基于傾角傳感器的大型廣告牌匾傾斜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言

隨著城市的飛速發(fā)展，城市中的商業(yè)化元素也在迅速的增長(zhǎng)，其中最主要的一類就是廣告牌匾。特別地，隨著商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的日益加劇，眾多商家已經(jīng)不再滿足傳統(tǒng)的店面式牌匾,而是設(shè)立一些大型的、高空的巨型廣告牌匾。但是，當(dāng)出現(xiàn)大風(fēng)、驟雨等極端天氣時(shí)，這些大型戶外廣告則有可能發(fā)生傾倒，成為城市管理中的安全隱患。傳統(tǒng)廣告牌匾監(jiān)管方式往往以人工巡查為主，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力且無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)大型戶外廣告牌匾穩(wěn)固性的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)叫曾在2013年6月，南寧市就發(fā)生過一起因大型廣告牌匾倒塌處理不及時(shí)而引起的交通事故，經(jīng)法院判定，城管局承擔(dān)40%的責(zé)任。隨著近幾年來(lái)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，“智慧城市”的相關(guān)應(yīng)用不斷深入，廣告牌匾監(jiān)管單位越來(lái)越希望可以利用傳感器等設(shè)備自動(dòng)、方便地對(duì)大型廣告牌匾進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)管，由此，基于傾角傳感器的大型廣告牌匾傾斜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)被設(shè)計(jì)出來(lái)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)大型牌匾傾斜角度的實(shí)時(shí)測(cè)量、動(dòng)態(tài)智能感知預(yù)警，輔助監(jiān)管單位第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)存在的安全隱患，保證及時(shí)修繕。

1總體結(jié)構(gòu)

大型廣告牌匾監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由前端信息采集裝置和后臺(tái)信息處理與展示部分組成，前端信息采集裝置采用基于MEMS（MicroelectroMechanicalSystem，微機(jī)電系統(tǒng)）的雙軸傾斜傳感器和微電子控制技術(shù)設(shè)計(jì)，雙軸傾斜傳感器可對(duì)牌匾進(jìn)行水平與豎直方向的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采用RS485接口與微處理器通信，對(duì)微處理器進(jìn)行一些基本設(shè)置（例如：對(duì)日期時(shí)間、傳輸協(xié)議、監(jiān)測(cè)頻率、基站信息等設(shè)置）后，把所有相關(guān)數(shù)據(jù)通過GSM/CMDA/3G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到指定服務(wù)器，由服務(wù)器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并入庫(kù)，提供給前臺(tái)B/S系統(tǒng)，最終實(shí)現(xiàn)牌匾監(jiān)測(cè)以點(diǎn)的形式在地圖上標(biāo)注顯示、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)展示、數(shù)據(jù)查詢與統(tǒng)計(jì)、用戶信息管理以及達(dá)到預(yù)警級(jí)別給用戶發(fā)送短信等功能，如圖1所示。

2.1采集端結(jié)構(gòu)

前端信息采集裝置由5部分組成:包括測(cè)量部分（雙軸MEMS傾角傳感器和RS485通訊接口［8］）、處理部分（單片機(jī)）、操作部分（液晶顯示屏和鍵盤）、通信部分（GSM通信模塊）、供電部分（太陽(yáng)能光伏供電），具體如圖2所示。

各組成部分詳述如下：

（1）測(cè)量部分:雙軸MEMS傾角傳感器:角度測(cè)量設(shè)備；RS485通訊接口：傳感器將傾角數(shù)據(jù)傳輸給單片機(jī)的通道；

（2）處理部分：起連接作用，協(xié)同個(gè)設(shè)備工作；

（3）操作部分：便于修改參數(shù)；

（4）供電部分：控制供電模式，當(dāng)有陽(yáng)光時(shí)，太陽(yáng)能板與蓄電池同時(shí)給單片機(jī)供電，并且太陽(yáng)能板給蓄電池充電，當(dāng)沒有陽(yáng)光時(shí)，只有蓄電池供電；

