基于云服务器的城市道路积水监测系统＊

祁霞，耿博望，陈艳超

（长安大学 电子与控制工程学院，西安710064）

祁霞（硕士研究生），研究方向为检测技术与自动化装置；耿博望、陈艳超（硕士研究生），研究方向为控制理论与控制工程。

引 言

由于极端恶劣气候的影响以及城建相关设施的不完善，使得道路积水引发的交通问题愈发突出，目前社会各界对此给予了极大的关注［1－4］。现有的道路积水监测系统通过主机进行处理并将数据通过GSM或GPRS网络发送，但其实质是一个封闭的局域网，获得的数据是非开放的、不共享的，且无法提供相应客户终端使用户获得实时信息，在一定程度上造成了数据资源的浪费［5，7－8］。本文提出一种可实现的解决方案，利用云服务器的实时性、便捷性、容量大、数据迁移方便等优势［9］，使得用户在获得快速、准确、全面的数据的同时拥有更多自主决策，从而避免因城市内涝导致道路积水造成的交通堵塞，提高城市在紧急状况下的应急能力。

1 监测系统总体设计

系统主体由监测终端和开放式云服务器两大部分组成，如图1所示。监测终端对城市道路进行实时监测，云服务器为数据传输及共享提供了平台。云服务器提供独立的数据空间、带宽、内存、CPU等，可用于创建数据库，存储各个监测模块传来的水位数据，提高数据传输速率，且具有较大网页空间，支持多种网站开发语言，方便进行网页设计［8］。更重要的是其租用价格低于传统服务器，具有快速供应和部署能力［9］。为了进一步保证可靠性，采用面向连接的TCP／IP协议进行数据传输。

图1 系统总体示意图

2 关键技术实现

系统连接示意图如图2所示。传感器设置于城市道路需要进行积水检测的路段，如城市立交桥下或者下穿隧道［6］；云服务器为可租用的计算服务平台。用户为市政和交通管理部门、气象部门、机动车司机、行人等拥有可联网设备且需要获取数据的群体。无线射频模块采用NewMsg－RF905；GPRS模块采用华为生产的 GTM900－C；MCU1、MCU2采用STC12C5AS2。MCU和无线射频模块采用SPI串口协议进行通信，监测终端和云服务器端通过GPRS网络进行数据通信。

图2 系统连接示意图

布置在现场的监测终端采集当前道路的积水信号，通过MCU将现场采集到的压力信号转换为当前水位信息，该数据通过无线射频发送到显示模块，以提示车辆和行人。GPRS模块将监测数据上传至云服务器［6］，云服务器作为信息传输的媒介，将接收的道路面积水数据完全开放给各类用户，用户可直接访问服务器获取数据。另外，气象部门和交管部门可将气象和交通信息通过云服务器传输给监测终端，最终将信息在显示屏公示出来。无降水情况时，显示屏可以接收并显示气象预报、交通信息及公益广告等信息。

3 硬件设计

3.1 水位监测仪

水位监测仪包括控制器、压力传感器、射频模块、GPRS模块和电源模块，全部集成在一起密封于防水外壳中，体积很小，可以根据实际需要随意移动位置。水位监测仪负责水位监测、上传积水数据至云服务器、从服务器接收数据，以及发射数据至显示模块，其结构如图3所示。

系统所需的微控制器采用STC12C5AS2单片机，这是一款高性能的51系列单片机，集成了SPI协议模块、A／D转换模块和UART串口。传感器选用压力传感器，为了能与单片机的A／D端口直接相连，内置处理电路将传感器的mV信号转换为标准电压0～5V，水深与电压信号的对应关系为：

其中H代表水深，单位为m；U代表电压信号，单位为V。传感器外壳通过用不锈钢封装达到抗振和抗冲击，以适应道路污水等恶劣环境。微控制器与压力传感器的连接图如图4所示。

图3 水位监测仪结构图

图4 微控制器与压力传感器连接图

无线射频模块选用NewMsg－RF905，最高工作速率为50Kbps，采用GFSK调制，抗干扰能力强，可通过软件设计地址，并且只有收到本机地址时才会输出数据，并提供中断提示，可直接连接各种单片机。模块通信采用SPI串口协议，单片机只需按模块协议配置无线模块，就可控制模块收发数据。该无线模块室外通信距离最大可达500m，满足了积水监测点到路口LED显示屏的通信要求，连接图如图5所示。

