苗紅霞，文禹鴻，白宏熙

(河海大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，江蘇 常州 213022)

基于WSAN的道路積水監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

苗紅霞，文禹鴻，白宏熙

(河海大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，江蘇 常州 213022)

強(qiáng)降雨及城市排水系統(tǒng)的老化，使得城市道路低洼處積水嚴(yán)重，對(duì)市民人身安全、財(cái)產(chǎn)、路基、城市交通產(chǎn)生不容忽視的影響;針對(duì)該問(wèn)題，采用無(wú)線(xiàn)傳感器/執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)(WSAN)技術(shù)，設(shè)計(jì)了道路積水監(jiān)控系統(tǒng);該系統(tǒng)分為傳感/執(zhí)行層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層三層;傳感/執(zhí)行層的傳感器節(jié)點(diǎn)使用超聲波傳感器采集積水信息，執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)使用執(zhí)行器水泵進(jìn)行排水；網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)關(guān)及匯聚節(jié)點(diǎn)使用ZigBee網(wǎng)絡(luò)和GPRS網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)傳感/執(zhí)行層與應(yīng)用層之間的數(shù)據(jù)雙向傳輸；應(yīng)用層服務(wù)器儲(chǔ)存采集的道路積水信息，調(diào)用百度地圖API將實(shí)時(shí)信息顯示在web端，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)層發(fā)送指令控制積水區(qū)域內(nèi)的執(zhí)行器水泵動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制；該系統(tǒng)能夠簡(jiǎn)潔有效地實(shí)現(xiàn)道路積水信息的實(shí)時(shí)共享，可以實(shí)現(xiàn)及時(shí)排水，具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。

積水監(jiān)控；GPRS；ZigBee；無(wú)線(xiàn)傳感器/執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)

0 引言

近年來(lái)，強(qiáng)降雨以及城市排水系統(tǒng)的老化使得城市低洼路段、凹式立交橋、隧道處積水嚴(yán)重，對(duì)人身安全、財(cái)產(chǎn)、路基、城市交通產(chǎn)生不容忽視的影響。以北京為例，12年特大洪澇災(zāi)害，7段道路交通中斷，27個(gè)立交橋積水，主要積水道路63處，積水30公分以上路段30處，路面塌方31處，大量車(chē)輛因路面積水熄火，全市79人遇難，160.2萬(wàn)人受災(zāi)，造成嚴(yán)重的顯性與隱性經(jīng)濟(jì)損失[1]。因此，急需尋找有效的解決辦法，將城市積水內(nèi)澇帶來(lái)的災(zāi)害降到最低。

現(xiàn)有的解決辦法主要分為兩個(gè)方面：一方面是積極修建并管理好城市排水設(shè)施，另一方面要加快城市道路(涵洞)積水監(jiān)控系統(tǒng)等非工程性措施的建設(shè)和應(yīng)用。

隨著智慧城市的提出，政府、研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)都在設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)城市道路積水監(jiān)控系統(tǒng)上取得了積極的進(jìn)展。目前，基于超聲波、射頻波、壓力變送等技術(shù)開(kāi)發(fā)的積水深度測(cè)量系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)低功耗、高精度地采集道路積水信息[2-4]；基于無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)(WSN)技術(shù)、云服務(wù)器開(kāi)發(fā)的城市道路積水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)打破了僅市政人員可獲得積水信息的狀況，實(shí)現(xiàn)了道路積水信息的采集和共享[5-10]，但這些系統(tǒng)沒(méi)有加入執(zhí)行器水泵，沒(méi)有通過(guò)網(wǎng)絡(luò)反饋控制執(zhí)行器水泵動(dòng)作，無(wú)法實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。目前，也有部分控制執(zhí)行器水泵動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)水位閉環(huán)控制的系統(tǒng)[11-12]，但其只能實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)或短距離內(nèi)控制，只應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、供水系統(tǒng)等領(lǐng)域中，在需要遠(yuǎn)距離控制的道路積水監(jiān)控系統(tǒng)中尚未應(yīng)用。而無(wú)線(xiàn)傳感器/執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)(WSAN)不僅可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集及遠(yuǎn)距離傳輸，而且可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通過(guò)網(wǎng)絡(luò)反饋控制執(zhí)行器，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。但是該技術(shù)只在農(nóng)場(chǎng)、牧場(chǎng)及智能家居等領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用[13-16]，尚未應(yīng)用于道路積水監(jiān)控系統(tǒng)。

