智慧城市应用场景教学系统

4.7.1、产品概述 智慧城市是使用各种的技术手段尤其是信息技术手段改善城市状况，使城市生活便捷；广义上理解应是尽可能优化整合各种资源，城市规划、建筑让人赏心悦目，让生活在其中的市民可以陶冶性情心情愉快而不是压力，总之是适合人的发展的城市。智慧城市是新一代信息技术支撑、知识社会下一代创新环境下的城市形态。它基于透彻的感知、宽带泛在的互联以及智能融合的应用，构建有利于创新涌现的制度环境与生态，实现以用户创新、开放创新、大众创新、协同创新为特征的以人为本可持续创新，塑造城市公共价值并为生活其间的每一位市民创造独特价值，实现城市与区域可持续发展。可以说，智慧城市就是以智慧的理念规划城市，以智慧的方式建设城市，以智慧的手段管理城市，用智慧的方式发展城市，从而提高城市空间的可达性，使城市更加具有活力和长足的发展。 智慧城市应用系统将真实工业软硬件集成，并实地部署到实验室中，整个系统运用嵌入式、传感与智能控制、移动互联网、云计算、大数据、人工智能等多技术综合融合，满足综合教学创新实践实训、科研需求等，也为智慧产业人才培养、新工科专业建设起着至关重要的作用。 系统主要包括智慧环境（智慧气象、智慧农林）、智慧管网（智慧水务、智慧电网、智慧燃气）、智慧城管（智慧路灯、智慧井盖、垃圾分类、平安城市）、智慧交通（智慧交管、智慧停车、智慧分拣）等软硬件系统，结合智慧中台大数据处理系统，通过高清电子大屏对智慧城市的所有信息数据进行监控、信息展示、数据报表、报警监控。 系统根据实验室场地及内容要求，硬件弹性伸缩实地部署、软件开源开放，配合完善的教学课程，解决嵌入式、传感与智能控制、机器视觉、自然语言处理、工程规划与设计、应用设计与开发、服务器部署与实施等多种课程学习。让学生在真实场景中学、在真实硬件中做、在真实行业应用中研。满足优质工科人才的输出和高水平实践性师资能力的培养。 4.7.2、产品框架 智慧城市系统功能框架如下图所示。 智慧城市系统功能架构主要由基础设施层、基础平台支撑层、应用层和展示层四部分构成。 1）基础设施层 基础设施层包括感知层与网络层两个部分。 感知层由建设智慧城市必须的硬件与软件构成。包括气象站、农业大棚、水灌溉控制、排风控制、水表、电表、燃气表、路灯、广告屏、井盖、垃圾桶、交通沙盘、红绿灯、交通标识、智能车、车牌、机械臂等各系统所需的传感器与控制器。 网络层为感知层提供数据通讯链路，方式包括无线传感网络（Zigbee、WiFi、LoRa、NB-IOT）异构汇聚数据，以及使用互联网、有线/无线网、4G/5G接入IoT云平台及云数据中心。 2）基础平台支撑层 基础平台支撑层也可称为平台层。包含建设智慧城市必须的ICT软硬件设施。其中服务器、网络、GPU服务器、数据大屏、IoT异构网关，AI边缘计算网关等硬件配合IoT云平台、云数据中心、AI算力平台、智慧数据中台等软件完成平台层功能支撑。 3）应用层 应用层结合嵌入式、传感与智能控制、移动互联网、云计算、大数据、人工智能等技术融合，以智慧环境（智慧气象系统、智慧农林系统）、智慧管网（智慧水务系统、智慧电网系统、智慧燃气系统）、智慧城管（智慧路灯系统、智慧井盖系统、垃圾分类系统、平安城市系统）、智慧交通（智慧交管系统、智慧停车系统、智慧分拣系统）、智慧中台（系统用户总览、用户数据总览、数据可视化）等系统场景为重要入口和节点，展示智慧城市的技术应用及技术趋势。 智慧管网以数字化水电气数据的基础上，以数据统一、感知交互可视、系统融合互联，预测预警为特征，通过端+云+大数据体系架构实现感知、预判、管控的能力。 智慧城管以智慧路灯、垃圾分类为核心，结合人工智能与IOT技术，为城市管理、民生服务提供支撑，包括照明、充电、广告、安防监控，垃圾自动分类提醒等。 