图5 微控制器与无线射频模块连接图

GPRS模块采用GTM900－C，这是一款两频段GSM／GPRS无线模块，它支持标准AT命令及增强AT命令，提供语音和数据业务等功能，此处使用其数据传输功能。系统采用GPRS网络进行数据传输，首先将GTM900－C模块配置到GPRS网络模式，进行拨号连接，在ISP返回PPP链路配置请求时，PPP协议与ISP进行交互，成功后ISP会给 GTM900－C模块分配一个临时IP地址，即可在外围配上相应通信协议与服务器端进行通信，连接图如图6所示。

图6 微控制器与GPRS模块连接图

3.2 显示模块

显示模块需要根据道路路口分布状况进行设置，安装在监测街道的路口，用来显示接收的数据以提示路人和车辆。显示模块包括控制器、射频模块和LED或LCD显示屏。相比较而言，LED更加节能，与LCD功耗比约为1：10；此外，LED采用低电压扫描驱动，具有耗电少、使用寿命长、成本低、亮度高、故障少、视角大、可视距离远等特点［2，6］。

3.3 软件设计

3.3.1数据传输

系统选用云服务器为系统提供稳定、可靠、弹性、安全的服务。为了保证高可靠性，这里选择面向连接的TCP／IP协议进行数据传输。云服务器主要完成接收、存储、处理及共享来自 GPRS模块传来的数据［7－9］。

传输需要经过三个阶段：与服务器建立连接、数据传输、终止连接。监测点的数据经传感器采集后发送至微处理器，微处理器对数据进行编码、封装等处理后传输至GPRS模块，同时向服务器发出数据传输请求。云服务器一方面绑定GPRS模块端口，监听信息，在收到传输请求后建立连接，GPRS模块向服务器发送数据，服务器接收并保存数据到相应的数据库；另一方面，等待接收客户浏览器的连接请求，当有客户端连接请求时，接收、分析请求信息，解析出请求的方法、URL目标、可选的查询信息及表单信息等，同时根据请求做出相应处理，向客户端浏览器发送响应信息，关闭TCP连接，实现GPRS模块与互联网的传输数据功能以及报文的显示功能。服务器端的工作流程如图7所示。

3.3.2数据显示

数据显示部分主要负责接收数据和显示数据。单片机连接和控制着无线射频模块及显示屏，当单片机完成对无线射频模块的配置后，就可接收水位监测仪发送来的数据，并驱动显示屏将数据显示出来，并显示相应的提示语，警示过往车辆或行人。为了实现节能的效果，只有水位监测仪监测到有积水深度时，才会进行监测，每3min监测一次水位并发送，当显示模块连续两次接收到水位信息时，点亮显示屏并显示信息；当连续15min接收到无水位时，关闭显示屏。系统显示接收信息的程序流程图如图8所示。

图7 显示当前信息的程序流程图

图8 显示接收信息的程序流程图

结 语

系统实现了对城市道路积水水位的实时监测、水淹报警、远程传输，一方面将道路积水数据传输到路口显示屏以提示车辆和行人，另一方面通过互联网将数据对多类用户开放，不仅让有关部门掌控道路积水数据，而且方便个人用户获取数据信息，及时避免道路积水带来的交通堵塞［3］。系统在没有增加系统造价的情况下，实现了数据的最大限度利用，且为未来车载导航和个人终端等用户预留了访问端口，从而达到资源的充分利用［5］。

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［2］王梦江，张强.“麦莎”台风期间上海市区道路积水原因和对策［J］.城市道桥与防洪，2006（1）.

［3］丁曜.上海市城市防汛排水若干问题的思考［J］.城市道桥与防洪，2007（5）.

［4］郝身群，宋国军，郭敏.洛阳市城市道路积水成因分析及防治对策［J］.城市道桥与防洪，2008（5）.

［5］王新庆.基于GIS的城市道路积水可视化关键问题研究［D］.北京：北京工业大学，2009.

［6］徐敏，李闪，李进荣，等.基于GPRS与组态技术的城市道路积水监测预警系统设计［J］.轻工科技，2015（2）.

［7］梁彪，曹宇佶，秦中元，等.云计算下的数据存储安全可证明性综述［J］.计算机应用研究，2012（7）.

［8］叶雄杰.基于云存储的移动视频监控系统研究［D］.广州：广东工业大学，2011.

［9］方巍，文学志，潘吴斌，等.云计算：概念、技术及应用研究综述［J］.南京信息工程大学学报：自然科学版，2012（4）.