)行通信，連接圖如圖6所示。

圖6 微控制器與GPRS模塊連接圖

3.2 顯示模塊

顯示模塊需要根據(jù)道路路口分布狀況進(jìn)行設(shè)置，安裝在監(jiān)測(cè)街道的路口，用來顯示接收的數(shù)據(jù)以提示路人和車輛。顯示模塊包括控制器、射頻模塊和LED或LCD顯示屏。相比較而言，LED更加節(jié)能，與LCD功耗比約為1：10；此外，LED采用低電壓掃描驅(qū)動(dòng)，具有耗電少、使用壽命長、成本低、亮度高、故障少、視角大、可視距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)［2，6］。

3.3 軟件設(shè)計(jì)

3.3.1數(shù)據(jù)傳輸

系統(tǒng)選用云服務(wù)器為系統(tǒng)提供穩(wěn)定、可靠、彈性、安全的服務(wù)。為了保證高可靠性，這里選擇面向連接的TCP／IP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。云服務(wù)器主要完成接收、存儲(chǔ)、處理及共享來自 GPRS模塊傳來的數(shù)據(jù)［7－9］。

傳輸需要經(jīng)過三個(gè)階段：與服務(wù)器建立連接、數(shù)據(jù)傳輸、終止連接。監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)經(jīng)傳感器采集后發(fā)送至微處理器，微處理器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼、封裝等處理后傳輸至GPRS模塊，同時(shí)向服務(wù)器發(fā)出數(shù)據(jù)傳輸請(qǐng)求。云服務(wù)器一方面綁定GPRS模塊端口，監(jiān)聽信息，在收到傳輸請(qǐng)求后建立連接，GPRS模塊向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)，服務(wù)器接收并保存數(shù)據(jù)到相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫；另一方面，等待接收客戶瀏覽器的連接請(qǐng)求，當(dāng)有客戶端連接請(qǐng)求時(shí)，接收、分析請(qǐng)求信息，解析出請(qǐng)求的方法、URL目標(biāo)、可選的查詢信息及表單信息等，同時(shí)根據(jù)請(qǐng)求做出相應(yīng)處理，向客戶端瀏覽器發(fā)送響應(yīng)信息，關(guān)閉TCP連接，實(shí)現(xiàn)GPRS模塊與互聯(lián)網(wǎng)的傳輸數(shù)據(jù)功能以及報(bào)文的顯示功能。服務(wù)器端的工作流程如圖7所示。

3.3.2數(shù)據(jù)顯示

數(shù)據(jù)顯示部分主要負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)和顯示數(shù)據(jù)。單片機(jī)連接和控制著無線射頻模塊及顯示屏，當(dāng)單片機(jī)完成對(duì)無線射頻模塊的配置后，就可接收水位監(jiān)測(cè)儀發(fā)送來的數(shù)據(jù)，并驅(qū)動(dòng)顯示屏將數(shù)據(jù)顯示出來，并顯示相應(yīng)的提示語，警示過往車輛或行人。為了實(shí)現(xiàn)節(jié)能的效果，只有水位監(jiān)測(cè)儀監(jiān)測(cè)到有積水深度時(shí)，才會(huì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，每3min監(jiān)測(cè)一次水位并發(fā)送，當(dāng)顯示模塊連續(xù)兩次接收到水位信息時(shí)，點(diǎn)亮顯示屏并顯示信息；當(dāng)連續(xù)15min接收到無水位時(shí)，關(guān)閉顯示屏。系統(tǒng)顯示接收信息的程序流程圖如圖8所示。

圖7 顯示當(dāng)前信息的程序流程圖

圖8 顯示接收信息的程序流程圖

結(jié) 語

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)城市道路積水水位的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、水淹報(bào)警、遠(yuǎn)程傳輸，一方面將道路積水?dāng)?shù)據(jù)傳輸?shù)铰房陲@示屏以提示車輛和行人，另一方面通過互聯(lián)網(wǎng)將數(shù)據(jù)對(duì)多類用戶開放，不僅讓有關(guān)部門掌控道路積水?dāng)?shù)據(jù)，而且方便個(gè)人用戶獲取數(shù)據(jù)信息，及時(shí)避免道路積水帶來的交通堵塞［3］。系統(tǒng)在沒有增加系統(tǒng)造價(jià)的情況下，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的最大限度利用，且為未來車載導(dǎo)航和個(gè)人終端等用戶預(yù)留了訪問端口，從而達(dá)到資源的充分利用［5］。

［1］夏志川，鐘小建，阮飛，等.城市道路積水多點(diǎn)監(jiān)測(cè)及預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.電子測(cè)試，2013（5）. 43

［2］王夢(mèng)江，張強(qiáng).“麥莎”臺(tái)風(fēng)期間上海市區(qū)道路積水原因和對(duì)策［J］.城市道橋與防洪，2006（1）.

［3］丁曜.上海市城市防汛排水若干問題的思考［J］.城市道橋與防洪，2007（5）.

［4］郝身群，宋國軍，郭敏.洛陽市城市道路積水成因分析及防治對(duì)策［J］.城市道橋與防洪，2008（5）.

［5］王新慶.基于GIS的城市道路積水可視化關(guān)鍵問題研究［D］.北京：北京工業(yè)大學(xué)，2009.

［6］徐敏，李閃，李進(jìn)榮，等.基于GPRS與組態(tài)技術(shù)的城市道路積水監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.輕工科技，2015（2）.

［7］梁彪，曹宇佶，秦中元，等.云計(jì)算下的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)安全可證明性綜述［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2012（7）.

［8］葉雄杰.基于云存儲(chǔ)的移動(dòng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)研究［D］.廣州：廣東工業(yè)大學(xué)，2011.

［9］方巍，文學(xué)志，潘吳斌，等.云計(jì)算：概念、技術(shù)及應(yīng)用研究綜述［J］.南京信息工程大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012（4）.