（5）通信部分：將單片機(jī)接收的傾角數(shù)據(jù)和通過鍵盤設(shè)置的配置信息通過無(wú)線方式發(fā)出。

2.2 布設(shè)參考

由于前端設(shè)備比較零散，需要放在室外，并且與供電相關(guān)，所以最好放在一個(gè)設(shè)備箱中，考慮到靈活性，設(shè)備箱最佳放置方式采用固定在立桿上的方式，再者根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)及可負(fù)重情況，設(shè)計(jì)一個(gè)用來(lái)固定設(shè)備箱以及太陽(yáng)能板的鋼管立桿，要求立桿不宜過高、不宜損壞，能夠方便地掛設(shè)設(shè)備箱和太陽(yáng)能板，然后在大型廣告牌匾后面挖坑，放入地錨打地基，待穩(wěn)固后立桿，最后將傾角傳感器固定在牌匾背面，固定前盡量將傳感器橫軸或縱軸與地面或垂直地面方向平行，并前后左右擺動(dòng)傳感器，觀察傳感器 X、Y 軸與實(shí)際橫縱軸的對(duì)應(yīng)關(guān)系以及角度變化情況，示意圖見圖 3。

3軟件設(shè)計(jì)

3.1系統(tǒng)框架

本系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前監(jiān)管單位的實(shí)際情況和需求，通過調(diào)查，并依照經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性、可靠性的原則制定了整體架構(gòu)，主要分為五個(gè)層次，從下到上依次為基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)處理層、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層、業(yè)務(wù)邏輯層、服務(wù)對(duì)象層，見圖4。

各層詳述如下：

（1）基礎(chǔ)設(shè)施層位于最底層，是指與軟件部署向相關(guān)的硬件設(shè)備，具體包括服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)和短信發(fā)送設(shè)備（短信貓）。

（2）數(shù)據(jù)處理層是指對(duì)第一手?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行接收、解析、入庫(kù)、運(yùn)算等一些行為，由于程序使用Java語(yǔ)言編寫，還要與數(shù)據(jù)庫(kù)連接，所以需要Java環(huán)境和jdbc包，數(shù)據(jù)庫(kù)軟件和GIS軟件供后續(xù)操作使用。

（3）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層是指永久存儲(chǔ)數(shù)據(jù)部分，主要是以數(shù)據(jù)庫(kù)表的形式存放數(shù)據(jù)，供Web端直接調(diào)用。

（4）業(yè)務(wù)邏輯層對(duì)應(yīng)所有核心系統(tǒng)與應(yīng)用，系統(tǒng)的復(fù)雜性也主要體現(xiàn)在此，包含基礎(chǔ)數(shù)據(jù)中心（區(qū)級(jí)）、地圖展示、查詢統(tǒng)計(jì)、預(yù)警、短信通知等功能。

（5）服務(wù)對(duì)象層將中心各業(yè)務(wù)功能向不同用戶以不同表現(xiàn)形式進(jìn)行展示。具體為，針對(duì)各用戶（市、區(qū)級(jí)監(jiān)管單位、其他部門單位和領(lǐng)導(dǎo)等）需求，在界面集成基礎(chǔ)上，通過統(tǒng)一訪問門戶提供不同的訪問內(nèi)容和功能服務(wù)。

3.2數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)由前端監(jiān)測(cè)設(shè)備以UDP或TCP協(xié)議傳輸?shù)椒?wù)器指定端口，雖然UDP較TCP相比，缺乏可靠性，但其具有傳輸速度快的優(yōu)點(diǎn)，且更適用于少量數(shù)據(jù)傳輸，再加上系統(tǒng)是以連續(xù)觀測(cè)方式測(cè)量，即使丟失一兩條數(shù)據(jù)，也不會(huì)影響到數(shù)據(jù)的總體情況，因此選用 UDP 方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

