基于倾角传感器的大型广告牌匾倾斜监测系统设计

引言

随着城市的飞速发展，城市中的商业化元素也在迅速的增长，其中最主要的一类就是广告牌匾。特别地，随着商业竞争的日益加剧，众多商家已经不再满足传统的店面式牌匾,而是设立一些大型的、高空的巨型广告牌匾。但是，当出现大风、骤雨等极端天气时，这些大型户外广告则有可能发生倾倒，成为城市管理中的安全隐患。传统广告牌匾监管方式往往以人工巡查为主，不仅费时费力且无法实现对大型户外广告牌匾稳固性的实时监测叫曾在2013年6月，南宁市就发生过一起因大型广告牌匾倒塌处理不及时而引起的交通事故，经法院判定，城管局承担40%的责任。随着近几年来物联网技术的快速发展，“智慧城市”的相关应用不断深入，广告牌匾监管单位越来越希望可以利用传感器等设备自动、方便地对大型广告牌匾进行实时的监管，由此，基于倾角传感器的大型广告牌匾倾斜监测系统被设计出来，实现了对大型牌匾倾斜角度的实时测量、动态智能感知预警，辅助监管单位第一时间发现存在的安全隐患，保证及时修缮。

1总体结构

大型广告牌匾监测系统由前端信息采集装置和后台信息处理与展示部分组成，前端信息采集装置采用基于MEMS（MicroelectroMechanicalSystem，微机电系统）的双轴倾斜传感器和微电子控制技术设计，双轴倾斜传感器可对牌匾进行水平与竖直方向的实时监测，监测数据采用RS485接口与微处理器通信，对微处理器进行一些基本设置（例如：对日期时间、传输协议、监测频率、基站信息等设置）后，把所有相关数据通过GSM/CMDA/3G网络发送到指定服务器，由服务器对数据进行处理并入库，提供给前台B/S系统，最终实现牌匾监测以点的形式在地图上标注显示、实时数据展示、数据查询与统计、用户信息管理以及达到预警级别给用户发送短信等功能，如图1所示。

2.1采集端结构

前端信息采集装置由5部分组成:包括测量部分（双轴MEMS倾角传感器和RS485通讯接口［8］）、处理部分（单片机）、操作部分（液晶显示屏和键盘）、通信部分（GSM通信模块）、供电部分（太阳能光伏供电），具体如图2所示。

各组成部分详述如下：

（1）测量部分:双轴MEMS倾角传感器:角度测量设备；RS485通讯接口：传感器将倾角数据传输给单片机的通道；

（2）处理部分：起连接作用，协同个设备工作；

（3）操作部分：便于修改参数；

（4）供电部分：控制供电模式，当有阳光时，太阳能板与蓄电池同时给单片机供电，并且太阳能板给蓄电池充电，当没有阳光时，只有蓄电池供电；

（5）通信部分：将单片机接收的倾角数据和通过键盘设置的配置信息通过无线方式发出。

2.2 布设参考

由于前端设备比较零散，需要放在室外，并且与供电相关，所以最好放在一个设备箱中，考虑到灵活性，设备箱最佳放置方式采用固定在立杆上的方式，再者根据现场及可负重情况，设计一个用来固定设备箱以及太阳能板的钢管立杆，要求立杆不宜过高、不宜损坏，能够方便地挂设设备箱和太阳能板，然后在大型广告牌匾后面挖坑，放入地锚打地基，待稳固后立杆，最后将倾角传感器固定在牌匾背面，固定前尽量将传感器横轴或纵轴与地面或垂直地面方向平行，并前后左右摆动传感器，观察传感器 X、Y 轴与实际横纵轴的对应关系以及角度变化情况，示意图见图 3。

3软件设计

3.1系统框架

本系统根据当前监管单位的实际情况和需求，通过调查，并依照经济性、实用性、可靠性的原则制定了整体架构，主要分为五个层次，从下到上依次为基础设施层、数据处理层、数据存储层、业务逻辑层、服务对象层，见图4。

各层详述如下：

（1）基础设施层位于最底层，是指与软件部署向相关的硬件设备，具体包括服务器、网络和短信发送设备（短信猫）。

（2）数据处理层是指对第一手数据进行接收、解析、入库、运算等一些行为，由于程序使用Java语言编写，还要与数据库连接，所以需要Java环境和jdbc包，数据库软件和GIS软件供后续操作使用。

（3）数据存储层是指永久存储数据部分，主要是以数据库表的形式存放数据，供Web端直接调用。

（4）业务逻辑层对应所有核心系统与应用，系统的复杂性也主要体现在此，包含基础数据中心（区级）、地图展示、查询统计、预警、短信通知等功能。

（5）服务对象层将中心各业务功能向不同用户以不同表现形式进行展示。具体为，针对各用户（市、区级监管单位、其他部门单位和领导等）需求，在界面集成基础上，通过统一访问门户提供不同的访问内容和功能服务。

