智慧化窨井設(shè)施遠程監(jiān)測平臺研究

田立武 沈曉萍

【摘要】? ? 智慧化窨井實施監(jiān)測系統(tǒng)是智慧市政的重要組成部分，為現(xiàn)代智慧化城市管理發(fā)揮作用。其監(jiān)測平臺是系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分，功能是完成對采集自窨井設(shè)施的大量數(shù)據(jù)進行計算處理與分析，然后為技術(shù)人員提供窨井數(shù)據(jù)和工作建議，包括窨井的日常監(jiān)測、窨井的基本信息管理、異常信息反饋、數(shù)據(jù)采集端配置四部分，項目設(shè)計主要完了通信協(xié)議的規(guī)劃設(shè)計、數(shù)據(jù)庫的搭建設(shè)計、電子地圖引入設(shè)計等任務(wù)。平臺設(shè)計合理、運行穩(wěn)定，達到項目要求。

【關(guān)鍵詞】? ? 智慧化? ? 窨井? ? 監(jiān)測平臺

引言：

近幾十年來，城市建設(shè)日新月異，伴隨的城市的電力、用水、燃氣等基礎(chǔ)實施的更新完善也是飛快。大量的基礎(chǔ)設(shè)施需要高效的管理和極高的安全性。近幾年出現(xiàn)的一個社會焦點問題是地下管道和窨井的管理問題，窨井數(shù)量大量增加給管理帶來難題，管理不到位，出現(xiàn)了人員、車輛等事故，影響了市民生活體驗。因此，對于窨井等設(shè)施的智能高效管理是很有必要的，它屬于智慧市政建設(shè)的重要內(nèi)容。

建立智慧化的窨井監(jiān)測系統(tǒng)，可以大面積實時監(jiān)測窨井設(shè)施的狀態(tài)，在窨井設(shè)施出現(xiàn)問題后可及時派工作人員到現(xiàn)場處理，在人力成本不斷加大的現(xiàn)代具有優(yōu)勢，同時運作效率會大幅提高。當前國內(nèi)外在窨井設(shè)施管理上多采用物聯(lián)網(wǎng)中成熟的ZigBee、wifi等無線通信方式。ZigBee無線通信方式雖然能耗低，自組網(wǎng)，但通信距離短，不適合廣闊區(qū)域部署和后續(xù)便捷的集中管理[1];wifi通信方式最大的缺陷在能耗高，成本過高，在廣闊的室外環(huán)境中部署。根據(jù)對比分析，智慧化窨井實施監(jiān)測系統(tǒng)采用長距離的NB-IoT（窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)）比較合適，其在距離、能耗、大鏈接等方面具有優(yōu)勢[2]。因此，研究和設(shè)計基于NB-IoT技術(shù)的窨井設(shè)施遠程監(jiān)測系統(tǒng)很有必要，其關(guān)鍵技術(shù)和核心監(jiān)測模塊也可在其他市政設(shè)施或行業(yè)進行大面積應(yīng)用推廣。

一、智慧化窨井設(shè)施監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1智慧化窨井設(shè)施監(jiān)測系統(tǒng)功能分析

智慧化窨井實施監(jiān)測系統(tǒng)是智慧市政的重要組成部分，其作用是對區(qū)域內(nèi)道路上的窨井設(shè)施的狀態(tài)進行實施監(jiān)測。因為系統(tǒng)部署所面對的環(huán)境一是區(qū)域廣，二是窨井設(shè)施所處的環(huán)境惡劣，所以在通信方面選擇可靠性高、性價比高的的長遠距離通信方式，采集端模塊設(shè)計在尺寸、精度、能耗方面要重點研究和考慮。具體的平臺方面包括井蓋編碼在內(nèi)的通信協(xié)議規(guī)劃設(shè)計要合理，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集到平臺的數(shù)據(jù)傳輸安全可靠;數(shù)據(jù)庫的選擇與設(shè)計要能完成大量數(shù)據(jù)的保存處理;平臺要完成信息的統(tǒng)計分析與異常信息反饋。

1.2智慧化窨井設(shè)施監(jiān)測系統(tǒng)整體架構(gòu)

根據(jù)對系統(tǒng)功能需求分析，智慧化窨井設(shè)施監(jiān)測系統(tǒng)主要就是實現(xiàn)窨井位置及狀態(tài)信息的準確采集、安全傳輸、有效處理與反饋。整體系統(tǒng)包括井下數(shù)據(jù)采集與傳輸端、監(jiān)測平臺端兩部分。井下數(shù)據(jù)采集與傳輸端主要領(lǐng)用傳感器模塊采集數(shù)據(jù)，基于NB-IoT傳輸模塊進行數(shù)據(jù)遠距離傳輸;監(jiān)測平臺接收來自傳感器的采集數(shù)據(jù)，后進行進一步的分析處理等[3]。整體設(shè)計如圖1智慧化窨井設(shè)施監(jiān)測系統(tǒng)整體架構(gòu)圖所示。