本文采用WSAN技術(shù)，使用超聲波傳感器采集道路積水深度，執(zhí)行器水泵排水，ZigBee網(wǎng)絡(luò)和GPRS網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的方式傳輸積水信息及指令，服務(wù)器儲(chǔ)存積水信息，調(diào)用百度地圖API在Web端實(shí)時(shí)顯示信息，并通過(guò)控制積水區(qū)域內(nèi)的執(zhí)行器水泵動(dòng)作，完成了道路積水信息的實(shí)時(shí)共享，及時(shí)排走了積水，實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)控制。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括了傳感/執(zhí)行層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層三層。傳感/執(zhí)行層由若干傳感器節(jié)點(diǎn)和一個(gè)執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)組成，其中傳感器節(jié)點(diǎn)以超聲波傳感器為基礎(chǔ)，并結(jié)合溫度傳感器修正聲速，精確測(cè)量道路積水深度，執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)使用脈沖寬度調(diào)制(PWM)技術(shù)控制直流水泵的流速。網(wǎng)絡(luò)層由網(wǎng)關(guān)及匯聚節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，網(wǎng)關(guān)及匯聚節(jié)點(diǎn)將該區(qū)域內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的積水信息進(jìn)行融合，并將該區(qū)域積水信息發(fā)送到軟件服務(wù)器，同時(shí)將軟件服務(wù)器發(fā)送的指令轉(zhuǎn)發(fā)給執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)。應(yīng)用層由數(shù)據(jù)庫(kù)、軟件服務(wù)器組成，數(shù)據(jù)庫(kù)用于儲(chǔ)存道路積水信息，軟件服務(wù)器接收到網(wǎng)絡(luò)層發(fā)送的積水信息后轉(zhuǎn)存到數(shù)據(jù)庫(kù)中，調(diào)用百度地圖API將實(shí)時(shí)積水信息顯示在Web端，同時(shí)軟件服務(wù)器通過(guò)處理道路積水信息，將控制積水區(qū)域內(nèi)水泵工作的指令發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)層，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 傳感/執(zhí)行層設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

2.1 傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

在本實(shí)驗(yàn)裝置中，傳感器節(jié)點(diǎn)硬件組成結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括了片上系統(tǒng)(SOC)、超聲波測(cè)距傳感器、溫度傳感器和電池組。

圖2 傳感器節(jié)點(diǎn)硬件組成框圖

片上系統(tǒng)使用CC2530，用于為傳感器節(jié)點(diǎn)加入一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)，并通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)將積水?dāng)?shù)據(jù)發(fā)送至匯聚節(jié)點(diǎn)。其供電模式下電流低至0.4 μA，可使用ZigBee兼容解決方案的Z-Stack軟件，有極高的接收靈敏度和抗干擾性能。

超聲波測(cè)距傳感器使用HC-SR04+傳感器，用于采集超聲波測(cè)距傳感器至水面的距離,從而計(jì)算出積水的深度。HC-SR04探測(cè)距離為2～450 cm，測(cè)量精度可達(dá)0.3 cm。

溫度傳感器使用DS18B20傳感器，用于環(huán)境溫度的測(cè)量，并對(duì)超聲波在空氣中的傳播速度進(jìn)行修正。DS18B20測(cè)量溫度范圍為-55～+125 ℃，在-10～+85 ℃范圍內(nèi),精度為±0.5 ℃。

電池組使用串聯(lián)的3節(jié)1.5 V的干電池，用于為傳感器節(jié)點(diǎn)各模塊提供能量。電池組的電壓經(jīng)過(guò)AMS1117-3.3穩(wěn)壓芯片穩(wěn)壓后，為HC-SR04、MCU及DS18B20提供3.3 V電壓。

傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)溫度補(bǔ)償來(lái)精確地計(jì)算出水位高度，其軟件流程如圖3所示。首先程序開(kāi)始后加入?yún)R聚節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，并讀取DS18B20溫度傳感器采集到的攝氏溫度θ。然后根據(jù)公式(1)計(jì)算出超聲波在空氣中的聲速，式中v為超聲波在空氣中的聲速。再根據(jù)超聲波傳感器Echo回波引腳高電平的持續(xù)時(shí)間t，使用公式(2)計(jì)算出超聲波模塊到水面的距離S，然后利用公式(3)計(jì)算出積水深度H，式中L為超聲波測(cè)距傳感器距路面的高度。若采樣次數(shù)達(dá)5次，則將積水深度的中位值發(fā)送出去。

(1)

(2)

H=L-S

(3)

圖3 傳感器節(jié)點(diǎn)積水信息采集的軟件流程圖

2.2 執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

在本實(shí)驗(yàn)裝置中，執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)硬件組成結(jié)構(gòu)如圖4所示，包括了片上系統(tǒng)(SOC)、緊急按鈕、水泵驅(qū)動(dòng)模塊、執(zhí)行器水泵、電池組和電源。

圖4 執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)硬件組成框圖

1)片上系統(tǒng)、電池組與傳感器節(jié)點(diǎn)相同。執(zhí)行器水泵使用R385直流隔膜泵，用于將積水排到河道或蓄水池中。該水泵最大揚(yáng)程5 m，工作進(jìn)水壓力0.3 Mpa。

2)緊急按鈕用于當(dāng)監(jiān)控系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，緊急啟動(dòng)水泵抽水。

3)水泵驅(qū)動(dòng)模塊使用L298N，用于水泵的驅(qū)動(dòng)。L298N工作方式為H橋驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電流高達(dá)2 A。

4)電源使用線(xiàn)性開(kāi)關(guān)電源，用于為水泵提供長(zhǎng)久的能量。該電源能將220 V交流電變換成供水泵使用的12 V直流電。

5)執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)根據(jù)指令改變PWM輸出的占空比，實(shí)現(xiàn)水泵流速的控制，其軟件流程如圖5所示。首先，加入?yún)R聚節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建的ZigBee網(wǎng)絡(luò)。若緊急按鈕按下，則將PWM輸出的占空比改為100%，使水泵全速抽水；否則判斷是否接收到指令，若接收到指令，改變PWM輸出的占空比，繼而改變水泵的流速，實(shí)現(xiàn)控制水泵的目的。

圖5 執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)水泵執(zhí)行的軟件流程圖

3 網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

在本實(shí)驗(yàn)裝置中，網(wǎng)關(guān)及匯聚節(jié)點(diǎn)的硬件組成結(jié)構(gòu)如圖6所示，包括微控制器(MCU)、ZigBee模塊、現(xiàn)場(chǎng)顯示屏、GSM模塊和電源。

圖6 匯聚節(jié)點(diǎn)硬件組成框圖

微控制器使用MSP430F149單片機(jī)，用于ZigBee網(wǎng)絡(luò)和GPRS網(wǎng)絡(luò)之間數(shù)據(jù)及指令的交換以及積水信息的融合及暫時(shí)儲(chǔ)存。該單片機(jī)使用16位精簡(jiǎn)指令集，命令周期125 ns，五級(jí)節(jié)電模式，掉電模式電流低至0.1 μA，且擁有兩個(gè)USART單元，60 KB flash。

ZigBee模塊，用于網(wǎng)關(guān)及匯聚節(jié)點(diǎn)與傳感器節(jié)點(diǎn)或執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)之間通信，將傳感器節(jié)點(diǎn)傳來(lái)的數(shù)據(jù)發(fā)送給MCU，并將MCU發(fā)送的指令傳給執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)。ZigBee模塊是一個(gè)適應(yīng)2.4 GHz IEEE 802.15.4的無(wú)線(xiàn)收發(fā)器，擁有兩個(gè)USART單元，8 KB RAM。ZigBee模塊與MUC之間使用UART通信協(xié)議通信，該協(xié)議參數(shù)為：波特率115 200，停止位1位，數(shù)據(jù)位8位，無(wú)奇偶校驗(yàn)。

