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，其中最主要的一類就是廣告牌匾。特別地，隨著商業(yè)競爭的日益加劇，眾多商家已經不再滿足傳統(tǒng)的店面式牌匾,而是設立一些大型的、高空的巨型廣告牌匾。但是，當出現(xiàn)大風、驟雨等極端天氣時，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，不僅費時費力且無法實現(xiàn)對大型戶外廣告牌匾穩(wěn)固性的實時監(jiān)測叫曾在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而引起的交通事故，經法院判定，城管局承擔40%的責任。隨著近幾年來物聯(lián)網技術的快速發(fā)展，“智慧城市”的相關應用不斷深入，廣告牌匾監(jiān)管單位越來越希望可以利用傳感器等設備自動、方便地對大型廣告牌匾進行實時的監(jiān)管，由此，基于傾角傳感器的大型廣告牌匾傾斜監(jiān)測系統(tǒng)被設計出來，實現(xiàn)了對大型牌匾傾斜角度的實時測量、動態(tài)智能感知預警，輔助監(jiān)管單位第一時間發(fā)現(xiàn)存在的安全隱患，保證及時修繕。

1總體結構

大型廣告牌匾監(jiān)測系統(tǒng)由前端信息采集裝置和后臺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，微機電系統(tǒng)）的雙軸傾斜傳感器和微電子控制技術設計，雙軸傾斜傳感器可對牌匾進行水平與豎直方向的實時監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)采用RS485接口與微處理器通信，對微處理器進行一些基本設置（例如：對日期時間、傳輸協(xié)議、監(jiān)測頻率、基站信息等設置）后，把所有相關數(shù)據(jù)通過GSM/CMDA/3G網絡發(fā)送到指定服務器，由服務器對數(shù)據(jù)進行處理并入庫，提供給前臺B/S系統(tǒng)，最終實現(xiàn)牌匾監(jiān)測以點的形式在地圖上標注顯示、實時數(shù)據(jù)展示、數(shù)據(jù)查詢與統(tǒng)計、用戶信息管理以及達到預警級別給用戶發(fā)送短信等功能，如圖1所示。

2.1采集端結構

前端信息采集裝置由5部分組成:包括測量部分（雙軸MEMS傾角傳感器和RS485通訊接口［8］）、處理部分（單片機）、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（太陽能光伏供電），具體如圖2所示。

各組成部分詳述如下：

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

（2）處理部分：起連接作用，協(xié)同個設備工作；

（3）操作部分：便于修改參數(shù)；

（4）供電部分：控制供電模式，當有陽光時，太陽能板與蓄電池同時給單片機供電，并且太陽能板給蓄電池充電，當沒有陽光時，只有蓄電池供電；

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

2.2 布設參考

由于前端設備比較零散，需要放在室外，并且與供電相關，所以最好放在一個設備箱中，考慮到靈活性，設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)場及可負重情況，設計一個用來固定設備箱以及太陽能板的鋼管立桿，要求立桿不宜過高、不宜損壞，能夠方便地掛設設備箱和太陽能板，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，并前后左右擺動傳感器，觀察傳感器 X、Y 軸與實際橫縱軸的對應關系以及角度變化情況，示意圖見圖 3。

3軟件設計

3.1系統(tǒng)框架

本系統(tǒng)根據(jù)當前監(jiān)管單位的實際情況和需求，通過調查，并依照經濟性、實用性、可靠性的原則制定了整體架構，主要分為五個層次，從下到上依次為基礎設施層、數(shù)據(jù)處理層、數(shù)據(jù)存儲層、業(yè)務邏輯層、服務對象層，見圖4。

各層詳述如下：

（1）基礎設施層位于最底層，是指與軟件部署向相關的硬件設備，具體包括服務器、網絡和短信發(fā)送設備（短信貓）。

（2）數(shù)據(jù)處理層是指對第一手數(shù)據(jù)進行接收、解析、入庫、運算等一些行為，由于程序使用Java語言編寫，還要與數(shù)據(jù)庫連接，所以需要Java環(huán)境和jdbc包，數(shù)據(jù)庫軟件和GIS軟件供后續(xù)操作使用。

（3）數(shù)據(jù)存儲層是指永久存儲數(shù)據(jù)部分，主要是以數(shù)據(jù)庫表的形式存放數(shù)據(jù)，供Web端直接調用。

（4）業(yè)務邏輯層對應所有核心系統(tǒng)與應用，系統(tǒng)的復雜性也主要體現(xiàn)在此，包含基礎數(shù)據(jù)中心（區(qū)級）、地圖展示、查詢統(tǒng)計、預警、短信通知等功能。

（5）服務對象層將中心各業(yè)務功能向不同用戶以不同表現(xiàn)形式進行展示。具體為，針對各用戶（市、區(qū)級監(jiān)管單位、其他部門單位和領導等）需求，在界面集成基礎上，通過統(tǒng)一訪問門戶提供不同的訪問內容和功能服務。