1.3數(shù)據(jù)采集端設(shè)計

根據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)的整體構(gòu)想，井下數(shù)據(jù)采集端的作用一是準確實時采集有害氣體、水位值、井蓋傾角值等各類與窨井相關(guān)的數(shù)據(jù)并完成數(shù)據(jù)發(fā)送到基站;二是接收平臺發(fā)送的指令完成傳感器模塊相關(guān)參數(shù)的修改等。數(shù)據(jù)采集端的具體設(shè)計包括各類傳感器模塊、控制與通信模塊兩部分。有害氣體傳感器、加速度傳感器等各類傳感器模塊完成各種狀態(tài)數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)化和接收控制模塊的指令執(zhí)行相應(yīng)采集任務(wù)?？刂婆c通信模塊是核心，相當與采集端的中樞，一是對各類傳感數(shù)據(jù)的匯集與無線傳輸，二是接收來自平臺的指令并進行進一步的處理。采集端設(shè)計如圖2數(shù)據(jù)采集端基本框圖所示。

二、智慧化窨井設(shè)施監(jiān)測平臺設(shè)計

智慧化窨井設(shè)施監(jiān)測平臺的主要功能是對采集自窨井設(shè)施的大量數(shù)據(jù)進行計算處理與分析，然后為技術(shù)人員提供窨井數(shù)據(jù)和工作建議等。監(jiān)測平臺采用B/S建構(gòu)的的Web系統(tǒng)，頁面采用jsp來進行設(shè)計，網(wǎng)站的數(shù)據(jù)庫Oraclel1g，當有異常信息出現(xiàn)，監(jiān)測平臺會以短信的方式發(fā)給工作人員，方便工作人員進行后續(xù)處理。同時，監(jiān)測平臺可以發(fā)指令對數(shù)據(jù)采集端進行參數(shù)配置等。

監(jiān)測平臺主要包括窨井的日常監(jiān)測、窨井的基本信息管理、異常信息反饋、數(shù)據(jù)采集端配置四部分。窨井的日常監(jiān)測部分實現(xiàn)井蓋的位置信息和工作狀態(tài)信息的實時顯示;窨井的基本信息管理部分一是實現(xiàn)對第三方巡檢信息的查詢，二是實現(xiàn)井蓋信息的增加、刪除、修改等基本操作;異常信息反饋實現(xiàn)井蓋異?；静樵兒痛螖?shù)的統(tǒng)計;數(shù)據(jù)采集端配置部分實現(xiàn)氣體濃度異常閾值、井蓋傳感器參數(shù)等的設(shè)置。根據(jù)功能需求，監(jiān)測平臺的設(shè)計任務(wù)主要集中在三個方面，首先是為了實現(xiàn)通信的有效性和安全性，要進行井蓋編碼、指令編碼、采集端數(shù)據(jù)編碼等的規(guī)劃設(shè)計;然后是因為整個系統(tǒng)有大量的數(shù)據(jù)需要存儲處理，要進行數(shù)據(jù)庫的規(guī)劃設(shè)計，本平臺采用Oracle數(shù)據(jù)庫;最后是電子地圖的引入設(shè)計，能友好生動地顯示窨井的位置信息、異常反饋標識，本平臺引入的是百度地圖模塊。

2.1 智慧化窨井設(shè)施監(jiān)測平臺通信協(xié)議的規(guī)劃設(shè)計

為了從數(shù)據(jù)采集端到監(jiān)測平臺信息傳輸?shù)目煽啃裕仨殞ζ脚_的通信協(xié)議進行規(guī)化和設(shè)計，其協(xié)議中主要包括了采集端傳感器感應(yīng)到的有害企業(yè)濃度值、窨井水位值、井蓋加速度信息、井蓋位置信息四類數(shù)據(jù)。通信的兩大關(guān)鍵指標是有效性和可靠性，為了實現(xiàn)目標，本項目選擇了CRC（循環(huán)冗余校驗）法。