現(xiàn)場(chǎng)顯示屏使用OLED顯示屏，用于現(xiàn)場(chǎng)積水深度的顯示。OLED顯示屏具有對(duì)比度高，視角廣，反應(yīng)速度快，不用實(shí)時(shí)刷新等優(yōu)勢(shì)。OLED顯示屏與MCU使用SPI通信協(xié)議通信。

GSM模塊使用SIM900A，用于借助GPRS網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)端服務(wù)器實(shí)現(xiàn)通信，可以將MCU的數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器，同時(shí)將服務(wù)器的執(zhí)行指令下傳給MCU。SIM900A通過(guò)AT命令控制，嵌入TCP/UDP協(xié)議，支持FTP/HTTP協(xié)議。SIM900A與MCU使用UART通信協(xié)議通信，該協(xié)議參數(shù)為：波特率115 200，停止位1位，數(shù)據(jù)位8位，無(wú)奇偶校驗(yàn)。

電源使用開(kāi)關(guān)電源，用于為網(wǎng)關(guān)及匯聚節(jié)點(diǎn)各模塊提供長(zhǎng)久的能量。該電源能將220 V交流電變換成3.3 V、5 V兩路直流電，其中3.3 V供ZigBee模塊、MCU及顯示屏使用，5 V供GSM模塊使用。

網(wǎng)關(guān)及匯聚節(jié)點(diǎn)通過(guò)配置ZigBee網(wǎng)絡(luò)與GPRS網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)、執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)與服務(wù)器之間數(shù)據(jù)及指令的傳輸，其軟件流程如圖7所示。首先創(chuàng)建一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)，等待傳感器節(jié)點(diǎn)和執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)加入，創(chuàng)建一個(gè)GPRS場(chǎng)景，初始化HTTP服務(wù)，并設(shè)置HTTP會(huì)話(huà)參數(shù)。當(dāng)任意傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，網(wǎng)關(guān)及匯聚節(jié)點(diǎn)接收并儲(chǔ)存該數(shù)據(jù)。直到所有傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)均接收完畢，則將與中位值相差10的異常數(shù)據(jù)舍棄，然后將該區(qū)域的設(shè)備編號(hào)，采集時(shí)間及該區(qū)域積水深度組成一個(gè)數(shù)據(jù)包，利用HTTP會(huì)話(huà)的方式發(fā)送至服務(wù)器，并等待接收和轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器指令。最后將該區(qū)域積水深度及采集時(shí)間顯示到顯示屏上。

圖7 匯聚節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)及指令傳輸?shù)能浖鞒虉D

4 應(yīng)用層設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

應(yīng)用層系統(tǒng)模塊可分為數(shù)據(jù)預(yù)處理、預(yù)測(cè)模型、數(shù)據(jù)可視化和數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)4個(gè)模塊，如圖8所示。服務(wù)器系統(tǒng)的處理流程分為數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)預(yù)處理、模型訓(xùn)練、水位預(yù)測(cè)及數(shù)據(jù)可視化5個(gè)步驟如圖9所示。

圖8 應(yīng)用層模塊結(jié)構(gòu)圖

圖9 服務(wù)器數(shù)據(jù)處理流程圖

4.1 數(shù)據(jù)輸入

傳感器節(jié)點(diǎn)將自己的數(shù)據(jù)通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)及匯聚節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)關(guān)及匯聚節(jié)點(diǎn)通過(guò)GPRS向Apache服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)，具體數(shù)據(jù)包為設(shè)備編號(hào)、數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)間及積水深度，主服務(wù)器端接收到數(shù)據(jù)包后，將其存儲(chǔ)到MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)中。

