基于云服務器的城市道路積水監測系統＊

祁霞，耿博望，陳艷超

（長安大學 電子與控制工程學院，西安710064）

祁霞（碩士研究生），研究方向為檢測技術與自動化裝置；耿博望、陳艷超（碩士研究生），研究方向為控制理論與控制工程。

引 言

由于極端惡劣氣候的影響以及城建相關設施的不完善，使得道路積水引發的交通問題愈發突出，目前社會各界對此給予了極大的關注［1－4］。現有的道路積水監測系統通過主機進行處理并將數據通過GSM或GPRS網絡發送，但其實質是一個封閉的局域網，獲得的數據是非開放的、不共享的，且無法提供相應客戶終端使用戶獲得實時信息，在一定程度上造成了數據資源的浪費［5，7－8］。本文提出一種可實現的解決方案，利用云服務器的實時性、便捷性、容量大、數據遷移方便等優勢［9］，使得用戶在獲得快速、準確、全面的數據的同時擁有更多自主決策，從而避免因城市內澇導致道路積水造成的交通堵塞，提高城市在緊急狀況下的應急能力。

1 監測系統總體設計

系統主體由監測終端和開放式云服務器兩大部分組成，如圖1所示。監測終端對城市道路進行實時監測，云服務器為數據傳輸及共享提供了平臺。云服務器提供獨立的數據空間、帶寬、內存、CPU等，可用于創建數據庫，存儲各個監測模塊傳來的水位數據，提高數據傳輸速率，且具有較大網頁空間，支持多種網站開發語言，方便進行網頁設計［8］。更重要的是其租用價格低于傳統服務器，具有快速供應和部署能力［9］。為了進一步保證可靠性，采用面向連接的TCP／IP協議進行數據傳輸。

圖1 系統總體示意圖

2 關鍵技術實現

系統連接示意圖如圖2所示。傳感器設置于城市道路需要進行積水檢測的路段，如城市立交橋下或者下穿隧道［6］；云服務器為可租用的計算服務平臺。用戶為市政和交通管理部門、氣象部門、機動車司機、行人等擁有可聯網設備且需要獲取數據的群體。無線射頻模塊采用NewMsg－RF905；GPRS模塊采用華為生產的 GTM900－C；MCU1、MCU2采用STC12C5AS2。MCU和無線射頻模塊采用SPI串口協議進行通信，監測終端和云服務器端通過GPRS網絡進行數據通信。

圖2 系統連接示意圖

布置在現場的監測終端采集當前道路的積水信號，通過MCU將現場采集到的壓力信號轉換為當前水位信息，該數據通過無線射頻發送到顯示模塊，以提示車輛和行人。GPRS模塊將監測數據上傳至云服務器［6］，云服務器作為信息傳輸的媒介，將接收的道路面積水數據完全開放給各類用戶，用戶可直接訪問服務器獲取數據。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器傳輸給監測終端，最終將信息在顯示屏公示出來。無降水情況時，顯示屏可以接收并顯示氣象預報、交通信息及公益廣告等信息。

3 硬件設計

3.1 水位監測儀

水位監測儀包括控制器、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，可以根據實際需要隨意移動位置。水位監測儀負責水位監測、上傳積水數據至云服務器、從服務器接收數據，以及發射數據至顯示模塊，其結構如圖3所示。

系統所需的微控制器采用STC12C5AS2單片機，這是一款高性能的51系列單片機，集成了SPI協議模塊、A／D轉換模塊和UART串口。傳感器選用壓力傳感器，為了能與單片機的A／D端口直接相連，內置處理電路將傳感器的mV信號轉換為標準電壓0～5V，水深與電壓信號的對應關系為：

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

圖3 水位監測儀結構圖

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調制，抗干擾能力強，可通過軟件設計地址，并且只有收到本機地址時才會輸出數據，并提供中斷提示，可直接連接各種單片機。模塊通信采用SPI串口協議，單片機只需按模塊協議配置無線模塊，就可控制模塊收發數據。該無線模塊室外通信距離最大可達500m，滿足了積水監測點到路口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，它支持標準AT命令及增強AT命令，提供語音和數據業務等功能，此處使用其數據傳輸功能。系統采用GPRS網絡進行數據傳輸，首先將GTM900－C模塊配置到GPRS網絡模式，進行撥號連接，在ISP返回PPP鏈路配置請求時，PPP協議與ISP進行交互，成功后ISP會給 GTM900－C模塊分配一個臨時IP地址，即可在外圍配上相應通信協議與服務器端進行通信，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

顯示模塊需要根據道路路口分布狀況進行設置，安裝在監測街道的路口，用來顯示接收的數據以提示路人和車輛。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更加節能，與LCD功耗比約為1：10；此外，LED采用低電壓掃描驅動，具有耗電少、使用壽命長、成本低、亮度高、故障少、視角大、可視距離遠等特點［2，6］。

3.3 軟件設計

3.3.1數據傳輸

系統選用云服務器為系統提供穩定、可靠、彈性、安全的服務。為了保證高可靠性，這里選擇面向連接的TCP／IP協議進行數據傳輸。云服務器主要完成接收、存儲、處理及共享來自 GPRS模塊傳來的數據［7－9］。

傳輸需要經過三個階段：與服務器建立連接、數據傳輸、終止連接。監測點的數據經傳感器采集后發送至微處理器，微處理器對數據進行編碼、封裝等處理后傳輸至GPRS模塊，同時向服務器發出數據傳輸請求。云服務器一方面綁定GPRS模塊端口，監聽信息，在收到傳輸請求后建立連接，GPRS模塊向服務器發送數據，服務器接收并保存數據到相應的數據庫；另一方面，等待接收客戶瀏覽器的連接請求，當有客戶端連接請求時，接收、分析請求信息，解析出請求的方法、URL目標、可選的查詢信息及表單信息等，同時根據請求做出相應處理，向客戶端瀏覽器發送響應信息，關閉TCP連接，實現GPRS模塊與互聯網的傳輸數據功能以及報文的顯示功能。服務器端的工作流程如圖7所示。

3.3.2數據顯示

數據顯示部分主要負責接收數據和顯示數據。單片機連接和控制著無線射頻模塊及顯示屏，當單片機完成對無線射頻模塊的配置后，就可接收水位監測儀發送來的數據，并驅動顯示屏將數據顯示出來，并顯示相應的提示語，警示過往車輛或行人。為了實現節能的效果，只有水位監測儀監測到有積水深度時，才會進行監測，每3min監測一次水位并發送，當顯示模塊連續兩次接收到水位信息時，點亮顯示屏并顯示信息；當連續15min接收到無水位時，關閉顯示屏。系統顯示接收信息的程序流程圖如圖8所示。

圖7 顯示當前信息的程序流程圖

圖8 顯示接收信息的程序流程圖

結 語

系統實現了對城市道路積水水位的實時監測、水淹報警、遠程傳輸，一方面將道路積水數據傳輸到路口顯示屏以提示車輛和行人，另一方面通過互聯網將數據對多類用戶開放，不僅讓有關部門掌控道路積水數據，而且方便個人用戶獲取數據信息，及時避免道路積水帶來的交通堵塞［3］。系統在沒有增加系統造價的情況下，實現了數據的最大限度利用，且為未來車載導航和個人終端等用戶預留了訪問端口，從而達到資源的充分利用［5］。

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