智慧城市背景下基于Arduino平台的城市防涝智慧管控系统研究

王菲露，唐雅勤，万文芳，魏晓莉，武钢，符煜昊

（安徽建筑大学）

1 引言

近年来，全国各地都有发生严重内涝，城市内涝灾害每年都在增加。如2012年7 月21 日，北京发生特大严重暴雨，暴雨造成79人死亡。2020年7月，四川发生严重暴雨灾害，64 个县未能幸免，145 万多人遭受灾害，9 人死亡，共计转移安置11万人[1]。2020年，广州、武汉、安徽等各地也都遭受暴雨的袭击，给城市交通带来影响，人民生命财产安全受到威胁。为了最大程度解决内涝对人民造成的损失，一方面要大力建设城市水务基础设施[2]，另一方面需要结合信息化，建设城市排水智慧管控系统，实时智能监测和掌握城市内涝情况，降低强降雨对城市的影响。

2 智慧城市

2010 年IBM 公司正式提出“智慧城市”概念，全球开启了信息化浪潮，智慧城市通过互联网技术、大数据技术和物联网等现代化信息技术的结合，对城市各个基础组成部分进行智能控制、数据上云、云上处理和云上共享，进而达到便捷的公共服务、高度共享的城市信息、适合居住的生活环境和智能度高的基础设施。目前，我国约有500 个城市明确提出或者正在进行智慧城市进行，同时华为等技术公司也在积极提供技术支持。我国已在人工智能技术研究、移动便民服务、共享网约单车等应用方面走在世界前列（见图1）。

城市地下空间信息化建设是智慧城市建设的重要一环，城市内涝地下信息化建设旨在解决城市内涝问题，使城市地上的人对城市地下信息情况有详细了解并能掌握数据，便于进一步解决城市易内涝和地下管道排布难等问题，同时，可以和别的城市信息化系统相结合，打造一体化的智慧城市。

3 系统开发和建设意义

在我国城市化快速发展的过程中，城市内涝灾害问题普遍出现，特别是在地势低、河湖多、内涝灾害经常发生的城市，城市内涝问题就更亟待解决[3]。基于物联网技术的城市防涝智慧管控系统，提供城市排水防涝的全面监控和管理功能，通过后台监控和计算，做到灾害预警和实时数据的接收显示，实现远程控制和管理，不仅节省了大量人力物力，同时信息化的处理模式也为排水行业提供了基础研究数据，有助于未来更加安全和谐的发展。

进行信息化的建设需要与城市发展现状及排水信息化需求紧密结合，以解决实际问题为导向，以先进性与实用性结合为原则，以保障人民生命财产安全、实现人与自然和谐发展为目标[4]。将具体可行的技术运用起来，解决人民生活的问题。城市防涝智慧管控系统可以使管理工作由被动应付变成主动管理，不再依靠大量人员巡查，而是直接通过手机监控的方式查看设备状态，了解路面情况，大大提高了城市路面积水现象的管理效率。信息化需要不断升级和维护，因此建立本地化的实施队伍有重要意义，通过排水信息化建设和相关领域的发展，全面推动智慧城市建设，带动地方经济（见图2）。

图2 系统开发和建设意义

4 城市防涝智慧管控系统概述

4.1 平台方案搭建

将利用物联网、通信等多种技术集成，实现信息数据的采集及处理，利用安卓移动端技术，实现排水相关管理部门和用户之间的简单信息交互，操作方便灵活。系统的监控中心可根据数据阈值，判定灾害情况，生成内涝积水预警，平台通过地图显示，安卓端可接收消息提醒，提前发布警告信息，尽快启动相应预案；另一方面，利用安卓移动端技术实现排水相关管理部门和用户之间的简单信息交互，操作方便灵活。

本系统由Arduino 作为主控；水位传感器、超声波测距模块等各类传感器模块作为数据的采集；水泵、步进电机作为执行机构，以及ESP8266 作为通信模块，实现硬件端和软件端的信息传递功能;通过中移平台的NB-IOT协议上传数据到物联网云平台，无需代码直接开发出网页和APP，利用view2.0 功能，开发网页显示设备信息及涝灾情况。通过不同功能的传感器检测各类环境参数并回传给控制单元，控制单元按照程序对各类参数进行汇集处理，进行场景的联动，控制水泵和步进电机的开关；用WiFi 模块使其以简单易读的文字、图标等形式显示到手机等显示设备上，在软件端进行数据信息的处理、记录和发布，可以实时向手机等终端设备发送消息提醒。