4.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

數(shù)據(jù)預(yù)處理中，即是對(duì)數(shù)據(jù)的清洗、轉(zhuǎn)換、規(guī)約等操作。Apache服務(wù)器對(duì)接收到的由于硬件異常、網(wǎng)絡(luò)傳輸或服務(wù)器異常而產(chǎn)生的缺失、噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一的處理，同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)約和轉(zhuǎn)換，并將其臨時(shí)存儲(chǔ)到MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)中，保證系統(tǒng)下一步處理的數(shù)據(jù)是安全合法的。處理規(guī)則如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)預(yù)處理規(guī)則

4.3 模型訓(xùn)練

在水位數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)流程中，預(yù)測(cè)工具采用RapidMiner JAVA 開(kāi)源庫(kù)，數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)的歷史數(shù)據(jù)會(huì)提供預(yù)測(cè)模型初始化的必要數(shù)據(jù)。使用反向傳播算法對(duì)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值和偏差進(jìn)行反復(fù)的更新和訓(xùn)練，使輸出的向量與期望向量盡可能地接近，當(dāng)滿(mǎn)足錯(cuò)誤率低于給定的閾值、迭代次數(shù)高于閾值或權(quán)值收斂任一條件時(shí)，訓(xùn)練終止，最后保存網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值和偏差作為預(yù)測(cè)水位的離線(xiàn)模型。模型訓(xùn)練包括輸入層、隱藏層、輸出層三部分。

4.3.1 輸入層

輸入歷史數(shù)據(jù)中預(yù)測(cè)水位的訓(xùn)練樣本，每個(gè)輸入節(jié)點(diǎn)都被映射成一個(gè)水位相關(guān)屬性，模型隨機(jī)初始化輸入節(jié)點(diǎn)的權(quán)值。

4.3.2 隱藏層

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)神經(jīng)元都是一個(gè)基本的處理單元，它組合所有的輸入，進(jìn)行特定的計(jì)算，然后觸發(fā)一個(gè)輸出值(激活)。其中組合函數(shù)采用參數(shù)可調(diào)的Gaussian函數(shù)，即:

(4)

輸出計(jì)算函數(shù)(激活函數(shù))選取斜度可調(diào)的Sigmoid函數(shù)，即:

(5)

4.3.3 輸出層

由給定的輸入輸出模式(即網(wǎng)絡(luò)中當(dāng)前的相關(guān)邊的權(quán)值)對(duì)隱藏層、輸出層各單元組合后進(jìn)行輸出，并計(jì)算輸出誤差。而隱含神經(jīng)元的誤差是基于下一層中的神經(jīng)元的誤差和相關(guān)權(quán)值來(lái)計(jì)算。計(jì)算出每個(gè)神經(jīng)元的誤差后,更新網(wǎng)絡(luò)中的權(quán)值。

1)輸出層神經(jīng)元誤差

Erri=Oi(1-Oi)(Ti-Qi)

(6)

其中：Qi是輸出層神經(jīng)元i的輸出，Ti是基于訓(xùn)練樣例的該輸出層神經(jīng)元的實(shí)際值。

2)隱含層神經(jīng)元誤差

Erri=Oi(1-Oi)ΣjErriWij

(7)

其中：Qi是隱含層神經(jīng)元i的輸出，該單位有j個(gè)到下一層的輸出,Errj是神經(jīng)元j的誤差,Wij是這兩個(gè)神經(jīng)元的權(quán)值。

3)權(quán)值更新

Wij=Wij+l*Erri*Qi

(8)

其中:ij是學(xué)習(xí)速度，其值位于0～1的范圍內(nèi)。

4.4 水位預(yù)測(cè)

系統(tǒng)正式運(yùn)行時(shí)，數(shù)據(jù)預(yù)處理后的數(shù)據(jù)會(huì)產(chǎn)生一份副本，數(shù)據(jù)原件結(jié)合經(jīng)緯度等信息用來(lái)實(shí)時(shí)可視化當(dāng)前水位情況。副本被用做預(yù)測(cè)輸入，通過(guò)訓(xùn)練完成的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行水位數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)。預(yù)測(cè)結(jié)果通過(guò)可視化模塊顯示在用戶(hù)界面上，同時(shí)也會(huì)進(jìn)一步指導(dǎo)硬件控制系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作。