智慧交通以智能车、摄像头、ROS机械臂为硬件载体，运用人工智能、机器视觉、ROS系统、IOT技术，配合交通场景、停车场景、货物分拣场景，实现无人驾驶、红绿灯识别、交通标识识别、车牌识别等系统功能，构建未来智慧交通无人驾驶、智慧道路、智慧停车等研创场景。 4）展示层 展示层基于移动终端、PC电脑、数据大屏等前端展示界面，以各系统应用展示及使用为目标，可视化显示智慧城市所有的设备状态信息、传感数据、报警数据、控制执行、数据趋势及预测等。 4.7.3、产品特色 1）工业级产业应用场景 智慧城市系统将真实工业软硬件集成，并实地部署到实验室中，整个系统运用嵌入式、传感与智能控制、移动互联网、云计算、大数据、人工智能等多技术综合融合，提供了包括智慧环境（智慧气象、智慧农林）、智慧管网（智慧水务、智慧电网、智慧燃气）、智慧城管（智慧路灯、智慧井盖、垃圾分类、平安城市）、智慧交通（智慧交管、智慧停车、智慧分拣）等软硬件系统，结合智慧中台大数据处理系统，满足综合教学创新实践实训、科研需求等，也为智慧产业人才培养、新工科专业建设起着至关重要的作用。 2）多场景、多应用，数据可视化 智慧城市系统提供大数据处理的基础能力技术，如集数据采集、数据存储、数据计算、数据安全等等基础功能。还包含建设数据中台的一系列工具（离线或实时数据研发工具、数据联通工具等）。通过高清电子大屏对智慧城市的所有信息数据进行监控和信息展示，通过大数据可视化系统进行实时的数据报表和报警监控。 系统获取整套成智慧城市设备数据及状态，结合数据分析，采用数据可视化技术，通过图表、图形、地图等视觉元素，将设备状态展现出来，从而通过图形去表达数据和信息。通过数据可视化大屏系统，可直观查询查看智慧城市相关设备设施运行状态，可对设备设施告警事件进行直观定位。 3）课程配套、循序渐进，多方向教学 整个系统运用嵌入式、传感与智能控制、移动互联网、云计算、大数据、人工智能等多技术综合融合，硬件弹性伸缩实地部署、软件开源开放，配合完善的教学课程，满足综合教学创新实践实训、科研需求等，解决嵌入式、传感与智能控制、机器视觉、自然语言处理、工程规划与设计、应用设计与开发、服务器部署与实施等多种课程学习。让学生在真实场景中学、在真实硬件中做、在真实行业应用中研。 配套基础课程《传感与控制器原理与应用》、《无线传感网络》、《Android应用开发》、《Python基础》、《机器视觉OpenCV》、《深度学习与Tensorlow》、《PyQt5 GUI应用开发》、《自然语言处理》、《Ros机械臂控制与应用》等。 配套项目型实践课程《智慧城市系统工程概要设计》、《智慧城市系统工程规划设计》、《智慧城市系统工程应用设计》、《智慧城市人工智能技术应用》。 4）虚拟仿真配套教学，虚实结合 智慧城市系统中采用的智能节点、异构网关、传感与控制器等硬件与配套虚拟仿真软件一致。 仿真系统采用三维动画仿真技术，可仿真原理演示、实验电路搭建调试、实验操作运行演示等功能，清晰易于理解掌握。通过更好的沉浸式体验，避免用户操作真实性的问题。使用户在实验、物联网工程布线、开发应用等真实场景中，得心应手。 虚拟仿真系统中里每个器材（网关，无线网关、节点，传感器，控制器，调试线、仿真器等）均按照真实的硬件设备1:1进行缩放，建立3D模型。 综合例程实操过程中，均采用3D模型及3D场景中拖拽控件，同时支持线路（电源、仿真器、传感器接线等）动态验证，轻松掌握工业级传感器接线、配置、组网技术。 结合以上技术特点，充分满足线上课程、实操、考核、比赛等要求。从而解决了因为疫情等原因，无法线下开课、考核、比赛等重要问题。 