3.2数据处理

数据由前端监测设备以UDP或TCP协议传输到服务器指定端口，虽然UDP较TCP相比，缺乏可靠性，但其具有传输速度快的优点，且更适用于少量数据传输，再加上系统是以连续观测方式测量，即使丢失一两条数据，也不会影响到数据的总体情况，因此选用 UDP 方式进行数据传输。

考虑到接收程序需要一直运行，并且也不需要用户操作界面，因此采用 Windows 服务的方式来实现，服务程序中应包括数据获取、提取信息、数据入库、发送报警短信等功能，之所以将发送短信功能纳入此处，而不是包含在 Web 端，首先考虑到短信报警的实时性，其次不需要用户控制何时发送短信，流程见图 5。

获取数据的主要代码如下：

DatagramSocket ds = new DatagramSocket（5535）；

// 设定需要监听的端口

byte[] buf = new byte[35] ；

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

// 创建接收数据包

ds.receive（dp）； // 接收数据

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

// 得到数据包中的数据

char[] chars = data.toCharArray（）；

// 将得到的数据存入字符数组

提取信息过程需要知道字符数组中每个字符的含义，通信格式见表 1，字符采用16 进制形式表达。

这里最难处理的就是提取角度值，由于其占两个字节，所以需要进行合并，再加上有可能为负值，而计算机是以最高位形式表示，因此需要进行转换，若用二进制进行运算，操作方法为对负数取绝对值，然后取反，再加一，但本程序根据 byte 型数据类型的特点进行转换，关键部分代码如下（代码非连续）：

short a = 0 ；short s = 0

if（buf[i] < 0）// buf[i] 为字符数组中与角度对应的位

a =（short）（256 - Math.abs（buf[i]））； // 将负数转为正

s =（short）（s ^ a）； // 取得第一位角度值

s =（short）（s << 8）； // 移位

s =（short）（s ^ b）； // 插入第二个角度值

得到角度值之后要与预警范围进行比较，到达预警级别后发送短信，由于与牌匾相关的规范中还未涉及角度相关规定，因此我参考杆塔倾斜的相关规范，根据牌匾高度和材质指定预警级别，最后共分3个等级，见表2。

3.3 数据库设计

根据系统功能，创建了6 张表，包括预警等级表、历史表、短信模板表、短信接收人信息表、按小时统计表、按天统计表；两个存储过程，包括统计站点每小时特征值和统计站点每天特征值 ；两个数据库作业，分别用于定时执行存储过程，下面挑出几个重要的说明。

3.3.1 历史表

该表中的数据是通过 Windows 服务处理后的数据，可以理解为实时数据，目的是为了提供给 Web 前端和其他表使用，表结构如表 3。

3.3.2 统计站点每小时特征值存储过程

由于 Web 端提供了数据查询与统计的功能，再根据以往经验，当数据量系统运行周期较长后，历史表中的数据会较多，在做查询与统计时，Web 端可能需要等待较长时间，降低用户体验，因此把数据进行抽吸。该存储过程的主要思想就是从历史表中查询出一小时的数据，然后进行筛选，筛选方式为取出这一小时内的角度最大的前三个值，分别命名为 a、b、c，计算出这一小时的角度平均值 d，然后分别和平均值求差后得到 e、f、g，在计算 e － f 和 f － g，若前者大，则挑选出 b，若后者大，则挑选出 c，将挑选出的数作为该小时的角度特征值存入按小时统计表中。该存储过程使用数据库作业方式每小时执行一次。

3.4 功能模块设计

该系统主要包括站点地图定位展示功能、实时数据和前一小时数据展示功能、查询与统计功能、查询预警值功能、信息管理功能。

（1）地图展示模块中，采集设备在地图上的位置会以小气泡的形式标注出来，点击小气泡后会显示出站点图片、当前倾角值，并且可以查看到当前站点前一小时的倾角数据曲线图。

（2）查询与统计模块中会以表格和柱状统计图的形式展示，若选取时间大于 31 天，统计图中只会显示出用户所选时间范围内的较大的 31 天以曲线图形式显示。

（3）预警查询模块是用来查询达到预警级别的数据。

（4）信息管理模块中可以进行预警等级的修改、编写发送短信内容、管理短信接收人信息等操作。

（5）集成界面访问门户提供系统访问内容的显示界面，具体见图6。

4 结 语

本系统利用倾角传感器实现了大型户外广告牌匾的实时监测和预警，实现了监测数据实时展示、查询与统计、预警预报，用户信息管理等功能。与传统监管方式相比，系统具有自主性、全天候的特点，在提升监测效率的同时大大节约了人力监测成本。另外，倾角传感器技术主要应用于桥梁、大坝、输电线杆塔以及地质灾害等角度变化监测，在城市管理领域鲜有应用，本研究中的大型广告牌匾监测可以作为一项有益探索。目前，系统已经投入试运行，有些问题已经逐渐显露，例如网站首次登陆的加载时间比较长、信息管理模块中对人员的权限管理还不够全面，虽然可能还会有问题出现，但我相信随着问题的解决，系统还有很大的提升空间。

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