4.5 數(shù)據(jù)可視化

本文所設(shè)計(jì)的Web數(shù)據(jù)可視化界面如圖10所示。只有再次添加節(jié)點(diǎn)設(shè)備時(shí)才會(huì)觸發(fā)百度麻點(diǎn)圖更新，否則基準(zhǔn)地圖一直使用初始化的百度麻點(diǎn)地圖。而批次數(shù)據(jù)采集頻率范圍可從一分鐘到十分鐘，具體數(shù)值不定，根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行調(diào)整，也可以手動(dòng)請(qǐng)求更新，程序默認(rèn)為五分鐘?；緦?shí)時(shí)數(shù)據(jù)的顯示，采用Weka數(shù)據(jù)可視化工具，并結(jié)合系統(tǒng)給定的水深等級(jí)表和百度經(jīng)緯度逆解析API進(jìn)行顏色深度的選取和描點(diǎn)繪圖，在地圖上構(gòu)建實(shí)時(shí)水位數(shù)據(jù)麻點(diǎn)圖。

圖10 Web界面圖

5 結(jié)束語(yǔ)

基于WSAN設(shè)計(jì)的道路積水監(jiān)控系統(tǒng)，通過(guò)在傳感/執(zhí)行層傳感器部署傳感器節(jié)點(diǎn)采集積水信息，并放置執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)排水，網(wǎng)絡(luò)層采用ZigBee網(wǎng)絡(luò)和GPRS網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的方式傳輸積水信息及指令，應(yīng)用層服務(wù)器儲(chǔ)存積水信息，調(diào)用百度地圖API在Web端實(shí)時(shí)顯示信息，并控制積水區(qū)域內(nèi)的執(zhí)行器水泵動(dòng)作。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了車(chē)輛行人可通過(guò)web查看道路積水實(shí)時(shí)信息，選擇合適的道路避開(kāi)積水，保護(hù)自己的人身財(cái)產(chǎn)安全；同時(shí)實(shí)現(xiàn)了云端數(shù)據(jù)處理后再返回現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行的控制，可及時(shí)將道路積水排走。在后續(xù)工作中，可以將道路積水?dāng)?shù)據(jù)用于控制紅綠燈等交通控制系統(tǒng)，主動(dòng)地引導(dǎo)車(chē)輛及行人避開(kāi)道路積水嚴(yán)重地段。

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Design and Implementation of Road Waterlogging Monitoring System Based on WSAN

Miao Hongxia，Wen Yuhong，Bai Hongxi

(College of IOT Engineering，Hohai University，Changzhou 213022，China)

Heavy rainfall and aging urban drainage system make the low-lying road waterlogged seriously and have an important effect on the safety and property of citizens, roadbed and urban traffic. In order to solve this problem, the wireless sensor / actuator network (WSAN) technology is used to design a monitoring system. The system is divided into three layers: sensor / actuator layer, network layer and application layer. Ultrasonic sensors are deployed to collect the information of water level in sensor nodes of sensor / actuator layer, actuator pump is used to drain away the water in actuator nodes of sensor / actuator layer. The ZigBee network and GPRS network are configured for two-way data transmission between sensor / actuator layer and application layer in the gateway and sink node of network layer. The server of application layer stores the information of road waterlogging, calls Baidu map API to display the real-time information on the web, and sends commands to achieve closed-control by controlling the actuator pump in the road waterlogging area action through the network layer. The system not only shares the real-time information of the road waterlogging simply and effectively, but also realizes the timely drainage. So it has practical application value.

water monitoring; GPRS; ZigBee; wireless sensor/actuator networks

2017-05-08；

2017-05-23。

江蘇省常州市科技支撐計(jì)劃(工業(yè))(CE20160068)。

苗紅霞(1968-)，女，河北邯鄲人，副教授，碩士研究生導(dǎo)師，主要從事人工智能與工業(yè)大數(shù)據(jù)應(yīng)用方向的研究

1671-4598(2017)12-0068-05

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.12.018

TP277

A