Die intelligente Stadt gilt nach Industrialisierung, Digitalisierung und Elektrifizierung als vierte Welle der Stadtentwicklung. Ihr Aufbau ist ein zentraler Trend der globalen Stadtentwicklung. Heutzutage sind viele städtische Regenwasserkanäle häufig verstopft, was die Entwässerung stark beeinträchtigt und zu häufigen Wasseransammlungen auf den Straßen führt. Dies wiederum beeinträchtigt das Leben und die Mobilität der Menschen erheblich. Zudem werden in den letzten Jahren immer wieder Schachtabdeckungen gestohlen oder beschädigt, wodurch Fußgänger mitunter in die Kanalisation stürzen. Auch der hohe Straßenverkehr beeinträchtigt die Verkehrslage und die Mobilität der Menschen. Daher ist ein systematisches Management aller Aspekte der städtischen Probleme unerlässlich. Gleichzeitig bietet die technologische Entwicklung mit dem Fortschritt intelligenter Sensortechnologien mittels drahtloser Sensoren, der rasanten Entwicklung und Verbreitung von NB-IoT-Mobilkommunikationstechnologie sowie der schnellen Verbreitung von Breitbandinternet eine solide technische Grundlage für den Aufbau eines “städtischen Managements intelligenter Städte“.
1 Systemfunktion
Wir entwickeln eine intelligente kommunale Managementplattform für Stadtverwaltungen, die den Zustand von Brunnenabdeckungen, Verkehrsflüssen, Rohrleitungsverstopfungen und weitere Informationen fernüberwachen kann. Gleichzeitig kann sie bei Problemen rechtzeitig Alarm schlagen und effizientere Lösungen ermöglichen. Das Produkt ermöglicht zudem die visuelle Darstellung aller Vorgänge.
2 grundlegende Designideen
2.1 Überwachung des Wasserdurchflusses
Jeder Knotenpunkt nutzt ein Ultraschallmodul zur Messung des Wasserstands und vergleicht diesen mit den Wasserständen benachbarter Knotenpunkte, um festzustellen, ob eine Verstopfung vorliegt. (Bei einem großen Unterschied im Wasserstand zwischen benachbarten Knotenpunkten ist von einer Verstopfung der Abwasserleitung auszugehen; der Schweregrad der Verstopfung lässt sich anhand des Unterschieds grob einschätzen.) Das Schema der Verstopfungserkennung ist in Abbildung 1 dargestellt.
Die Erfassung der Wasserstandsdaten zu jedem Zeitpunkt dient der Erstellung der Wasserstandskurve. Bei einem zu schnellen Anstieg des Wasserstands wird ein Alarm ausgelöst.
Das Modul wird am oberen Ende des Durchlasses in der Nähe des Brunnens platziert, um den Einfluss von unebenem Gelände zu eliminieren. Das Ultraschall-Entfernungsmessprinzip beruht darauf, die Laufzeit der Schallwelle zu messen, die nach dem Aussenden von einem Hindernis benötigt wird, um reflektiert zu werden. Dabei wird die bekannte Ausbreitungsgeschwindigkeit der Ultraschallwelle in der Luft berücksichtigt. Aus der Laufzeitdifferenz zwischen Aussende- und Empfangszeit wird die tatsächliche Entfernung zwischen Aussendepunkt und Hindernis berechnet. Unterschiedliche Wasserstände benachbarter Messpunkte werden in der Software angezeigt, um die Entfernungsmessung zu beschleunigen.
2.2 Erkennung des Brunnenabdeckungsstatus
Das Gyroskopmodul dient dazu, die Änderung des Winkels der Wellenabdeckung zu erfassen, um festzustellen, ob die Abdeckung locker ist oder ohne ersichtlichen Grund geöffnet wurde, und somit die Diebstahlsicherungs- und Lockerungserkennungsfunktion zu realisieren.
Der MPU6050 verfügt über eine präzise Winkel- und Beschleunigungsmessung und kann selbst kleinste Winkeländerungen erfassen. Dank des I2C-Kommunikationsprotokolls ist die Bedienung sehr einfach. Der MPU6050 kann horizontal am Schachtdeckel befestigt werden. Beim Öffnen des Schachtdeckels erfasst das Modul die Winkeländerung und gibt eine Rückmeldung. Ist der Schachtdeckel locker, ändert sich sein Winkel geringfügig, wenn Personen oder Fahrzeuge ihn passieren. Anhand der vom MPU6050 zurückgegebenen Informationen lässt sich feststellen, ob der Schachtdeckel locker ist oder nicht. Beträgt die Neigung mehr als 30°, gilt der Schachtdeckel als geöffnet; schwankt der Winkel konstant zwischen -5° und 5°, gilt er als locker.