3.2數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)由前端監(jiān)測設備以UDP或TCP協(xié)議傳輸?shù)椒掌髦付ǘ丝?，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，且更適用于少量數(shù)據(jù)傳輸，再加上系統(tǒng)是以連續(xù)觀測方式測量，即使丟失一兩條數(shù)據(jù)，也不會影響到數(shù)據(jù)的總體情況，因此選用 UDP 方式進行數(shù)據(jù)傳輸。

考慮到接收程序需要一直運行，并且也不需要用戶操作界面，因此采用 Windows 服務的方式來實現(xiàn)，服務程序中應包括數(shù)據(jù)獲取、提取信息、數(shù)據(jù)入庫、發(fā)送報警短信等功能，之所以將發(fā)送短信功能納入此處，而不是包含在 Web 端，首先考慮到短信報警的實時性，其次不需要用戶控制何時發(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)組中每個字符的含義，通信格式見表 1，字符采用16 進制形式表達。

這里最難處理的就是提取角度值，由于其占兩個字節(jié)，所以需要進行合并，再加上有可能為負值，而計算機是以最高位形式表示，因此需要進行轉換，若用二進制進行運算，操作方法為對負數(shù)取絕對值，然后取反，再加一，但本程序根據(jù) byte 型數(shù)據(jù)類型的特點進行轉換，關鍵部分代碼如下（代碼非連續(xù)）：

short a = 0 ；short s = 0

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

a =（short）（256 - Math.abs（buf[i]））； // 將負數(shù)轉為正

s =（short）（s ^ a）； // 取得第一位角度值

s =（short）（s << 8）； // 移位

s =（short）（s ^ b）； // 插入第二個角度值

得到角度值之后要與預警范圍進行比較，到達預警級別后發(fā)送短信，由于與牌匾相關的規(guī)范中還未涉及角度相關規(guī)定，因此我參考桿塔傾斜的相關規(guī)范，根據(jù)牌匾高度和材質指定預警級別，最后共分3個等級，見表2。

3.3 數(shù)據(jù)庫設計

根據(jù)系統(tǒng)功能，創(chuàng)建了6 張表，包括預警等級表、歷史表、短信模板表、短信接收人信息表、按小時統(tǒng)計表、按天統(tǒng)計表；兩個存儲過程，包括統(tǒng)計站點每小時特征值和統(tǒng)計站點每天特征值 ；兩個數(shù)據(jù)庫作業(yè)，分別用于定時執(zhí)行存儲過程，下面挑出幾個重要的說明。

3.3.1 歷史表

該表中的數(shù)據(jù)是通過 Windows 服務處理后的數(shù)據(jù)，可以理解為實時數(shù)據(jù)，目的是為了提供給 Web 前端和其他表使用，表結構如表 3。

3.3.2 統(tǒng)計站點每小時特征值存儲過程

由于 Web 端提供了數(shù)據(jù)查詢與統(tǒng)計的功能，再根據(jù)以往經驗，當數(shù)據(jù)量系統(tǒng)運行周期較長后，歷史表中的數(shù)據(jù)會較多，在做查詢與統(tǒng)計時，Web 端可能需要等待較長時間，降低用戶體驗，因此把數(shù)據(jù)進行抽吸。該存儲過程的主要思想就是從歷史表中查詢出一小時的數(shù)據(jù)，然后進行篩選，篩選方式為取出這一小時內的角度最大的前三個值，分別命名為 a、b、c，計算出這一小時的角度平均值 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)作為該小時的角度特征值存入按小時統(tǒng)計表中。該存儲過程使用數(shù)據(jù)庫作業(yè)方式每小時執(zhí)行一次。

3.4 功能模塊設計

該系統(tǒng)主要包括站點地圖定位展示功能、實時數(shù)據(jù)和前一小時數(shù)據(jù)展示功能、查詢與統(tǒng)計功能、查詢預警值功能、信息管理功能。

（1）地圖展示模塊中，采集設備在地圖上的位置會以小氣泡的形式標注出來，點擊小氣泡后會顯示出站點圖片、當前傾角值，并且可以查看到當前站點前一小時的傾角數(shù)據(jù)曲線圖。

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

（3）預警查詢模塊是用來查詢達到預警級別的數(shù)據(jù)。

（4）信息管理模塊中可以進行預警等級的修改、編寫發(fā)送短信內容、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)訪問內容的顯示界面，具體見圖6。

4 結 語

本系統(tǒng)利用傾角傳感器實現(xiàn)了大型戶外廣告牌匾的實時監(jiān)測和預警，實現(xiàn)了監(jiān)測數(shù)據(jù)實時展示、查詢與統(tǒng)計、預警預報，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，在提升監(jiān)測效率的同時大大節(jié)約了人力監(jiān)測成本。另外，傾角傳感器技術主要應用于橋梁、大壩、輸電線桿塔以及地質災害等角度變化監(jiān)測，在城市管理領域鮮有應用，本研究中的大型廣告牌匾監(jiān)測可以作為一項有益探索。目前，系統(tǒng)已經投入試運行，有些問題已經逐漸顯露，例如網站首次登陸的加載時間比較長、信息管理模塊中對人員的權限管理還不夠全面，雖然可能還會有問題出現(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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