李 猛 郭 城 張俊杰 吳凱軍 林學(xué)志 王偉海

（蚌埠學(xué)院計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，安徽 蚌埠 233000）

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市化進(jìn)程在不斷加快，人們的生活質(zhì)量也在不斷提高。經(jīng)過多年發(fā)展，我國(guó)城市地下管網(wǎng)系統(tǒng)具有分布范圍廣、類型復(fù)雜等特點(diǎn)?，F(xiàn)階段，我國(guó)各個(gè)城市對(duì)管網(wǎng)的維護(hù)仍然比較滯后，采取的是效率低的人工巡檢方式，從而造成很多安全隱患。

首先，國(guó)內(nèi)城市地下管網(wǎng)事故頻發(fā)，如井蓋損毀、遺失等現(xiàn)象較為常見，這不僅破壞城市市容，還會(huì)造成安全隱患［1］。由于一些城市地下管網(wǎng)的維護(hù)不及時(shí)，從而造成車輛發(fā)生交通事故等，甚至“井蓋吃人”事件頻發(fā)，嚴(yán)重威脅居民的人身安全。此外，由于地下管網(wǎng)維護(hù)不及時(shí)，導(dǎo)致井內(nèi)有毒氣體的含量不斷增加，工作人員中毒身亡的事件也時(shí)有發(fā)生。其次，城市道路規(guī)劃對(duì)地下管網(wǎng)的分布也有影響，管網(wǎng)布局分散、環(huán)境錯(cuò)綜復(fù)雜、管道種類多樣、管理維護(hù)存在缺失等問題導(dǎo)致城市地下管網(wǎng)的維護(hù)難度在不斷增大，維護(hù)效率卻在逐漸降低。再次，城市內(nèi)澇問題也會(huì)影響地下管網(wǎng)的安全，若下水道中的垃圾過多，雨水過大時(shí)容易造成堵塞，導(dǎo)致泄洪能力不足或井蓋上浮，危害行人安全。

隨著5G 技術(shù)的發(fā)展，世界通信行業(yè)也迎來了新的“高潮”。5G 技術(shù)與智慧城市相融合，能夠快速推進(jìn)智慧城市的建設(shè)和發(fā)展。而傳統(tǒng)的市政公共設(shè)施管理模式已無法滿足智慧城市的發(fā)展需求。本研究基于集成式傳感模塊與NB-IoT 技術(shù)，設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的城市井蓋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)地下管網(wǎng)井蓋的精確定位、實(shí)時(shí)信息監(jiān)測(cè)、有毒氣體的檢測(cè)以及水位數(shù)據(jù)的展示等。當(dāng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)到異常時(shí)會(huì)觸發(fā)警戒裝置，從而及時(shí)消除安全隱患。

1 需求分析與系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

1.1 需求分析

在日常生活中，經(jīng)常有某市下水道爆炸、井蓋翹起或丟失的新聞報(bào)道，而這些事件發(fā)生的原因也是多種多樣的。目前，城市地下管網(wǎng)的管理存在著許多問題，雖然投入了大量的人力、物力，但卻收效甚微。例如，井蓋丟失或移位后，維修人員無法及時(shí)準(zhǔn)確地找到問題井；城市地脈因其性質(zhì)不同而被劃分到多個(gè)部門進(jìn)行管理，這就導(dǎo)致無法在第一時(shí)間解決問題。根據(jù)目前城市地下管網(wǎng)管理現(xiàn)狀，本研究設(shè)計(jì)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的城市井蓋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠解決3 個(gè)問題：①系統(tǒng)在監(jiān)測(cè)到井蓋數(shù)據(jù)異常時(shí)會(huì)自動(dòng)報(bào)警，會(huì)在第一時(shí)間將數(shù)據(jù)信息發(fā)送至OneNet 平臺(tái)，并在前端顯示出來，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)地下管網(wǎng)的精準(zhǔn)定位；②井內(nèi)數(shù)據(jù)顯示異常時(shí)，根據(jù)井內(nèi)數(shù)據(jù)及時(shí)做出應(yīng)對(duì)策略，確保能在第一時(shí)間解決問題；③對(duì)地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，對(duì)頻發(fā)事故做出預(yù)案調(diào)整。