2.3 Oberflächenumweltüberwachung
Überwachen Sie die Oberflächentemperatur und -feuchtigkeit, beurteilen Sie die Wetterbedingungen und geben Sie entsprechendes Feedback.
2.3.1 Feuchtigkeitserfassung
Durch die Installation des Feuchtigkeitssensors am inneren Rand des Schachtdeckels wird der Feuchtigkeitsstatus in Echtzeit erfasst und an das zentrale Verarbeitungssystem jedes Knotens zurückgemeldet. Bei hoher Luftfeuchtigkeit, beispielsweise durch Regenwetter, oder wenn Oberflächenwasser durch den Rand des Schachtdeckels in den Sensor eindringt und einen bestimmten Feuchtigkeitswert überschreitet, reagiert das zentrale Verarbeitungssystem, erhöht die Kommunikationsfrequenz mit dem Host und stellt Echtzeit-Rückmeldungen bereit. Dies hilft den Verantwortlichen, im Notfall mehr Informationen zu erhalten.
2.3.2 Temperaturerfassung
Die Anbringung des Temperatursensors unter dem Brunnendeckel zur Erfassung und Meldung der Oberflächentemperatur hilft der Stadtverwaltung, die Temperatursituation in verschiedenen Stadtteilen zu erfassen und in Gebieten mit zu hohen Temperaturen Kühlmaßnahmen zu ergreifen. (Der darüberliegende Computer kann zur Erstellung der Temperaturverlaufskurve und zur Prognose der zukünftigen Temperatur verwendet werden.)
Der Temperatursensor LM35DZ kommt zum Einsatz. Der Chip ist klein, flexibel und hochpräzise. Die Daten werden auf zwei Dezimalstellen genau erfasst. Der Chip unterstützt die Kommunikation über einen einzigen Bus und ist einfach zu bedienen.
2.4 Überwachung des Verkehrsflusses
Das Fahrzeugerkennungsmodul ist auf dem Brunnendeckel installiert, um den Verkehrsfluss zu erfassen und ihn der städtischen Verkehrsverwaltung zur Kenntnisnahme zu übermitteln.
Es ist geplant, einen geomagnetischen Sensor zur Überwachung des Fahrzeugflusses einzusetzen. Das Modul kann die Magnetfeldlage präzise erfassen. Vorbeifahrende Fahrzeuge beeinflussen das Magnetfeld. Erkennt das Modul eine Veränderung des Magnetfelds, kann es auf vorbeifahrende Fahrzeuge schließen. Derzeit wird das Modul hauptsächlich zur Parkplatzerkennung verwendet. Die Hauptvorteile des Moduls sind:
(1) Kleine und flexible Größe. Das Modul lässt sich problemlos in Produkten einsetzen;
(2) Hohe Empfindlichkeit. Das Modul reagiert sehr empfindlich auf Veränderungen des Erdmagnetfelds und kann Fahrzeugbewegungen in einer Entfernung von über 3 m erkennen.;
(3) Extrem niedriger Stromverbrauch. Der durchschnittliche Betriebsstrom des Moduls beträgt weniger als 200 μA. Die Betriebsspannung kann bis auf 2,0 V sinken, wodurch die Lebensdauer der Batterie maximiert wird (zwei Nanfu-Batterien Nr. 5 können mehr als 3 Monate lang betrieben werden, professionelle Industriebatterien mit hoher Kapazität mehr als 5 Jahre, Batterien mit extrem hoher Kapazität sogar mehr als 10 Jahre oder abhängig von der Lagerfähigkeit der Batterie).
(4) Einfach und benutzerfreundlich. Das Modul verfügt über eine Schalterschnittstelle und eine serielle UART-Schnittstelle. Die Schalterschnittstelle liefert High- und Low-Pegel-Ausgänge. High bedeutet, dass ein Fahrzeug vorhanden ist, Low bedeutet, dass kein Fahrzeug vorhanden ist. Die serielle UART-Schnittstelle ermöglicht die Anzeige des Zeitstatus, die Parametereinstellung und weitere Funktionen.
2.5 Datenübertragung
2.5.2 NB-IoT-Teil
Der NB-IoT-Teil dient dazu, die vom zentralen Controller (BeagleBone) verarbeiteten Informationen ins Internet zu senden. Die Datenübertragung über NB-IoT bietet folgende Vorteile:
(1) Das NB-IoT-Signal deckt eine große Reichweite ab, wodurch eine reibungslose Übertragung aller Daten ins Internet gewährleistet werden kann.;
(2) Die Netzwerkgeschwindigkeit kann etwa 20 K pro Sekunde erreichen, was für die Datenübertragung ausreichend ist.;
(3) Im Vergleich zu SMS sind die Kosten für die Datenübertragung mit NB-IoT geringer.;
(4) Die Verwendung des seriellen Kommunikationsprotokolls ist einfach zu bedienen.