考慮到接收程序需要一直運(yùn)行，并且也不需要用戶操作界面，因此采用 Windows 服務(wù)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，服務(wù)程序中應(yīng)包括數(shù)據(jù)獲取、提取信息、數(shù)據(jù)入庫(kù)、發(fā)送報(bào)警短信等功能，之所以將發(fā)送短信功能納入此處，而不是包含在 Web 端，首先考慮到短信報(bào)警的實(shí)時(shí)性，其次不需要用戶控制何時(shí)發(fā)送短信，流程見圖 5。

獲取數(shù)據(jù)的主要代碼如下：

DatagramSocket ds = new DatagramSocket（5535）；

// 設(shè)定需要監(jiān)聽的端口

byte[] buf = new byte[35] ；

DatagramPacket dp = new DatagramPacket（buf，0，buf.length）；

// 創(chuàng)建接收數(shù)據(jù)包

ds.receive（dp）； // 接收數(shù)據(jù)

String data = new String（dp.getData（），0，dp.getLength（））；

// 得到數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)

char[] chars = data.toCharArray（）；

// 將得到的數(shù)據(jù)存入字符數(shù)組

提取信息過程需要知道字符數(shù)組中每個(gè)字符的含義，通信格式見表 1，字符采用16 進(jìn)制形式表達(dá)。

這里最難處理的就是提取角度值，由于其占兩個(gè)字節(jié)，所以需要進(jìn)行合并，再加上有可能為負(fù)值，而計(jì)算機(jī)是以最高位形式表示，因此需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換，若用二進(jìn)制進(jìn)行運(yùn)算，操作方法為對(duì)負(fù)數(shù)取絕對(duì)值，然后取反，再加一，但本程序根據(jù) byte 型數(shù)據(jù)類型的特點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，關(guān)鍵部分代碼如下（代碼非連續(xù)）：

short a = 0 ；short s = 0

if（buf[i] < 0）// buf[i] 為字符數(shù)組中與角度對(duì)應(yīng)的位

a =（short）（256 - Math.abs（buf[i]））； // 將負(fù)數(shù)轉(zhuǎn)為正

s =（short）（s ^ a）； // 取得第一位角度值

s =（short）（s << 8）； // 移位

s =（short）（s ^ b）； // 插入第二個(gè)角度值

得到角度值之后要與預(yù)警范圍進(jìn)行比較，到達(dá)預(yù)警級(jí)別后發(fā)送短信，由于與牌匾相關(guān)的規(guī)范中還未涉及角度相關(guān)規(guī)定，因此我參考桿塔傾斜的相關(guān)規(guī)范，根據(jù)牌匾高度和材質(zhì)指定預(yù)警級(jí)別，最后共分3個(gè)等級(jí)，見表2。

3.3 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)功能，創(chuàng)建了6 張表，包括預(yù)警等級(jí)表、歷史表、短信模板表、短信接收人信息表、按小時(shí)統(tǒng)計(jì)表、按天統(tǒng)計(jì)表；兩個(gè)存儲(chǔ)過程，包括統(tǒng)計(jì)站點(diǎn)每小時(shí)特征值和統(tǒng)計(jì)站點(diǎn)每天特征值 ；兩個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)作業(yè)，分別用于定時(shí)執(zhí)行存儲(chǔ)過程，下面挑出幾個(gè)重要的說明。

3.3.1 歷史表

該表中的數(shù)據(jù)是通過 Windows 服務(wù)處理后的數(shù)據(jù)，可以理解為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，目的是為了提供給 Web 前端和其他表使用，表結(jié)構(gòu)如表 3。