如果在未布设物联网设备的地区，用户可以对自己所在地区涝灾严重程度进行问题上报，附上具体位置信息等相关描述，后台将直接连接相关部门，一键式反映，并及时做出响应。如果在已布设物联网设备地区用户发现移动端显示数据和现场实际情况不符，也可进行问题上报反映。另外，检测人员也可通过移动端第一时间了解事故信息，便于现场人员及时对事故进行定位处理和设备维护。

总体来说，基于Arduino 平台的城市防涝智能管控系统可利用各类硬件设备实现信息数据的采集及处理，从而监测道路积水深度、地下管道堵塞情况等各项关键性指标。与此同时，通过提供历史数据和数据分析结果，可以帮助相关研究部门分析未来趋势，提前预防灾害，避免处理不及时所造成的人民和国家的损失。主要路线如图3平台流程图和图4系统架构图所示。

图3 平台流程图

图4 系统架构图

4.2 主要研究内容

本系统初始化后通过传感器模块采集环境参数并在显示屏上显示。设备的数据采集在实际使用中可以采用太阳能供电或接入市电，然后将数据传送至Arduino 单片机进行分析，与初始化的正常范围进行比较，当数据超出正常范围时报警并控制水泵和步进电机的开启（模拟智能井盖），同时通过NB-IOT协议向云平台上传数据信息。同时，用户和检测人员可以实时上报问题到移动端，通过地图查看居民居住地区易积水道路状态。

1）水位传感器模块设计

水位传感器简单易用、小巧轻便、性价比高。工作温度在10-30℃，工作湿度在10%～90%无凝结，实现水量到模拟量的转换，具有较强的可塑性、高灵敏度、功耗低，能够连接各种开发板实现功能。水位传感器采用的是HC-SR04 超声波测距模块，测量模块距离水面的高度，再用测量模块部署的高度减去测量的高度即可得到水位深度，然后计算两个超声波测距模块的平均值，以减少误差。

2）超声波测距模块设计

超声波水位传感器根据声学原理测量水位[2]。工作原理是超声波通过探头的放射换能器，向水面垂直发射固定频率的超声波，到达水面后产生回波。探测器接收到回波，通过转换电路，转换成电信号，从而转换成所测水面的水位高度。

3）步进电机和水泵抽水模块设计

水泵是一种能够输送液体或者可以使液体增压的机械。它的工作原理是将原机械的机械能或者其他能量传输给液体，从而使液体能量增加，可用于输送液体。步进电机在本项目中，用来模拟井盖，提供动力，让模拟井盖打开关闭，二者配合实现对过高水位的抽水。

4）云平台的设计

本项目直接利用中国移动OneNET云平台进行系统开发，开发简易，无需编写代码，网页端功能多样。NB-IOT时延、高并发、高可用的消息中间件，保障应用平台与OneNET 数据交互即时可靠。数据可视化View2.0 全新上线，3D 场景搭建，联动控制，强大过滤。支持创建3D项目，免编程、可视化拖拽配置，集成汇总、转换能力的数据层，支持多种数据源接入，功能强大的数据过滤器可对杂乱数据进行多种逻辑加工，灵活嵌入搭建，让2D/3D结合成为可能。城市排水防涝监控移动端采用小程序设计，主界面展示水泵、电动机等设备的开关状态以及超声波、水位计等传感设备实时监测数据显示，同时通过定位功能，在地图上显示设备报警状况。当设备处于报警状态时，地图上会有红色标识出现，提示使用人员出现险情急需处理的位置，并且有用户提交问题界面，用户将问题反映到手机后台，后台收到消息，再反映给具体的相关管理人员，对用户给出的问题技术处理。

5 结语

目前，我国智慧城市发展具有很大潜力，伴随新兴技术的开发和应用，越来越多的相关信息化产品在实际中运用，力图让科技改变人们的生活，使城市居民生活更加智能化、便捷化。本文提出一种基于Arduino平台的城市防涝智慧管控系统方案，加强应急管理灾难信息获取与救灾及时处理能力，及时预警，及时救治，远程掌控城市内涝灾情，同时，调动普通居民积极性，让居民有途径可以参与智慧城市建设，利用物联网、大数据、NB-IOT 技术保障防涝系统的建设，形成管理部门和普通居民共同建设的科学、规范、便捷、智能的城市防涝管控平台，构建防涝行业管控的新模式，以提高城市防灾减灾能力和安全保障水平[5-6]。