2.5.3 Serverteil
Da die vom NB-IoT-Modul verwendete IP-Adresse zufällig zugewiesen wird und sich Benutzer mit unterschiedlichen IP-Geräten anmelden müssen, ist es schwierig, die gesammelten Informationen direkt an die Benutzergeräte zu senden. Daher wurde beschlossen, die Serverplattform als Datenübertragungsstation zu nutzen. Alle gesammelten Informationen werden über NB-IoT zur temporären Speicherung an den Server gesendet, und der Benutzer greift mit seinem Hauptrechner auf den Server zu, um die Daten abzurufen.
2.7 Intelligente Steuerungsschnittstelle
Der übergeordnete Rechner empfängt die Daten von der Serverplattform und stellt sie dem Benutzer visualisiert dar. Über die Benutzeroberfläche kann der Benutzer die räumlichen Beziehungen zwischen den einzelnen Knotenpunkten intuitiv erfassen und bequem Informationen zu Wasserstand, Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Brunnenabdeckung, Verkehrsfluss und weiteren Parametern abrufen. Bei Störungen wie Verstopfungen, schnellem Wasseranstieg oder ungewöhnlicher Brunnenabdeckung erhält der Benutzer umgehend Status- und Standortinformationen.
Der übergeordnete Rechner nutzt die von Baidu Maps bereitgestellte API, um die Karte des überwachten Gebiets auf einer Webseite anzuzeigen. Jeder Knotenpunkt ist auf der Karte deutlich markiert. Mithilfe der Django-Architektur (Python, HTML, JavaScript etc.) werden die von jedem Knotenpunkt erfassten Daten als Diagramm auf der Webseite dargestellt und können per Klick eingesehen werden. Gleichzeitig informiert die Alarmfunktion den Nutzer umgehend über auftretende Probleme.
- Gesamtblockdiagramm
Das Gesamtblockdiagramm des Systems ist in Abbildung 4 dargestellt, und die folgenden Funktionen werden schließlich realisiert:
(1) Einbruchmeldeanlage: Über das Netzwerk können die städtischen Behörden informiert werden, um das Problem fehlender Brunnenabdeckungen rechtzeitig zu lösen.
(2) Lockere Alarme beseitigen die potenzielle Sicherheitsgefährdung von Fußgängern durch Beschädigungen der Brunnenabdeckung.
(3) Alarm bei Rohrverstopfung, der die Verstopfung in der visuellen Benutzeroberfläche anzeigt, um die Reinigungsabteilung bei der rechtzeitigen Beseitigung zu unterstützen, versteckte Gefahren zu eliminieren und das Auftreten von städtischen Überschwemmungen zu verhindern.
(4) Die Bodentemperatur erfassen und die Daten zurücksenden.
(5) Den Wasserstand ermitteln und die Daten zurücksenden.
(6) Die Bodenfeuchtigkeit wird erfasst und die Sendefrequenz bei steigender Luftfeuchtigkeit erhöht, was für die Warnung vor Starkregen hilfreich ist.
(7) Fahrzeugströme erfassen, Daten in Echtzeit zurücksenden und das Verkehrsmanagement unterstützen.
(8) Die zurückgegebenen Daten werden in der Visualisierungsschnittstelle angezeigt und entsprechend verarbeitet und klassifiziert. Dadurch wird eine komfortable Bedienungsumgebung für die städtischen Abteilungen geschaffen.
(9) Es wird eine Datenbank eingerichtet, in der die zurückgegebenen Daten gespeichert werden, um sie leichter verwenden und analysieren zu können.
4. Schlussbemerkungen
Das System zielt darauf ab, eine intelligente städtische Managementplattform zu schaffen, die den Bürgern ein komfortableres und sichereres Leben ermöglicht. Die zentrale Übertragung und intelligente Verarbeitung der gesammelten Daten, die den Brunnen als regionalen Konvergenzknotenpunkt nutzt, stellt eine wichtige Innovation des Projekts dar. Die Berücksichtigung von Entwässerung, Verkehr, Verkehrssicherheit und weiteren städtischen Informationen trägt maßgeblich zur Entwicklung einer Smart City bei. Obwohl es noch Herausforderungen bei der Stromversorgung und der Antenne gibt, sind diese für die Ingenieure lösbar und können die Sicherheit und Lebensqualität der Bevölkerung weiter verbessern.