3.3.2 統(tǒng)計(jì)站點(diǎn)每小時(shí)特征值存儲(chǔ)過程

由于 Web 端提供了數(shù)據(jù)查詢與統(tǒng)計(jì)的功能，再根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)數(shù)據(jù)量系統(tǒng)運(yùn)行周期較長(zhǎng)后，歷史表中的數(shù)據(jù)會(huì)較多，在做查詢與統(tǒng)計(jì)時(shí)，Web 端可能需要等待較長(zhǎng)時(shí)間，降低用戶體驗(yàn)，因此把數(shù)據(jù)進(jìn)行抽吸。該存儲(chǔ)過程的主要思想就是從歷史表中查詢出一小時(shí)的數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行篩選，篩選方式為取出這一小時(shí)內(nèi)的角度最大的前三個(gè)值，分別命名為 a、b、c，計(jì)算出這一小時(shí)的角度平均值 d，然后分別和平均值求差后得到 e、f、g，在計(jì)算 e － f 和 f － g，若前者大，則挑選出 b，若后者大，則挑選出 c，將挑選出的數(shù)作為該小時(shí)的角度特征值存入按小時(shí)統(tǒng)計(jì)表中。該存儲(chǔ)過程使用數(shù)據(jù)庫(kù)作業(yè)方式每小時(shí)執(zhí)行一次。

3.4 功能模塊設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要包括站點(diǎn)地圖定位展示功能、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和前一小時(shí)數(shù)據(jù)展示功能、查詢與統(tǒng)計(jì)功能、查詢預(yù)警值功能、信息管理功能。

（1）地圖展示模塊中，采集設(shè)備在地圖上的位置會(huì)以小氣泡的形式標(biāo)注出來(lái)，點(diǎn)擊小氣泡后會(huì)顯示出站點(diǎn)圖片、當(dāng)前傾角值，并且可以查看到當(dāng)前站點(diǎn)前一小時(shí)的傾角數(shù)據(jù)曲線圖。

（2）查詢與統(tǒng)計(jì)模塊中會(huì)以表格和柱狀統(tǒng)計(jì)圖的形式展示，若選取時(shí)間大于 31 天，統(tǒng)計(jì)圖中只會(huì)顯示出用戶所選時(shí)間范圍內(nèi)的較大的 31 天以曲線圖形式顯示。

（3）預(yù)警查詢模塊是用來(lái)查詢達(dá)到預(yù)警級(jí)別的數(shù)據(jù)。

（4）信息管理模塊中可以進(jìn)行預(yù)警等級(jí)的修改、編寫發(fā)送短信內(nèi)容、管理短信接收人信息等操作。

（5）集成界面訪問門戶提供系統(tǒng)訪問內(nèi)容的顯示界面，具體見圖6。

4 結(jié) 語(yǔ)

本系統(tǒng)利用傾角傳感器實(shí)現(xiàn)了大型戶外廣告牌匾的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)展示、查詢與統(tǒng)計(jì)、預(yù)警預(yù)報(bào)，用戶信息管理等功能。與傳統(tǒng)監(jiān)管方式相比，系統(tǒng)具有自主性、全天候的特點(diǎn)，在提升監(jiān)測(cè)效率的同時(shí)大大節(jié)約了人力監(jiān)測(cè)成本。另外，傾角傳感器技術(shù)主要應(yīng)用于橋梁、大壩、輸電線桿塔以及地質(zhì)災(zāi)害等角度變化監(jiān)測(cè)，在城市管理領(lǐng)域鮮有應(yīng)用，本研究中的大型廣告牌匾監(jiān)測(cè)可以作為一項(xiàng)有益探索。目前，系統(tǒng)已經(jīng)投入試運(yùn)行，有些問題已經(jīng)逐漸顯露，例如網(wǎng)站首次登陸的加載時(shí)間比較長(zhǎng)、信息管理模塊中對(duì)人員的權(quán)限管理還不夠全面，雖然可能還會(huì)有問題出現(xiàn)，但我相信隨著問題的解決，系統(tǒng)還有很大的提升空間。

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