4.7.4、各系统软硬件介绍 （1）智慧环境 智慧气象： 一体化气象站高度集成了多种气象监测要素，提高了监测精度的同时，还节省了大量的气象设备维护工作。隐藏式探头设计，面对雨雪天气，可以更好的应对雨雪的干扰，让气象站的监测精度有了更大的保障。将一体化气象站、其他传感器、摄像头等模块与无线传感器网络、物联网技术、云计算等技术进行融合，我们就可以快速的搭建出基于智慧城市的智慧气象系统。 智慧气象系统主要基于传感器/执行器、智能节点、智能网关、云服务器等硬件设备进行软件开发，由智能节点采集温湿度、光照、大气压力、空气质量、风速、风向、噪声、雨雪等气象数据，然后智能节点通过无线传感网将数据传递给智能网关，网关提供本地服务同时将数据发送至云平台，用户可以通过APP或Web方式（数据大屏）连接本地或云平台的服务程序进行交互。 智慧农林： 智慧农林系统集成农业大棚沙盘，采用长宽全透明效果，密封全防护设计，重点体现内部设备及传感器。配套侧部自然通风系统、水循环喷灌系统、照明系统等。水循环喷灌系统使用潜水泵、储水池、上下水管、喷头等实现真实水喷灌效果。配合土壤温湿度、土壤PH、土壤盐分、光照强度、二氧化碳等传感器。将传感及自动控制硬件模块、无线传感器网络、云计算等技术进行融合，配套数据可视化大屏。 智慧农林系统包含环境监测、农林控制、户外监测、棚内外数据对比、历史数据等内容及应用展示。 （2）智慧管网 智慧水务 智慧水务系统包含用水量检测、水温监测（趋势）、水质监测、历史数据等内容及应用展示。水循环及水监测沙盘作为系统硬件主体，采用内外观察窗的形式，长宽全透明设计，可直观观测水循环水表（用水量）变化、水质变化等现象，满足教学需求。系统实时采集水质PH、水温、水质溶氧量、氨氮浓度、水质浊度、水位、水量等数据用于监测水体环境。 智慧燃气： 智慧燃气系统，主要由智能燃气表、燃气传感器、燃气电磁阀、风扇等传感控制等器件组成。在通过智能燃气表及时采集记录燃气用量的同时，通过燃气传感器实时监测燃气是否泄露的状态。一旦发现燃气泄露，马上自动关闭燃气阀，并及时通过风扇将燃气排出室外。 智慧电网： 智能电网系统由多个电表组成。分表安装在不同的子系统中，如智慧路灯、智慧交管、平安城市等系统中。总表与分表分别监测整个智慧城市项目用电情况（电压、电流、功率、频率、电能、功率因数）。将传感及自动控制技术、无线传感器网络、云计算等技术进行融合，搭建智慧电网系统，通过后台的数据分析进行自动调节和控制。 智慧电网系统包含用电量大数据、电量能耗、分表智慧电力数据等内容及应用展示。 （3）智慧城管 智慧路灯： 路灯作为城市中分布最为密集且均匀的信息基础设施，在智慧城市、5G建设的推动下，将逐步由单一照明功能变成新型智慧路灯。通过物联网、人工智能和大数据等新技术将数据汇聚至云数据中心。智慧路灯将作为物联网的端口，为城市大数据提供支撑。 智慧路灯包含智慧照明（环境智能、照明控制）、安防智能报警、电量能耗、智慧安防监控、智慧充电、智慧交互屏等功能及应用展示。 智慧井盖： 智慧井盖系统它对路面上每一个井盖的远程可视化监控、控制、管理和维护；一旦井盖发生破损、振动、位移或水位过高侵漫等状况，能实时向后台报送信息，确保路面井盖状况始终可控，从而保障城市管井功能运转正常，最终保障行人和车辆安全。 智慧井盖井体采用一体翻盖式设计，内置姿态检测传感器，提供井盖开合、位移、角度等数据实时监测。井盖角度在应用中，提供三维应用展示。内置水位传感器，与智慧水务共用水沙盘模型水缸，提供井内水位的实时监测。 垃圾分类： 随着我国社会经济的高速发展和人口不断剧增，城市人口每天会产生大量的生活垃圾。