2.1.1井蓋的編號

城市基礎(chǔ)設(shè)施井蓋數(shù)量龐大，數(shù)字化平臺設(shè)計中一般對此類對象要進行數(shù)字化編碼，即每個井蓋對應(yīng)唯一一組數(shù)字編碼。本項目對嘉興區(qū)域的窨井設(shè)施的所有井蓋進行編碼，區(qū)縣代碼為01-99，街道代碼為001-999，具體道路的代碼為001-999，某條道路上的井蓋代碼為01-99。例如嘉興市南湖區(qū)新興街道吉楊路1號窨井數(shù)字編碼為0103100901，其中01代表南湖區(qū)，031代表新興街道，009代表吉楊路，01代表次道路上的1號窨井。

2.1.2指令編碼規(guī)劃

要實現(xiàn)監(jiān)測平臺與數(shù)據(jù)采集層的信息互通的順暢，必須進行統(tǒng)一的指令編碼規(guī)劃設(shè)計。平臺和數(shù)據(jù)采集端因收到不一樣的指令而快速地執(zhí)行相應(yīng)的動作。整個系統(tǒng)指令編碼規(guī)劃主要包括鑒權(quán)指令編碼（0x6000）、氣體異常報警指令編碼（0x6100）、水位異常報警指令編碼（0x6102）等。

2.1.3采集端數(shù)據(jù)編碼規(guī)劃

從系統(tǒng)整體考慮，采集端數(shù)據(jù)主要包括井蓋位置信息、井蓋傾角值、水位值、氣體濃度值等4方面的數(shù)據(jù)，下一步就是針對此類數(shù)據(jù)進行編碼設(shè)計。

井蓋位置信息：井蓋的位置信息要精確，這樣才能做到準確定位，平臺采用將采集端程序中位置數(shù)據(jù)拆分來發(fā)送，監(jiān)測平臺在接收到信息后把數(shù)據(jù)進行合并得到精確位置數(shù)據(jù)。

井蓋傾角值：完成井蓋傾角值的采集與發(fā)送，即在恰當?shù)臅r間發(fā)送傾角值、喚醒閾值、喚醒時間三類數(shù)據(jù)。一定時間的喚醒設(shè)計是物聯(lián)網(wǎng)中傳感層的基本設(shè)計要求，加速度傳感器在不工作時進入休眠狀態(tài)，這樣可以達到采集端的較低功耗，本系統(tǒng)中井蓋加速度傳感器喚醒閾值設(shè)為45mg，喚醒時間位8ms，在井蓋傾角值大于25o則發(fā)出異常反饋。

水位值：本系統(tǒng)采用結(jié)露傳感器來對窨井中的水位值進行實時監(jiān)測，如果感應(yīng)到有水，則及時向平臺發(fā)出異常信息。因此只存在正常（0表示正常）和異常（1表示異常）兩種狀態(tài)信息。

氣體濃度：本系統(tǒng)采用氣體傳感器來對窨井中的有害氣體進行實時監(jiān)測，同時，平臺可以對發(fā)出異常信息的氣體濃度閾值進行修改，這樣的設(shè)計提升系統(tǒng)的異常反饋的準確率。

2.1.4數(shù)據(jù)校驗法的選擇

本系統(tǒng)選擇CRC（Cyclic Redundancy Check，CRC）校驗法。在網(wǎng)絡(luò)通信中，CRC的算法具有一定優(yōu)點，一是可以大比例糾正信息傳輸中錯誤，二是能快速完成校驗碼生成并完成糾錯動作，這樣不僅提高信息傳輸可靠性，還提高了信息傳輸?shù)挠行?，達到通信的關(guān)鍵指標要求。CRC檢驗方法的成本比較低，檢測能力、速度等方面相對其它方法有很明顯的優(yōu)勢，因而，CRC成為網(wǎng)絡(luò)通信領(lǐng)域最為普遍的校驗方法[4]。常用的CRC-16生成過程如下：

1.設(shè)置CRC寄存器，并給其賦值FFFF（hex）。

2.將數(shù)據(jù)的第一個8-bit字符與16位CRC寄存器的低8位進行異或，并把結(jié)果存入CRC寄存器。

3. CRC寄存器向右移一位，MSB補零，移出并檢查LSB。

4.如果LSB等于0，再次進行第三步;若LSB等于1，CRC寄存器與多項式碼相異或。

5.再次執(zhí)行第3與第4步直到8次移位全部結(jié)束。此時一個8-bit數(shù)據(jù)處理完畢[5]。

6.重復(fù)第2至第5步直到所有數(shù)據(jù)全部處理完成。

7.最終CRC寄存器的內(nèi)容即為CRC值。

2.2數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計

本平臺有一定量的數(shù)據(jù)需要存儲和處理，因此必須進行數(shù)據(jù)庫的整體規(guī)劃設(shè)計。需要存放的數(shù)據(jù)有窨井的地址信息、井蓋的位置信息、傾角值、窨井水位值、異常反饋信息等，本平臺數(shù)據(jù)庫選擇Oracle來構(gòu)建。