垃圾未经分类就回收或者任意丢弃都会造成环境污染。垃圾分类的意义在于提升垃圾的利用率，提升资源转化率，保护环境。 智慧垃圾桶按照新四分类垃圾分类标准，即可回收垃圾、有害垃圾、厨余垃圾、其他垃圾。采用机器视觉对垃圾进行分类，可通过自训练模型或百度AI进行识别分类，语音用提醒垃圾回收。垃圾桶内结合传感器，对桶内垃圾重量、垃圾容余数据的实时监测。建立基于AIOT+垃圾分类的一体化系统。 平安城市： 智能平安城市系统中一般需要实时采集视频监控、GPS定位、安防、报警等数据用于监测整个城市运行状态。将这些数据的监测与无线传感器网络、物联网技术、云计算等技术进行融合，我们就可以快速的搭建出基于物联网的智慧平安城市系统，除了实现远程智能对城市监测，还可以利用人工智能、大数据分析等技术进一步处理数据，为城市管理和决策提供数据支撑。 智慧平安城市系统主要基于传感器/执行器、智能节点、智能网关、云服务器等硬件设备进行软件开发，由智能节点采集燃气、烟雾、经度、纬度、红外对射、门禁卡号等平安城市数据并能控制电磁锁开关，然后智能节点通过无线传感网将数据传递给智能网关，网关提供本地服务同时将数据发送至云平台，用户可以通过APP或Web方式连接本地或云平台的服务程序进行交互。 （4）智慧交通 系统采用较为真实的交通应用场景模拟，包含道路、停车场、交通灯、交通标识，拍照系统、公交站牌、智能搬运、语音播报等，主要结合人工智能机器视觉、语音识别、语音合成、RFID技术、传感器技术、嵌入式编程控制系统、Android、WEB云平台软件等设计的AIOT实训系统，学生通过系统了解人工智能与物联网技术在交通系统的应用和开发流程，即可用于实训系统应用演示，又支持教学实践开发，提习兴趣。 1）提供智能机器视觉、路径规划、自动驾驶、智能搬运分拣等自动智能驾驶框架，为教学实践提供案例。 2）智能机器视觉：视觉通过摄像头感知完成图像处理，基于深度学习和Yolo-V4目标检测模型训练与部署，实时实现摄像头视频采集、分析与识别。 3）路径规划：基于ROS雷达导航、机器视觉技术，运用自主规划路径等算法实现智能导航。内置的路径规划算法，设计路线和行驶规则。 4）地图绘制：基于ROS雷达、测距雷达技术，SLAM建图技术的融合，实现场景地图电子地图的构建及车辆定位。 5）基于以上技术及实现，实现智慧交管系统人车协同、智慧停车管理系统车路协同、智慧分拣系统车物协同等功能。 智慧交管： 基于城市路口交通场景的地图，实现无人车实时定位、红绿灯管控、实时摄像头交通标识拍照、识别及显示。 智慧停车： 基于城市路口交通场景及智慧停车场的交通场景地图，实现无人车停车调度应用场景，能够实时查看停车场车位信息，并自动停车。 智慧分拣： 基于智慧分拣的地图，实现无人车自动识别货物种类，自动抓取货物，并送达分拣区域。 4.7.5、智慧中台 智慧中台为智慧城市提供大数据处理的基础能力技术，如集数据采集、数据存储、数据计算、数据安全等等基础功能。还包含建设数据中台的一系列工具,如离线或实时数据研发工具、数据联通工具、标签计算工具、算法平台工具、数据服务工具及自助分析工具。作为智慧城市的中台系统，通过高清电子大屏对智慧城市的所有信息数据进行监控和信息展示，通过大数据可视化系统进行实时的数据报表和报警监控。 （1）用户系统总览（数据大屏） 1）整体要求 系统获取整套成智慧城市设备数据及状态，结合数据分析，采用数据可视化技术，通过图表、图形、地图等视觉元素，将设备状态展现出来，从而通过图形去表达数据和信息。通过数据可视化大屏系统，可直观查询查看智慧城市相关设备设施运行状态，可对设备设施告警事件进行直观定位。 2）项目信息 结合项目定位模块及后台项目信息，在数据大屏3D地图中展现项目所在位置，在信息中展现项目名称、联系人、产品SN、所属院校等信息。 3）联网设备统计 统计整个智慧城市项目中，设备接入总数、网关数量、节点数量、传感器数量、执行器数量等关键数据。使用饼图展示设备在线率（在线、离线数据）。可直观查看整体项目设备设施运行状态。 4）报警统计 统计整个智慧城市项目中，报警设备产生报警数量关键数据，包括在线设备、报警设备、已处理报警设备、未处理报警设备等。使用进度百分比直观展示设备异常报警率（在线设备、报警设备）。其中报警设备必须在IOT后台中，进行权限处理，从而对报警信息进行直观定位。 5）数据存储统计 统计整个智慧城市项目中，所有数据存储情况，以日存储量、月存储量、总存储量等关键数据进行展示。可直观掌握智慧城市整套系统运行中，每日、每月的数据存储大小，数据包括传感器数据、报警数据等。 6）项目组织列表 通过树状列表，形象展示智慧城市项目，各个子系统网关设备与各节点设备拓扑状态。直观掌握系统组织架构。 （2）系统数据监控（数据大屏） 1）整体要求 系统获取整套成智慧城市设备实时数据、摄像头视频数据、历史数据，结合数据分析及搜索查询功能，以列表及图形的形式，将设备数据展现出来，从而通过图形去表达数据和信息。 2）实时数据 采用列表滚动形式，实时展现智慧城市系统中，所有硬件设备实时数据，包含正常传感数据及报警数据。亦可通过搜索查询功能，具体查看相关设备数据。 3）历史数据 采用曲线或折线图的形式，结合数据源选择、数据变量选择、数据时间选择，在数据大屏中直观展示智慧城市系统中相关设备传感器历史数据。 4）设备拓扑 采用灵活拖动形式，形象展示智慧城市项目，各个子系统网关设备与各节点设备拓扑状态。直观掌握系统组织架构。 5）视频监控 在数据大屏中，接入智慧城市系统中各系统智能摄像机，采用node.js+jsmpeg将摄像头rtsp流转换达到在web页面实时播放，实现多摄像头视频同时监控。 （3）系统数据大屏（数据大屏） 包含智慧环境、智慧管网、智慧城管、智慧交通数据大屏。相关功能及介绍详见参数“数据可视化”部分。 4.7.6、教学实验资源 （1）课程概述 本课程主要以案例方式进行驱动，对智慧城市中的智慧环境、智慧管网、智慧城管、智慧交通四大系统进行的认知和学习。既能帮助学生直观的体验和感受智慧城市的功能，拓宽学生视野。还能了解智慧城市的系统架构以及系统内运用的各项技术和知识体系，包括嵌入式、物联网、移动互联网、云计算、大数据、人工智能等技术综合应用方式。通过工程概要设计、工程规划设计、工程应用设计和人工智能技术应用等课程，我们可以掌握智慧气象、智慧农林、智慧水务、智慧电网、智慧燃气、智慧灯杆、智慧井盖、垃圾分类、平安城市、智慧交管、智慧停车等子系统完成开发和设计方法。非常适合大学本科、大学专科、高职等院校进行基于智慧城市的认知体验课程或者进行综合实训课程。 智慧城市平台课程包括《智慧城市工程概要设计》、《智慧城市工程规划设计》、《智慧城市工程应用设计》和《智慧城市人工智能应用》等课程。以下大纲按照本科标准四年的项目实践设计，高职院校根据学科及学时特点，可酌情对课程内容做适当删减。 （2）智慧城市系统工程概要设计 本课程主要是完成智慧城市系统工程概要设计，即为了智慧城市中智慧气象、智慧农林、智慧水务、智慧电网、智慧燃气、智慧灯杆、智慧井盖、垃圾分类、平安城市、智慧交管、智慧停车等子系统项目目标的实现，对系统各个方面进行定性和定量的分析，拟订一套有效的处理方法和步骤，并以文字或图表等形式展现。主要是完成架构设计、软硬件功能设计、硬件选型、无线网络选择和通信协议制定等部分的内容，为后续底层功能设计及应用程序开发做好准备。