2.2.1數(shù)據(jù)庫的總體規(guī)劃

根據(jù)對平臺的功能要求和需要采集的數(shù)據(jù)的分析，本平臺數(shù)據(jù)庫包括數(shù)據(jù)基本信息分類、基本信息管理和異常信息分析三個功能模塊。

1.基本信息分類

基本信息分類模塊主要保存井蓋的數(shù)據(jù)信息，一是保存窨井的區(qū)域位置信息，與井蓋編號做到一一對應(yīng);二是保存井蓋位置信息、傾角值、水位等狀態(tài)類信息，與井蓋編號做到一一對應(yīng);三是保存異常反饋信息，包括異常反饋級別、異常反饋時間，這些信息也要與井蓋編號做到一一對應(yīng)。

2.基本信息管理

基本信息管理模塊主要完成對數(shù)據(jù)的基本操作，包括對數(shù)據(jù)的添加、刪除等，這也是平臺對數(shù)據(jù)方便靈活管理的基本要求。如果上傳數(shù)據(jù)有誤差，可以在平臺上做補救修正處理。

3.異常反饋信息分析

異常反饋信息分析模塊主要完成對上傳的窨井異常數(shù)據(jù)的分析，窨井狀態(tài)異常信息有有害氣體超過閾值等三種。當有異常反饋信息上傳到平臺，平臺會對信息中的編號和異常級別進行分析，從而獲取窨井的位置信息、異常級別等信息后做保存。

2.2.2具體數(shù)據(jù)庫表的設(shè)計

根據(jù)對平臺所要求的數(shù)據(jù)歸類分析，主要有三類信息要與井蓋編號做一一對應(yīng)，因此本平臺數(shù)據(jù)庫設(shè)計三張數(shù)據(jù)庫表，第一張是保存窨井的區(qū)域位置信息;第二張是保存井蓋位置信息、傾角值、水位等狀態(tài)類信息;第三張是保存異常反饋信息。

第一張表是保存窨井的區(qū)域位置信息，主要包括窨井編碼，城市名、區(qū)縣名、街道名、道路名，井蓋序號6個字段。具體設(shè)計如表2窨井區(qū)域位置信息表所示。

第二張表是保存窨井狀態(tài)信息，主要包括窨井編碼，傾角值、水位值、有害氣體濃度值、經(jīng)度，緯度6個字段。具體設(shè)計如表3窨井狀態(tài)信息表所示。

第三張表是保存異常反饋信息，主要包括窨井編碼，異常時間、異常級別、異常次數(shù)4個字段。具體設(shè)計如表4異常反饋信息表所示。

2.3 電子地圖引入與設(shè)計

一般需要定位信息的平臺都會引入電子地圖，結(jié)合電子地圖來顯示窨井的具體位置信息，生動而直觀。本平臺采用了常用的百度地圖模塊，來完成對井蓋的實時定位顯示。對電子地圖網(wǎng)頁做進一步開發(fā)，確保實際井蓋位置與電子地圖上位置相符，具體是從采集端獲取的位置信息傳入網(wǎng)頁文件中，通過編程語言實現(xiàn)井蓋圖標創(chuàng)建和電子地圖對應(yīng)位置的放置。同時，為了窨井正常和異常顯示有明顯區(qū)別，設(shè)計了不同的顯示圖標。電子地圖引入，使管理人員可以更便捷實用平臺。

三、結(jié)束語

智慧化窨井設(shè)施遠程監(jiān)測平臺是整個監(jiān)測系統(tǒng)的重要組成部分，其功能是完成對采集自窨井設(shè)施的大量數(shù)據(jù)進行計算處理與分析，然后為技術(shù)人員提供窨井數(shù)據(jù)和工作建議，包括窨井的日常監(jiān)測、窨井的基本信息管理、異常信息反饋、數(shù)據(jù)采集端配置四部分，平臺設(shè)計主要完成通信協(xié)議的規(guī)劃設(shè)計、數(shù)據(jù)庫的搭建設(shè)計、電子地圖引入設(shè)計等任務(wù)。從平臺應(yīng)用測試的各項數(shù)據(jù)看，實現(xiàn)了采集端各類數(shù)據(jù)信息的收集、保存與反饋，達到預(yù)期目標。

參? 考? 文? 獻

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[3]張超.優(yōu)秀歷史建筑安全管理與監(jiān)控平臺的研發(fā)與應(yīng)用[J].綠色建筑2019，3：54-58.

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