1.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

本研究所設(shè)計(jì)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)視域下的城市井蓋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是對(duì)城市地下管網(wǎng)進(jìn)行智能監(jiān)管，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到城市地下管網(wǎng)監(jiān)測(cè)中，降低危險(xiǎn)事故發(fā)生的頻率，該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單、智能集成度高，在很大程度上能減少此類事故的發(fā)生概率。該系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集、終端傳輸、用戶應(yīng)用構(gòu)成，系統(tǒng)框架圖見圖1。

圖1 系統(tǒng)框架圖

2 整體設(shè)計(jì)及硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

本研究設(shè)計(jì)的城市井蓋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括后臺(tái)工作人員管理系統(tǒng)、井蓋定位模塊、甲烷檢測(cè)模塊、水位檢測(cè)模塊以及基于NB-IoT 技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸模塊，系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框架圖如圖2 所示。各模塊節(jié)點(diǎn)可通過STM32單片機(jī)對(duì)井蓋進(jìn)行狀態(tài)檢測(cè)，通過水位傳感器對(duì)水位進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過甲烷傳感器對(duì)井內(nèi)甲烷氣體進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，MEMS 陀螺儀可對(duì)井蓋的移位、浮動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)井蓋的防盜功能。集成式傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過NB-IoT 技術(shù)上傳到城市井蓋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中。管理人員可通過系統(tǒng)后臺(tái)數(shù)據(jù)來了解井蓋狀態(tài)，并處理警情，實(shí)現(xiàn)對(duì)城市地下管網(wǎng)的智能化管理。

圖2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框架圖

2.2 控制單元選型

本研究設(shè)計(jì)的城市井蓋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以NB-IoT 為無線通信模塊，由于該模塊只消耗帶寬，可直接部署于多種網(wǎng)絡(luò)中，具有很好的延展性，可降低部署成本，實(shí)現(xiàn)平滑升級(jí)。NB-IoT的電路圖如圖3所示。

圖3 NB-IoT電路圖

控制單元與STM32 芯片對(duì)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)有很強(qiáng)的兼容性，在加入PSM 功能后，此模式的終端耗流在3 μA 左右，在一定程度上節(jié)省功耗，使設(shè)備的使用時(shí)間更長(zhǎng)?？刂茊卧С?、1、2 三個(gè)覆蓋增強(qiáng)等級(jí)（CE Level），分別對(duì)應(yīng)可對(duì)抗144 dB、154 dB、164 dB的信號(hào)衰減，相比GSM和LTE提高了20 dB，覆蓋面積提升了100倍，同等條件下NB-IoT能提供更深的覆蓋。同時(shí)，控制單元會(huì)根據(jù)后臺(tái)發(fā)送的操作指令進(jìn)行智能工作，在地下管網(wǎng)一切正常時(shí)會(huì)進(jìn)入低功耗狀態(tài)，等待后臺(tái)指令的喚醒。

2.3 傳感器模塊設(shè)計(jì)

該模塊在設(shè)計(jì)時(shí)要遵循節(jié)能降耗的原則，所選擇的電路模塊與傳感器模塊均為功耗相對(duì)較低且采集傳輸功能較為穩(wěn)定的產(chǎn)品。

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)選用MPM489W 液位變送器作為水位傳感器，MPM489W 液位變送器是一種全密封潛入式液位測(cè)量?jī)x表［2］。該變送器將OEM 壓力傳感器及高精度的變送器專用電路封裝到一個(gè)不銹鋼的殼體中，其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和信號(hào)采集標(biāo)準(zhǔn)體系為本研究提供了更全面的支撐。

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)選用TGS3870 傳感器作為甲烷傳感器，該傳感器體積小、功耗低，且對(duì)甲烷、一氧化碳的選擇性好、靈敏度高，對(duì)乙醇蒸氣的靈敏度低，使用壽命長(zhǎng)，且成本低。其采用載體催化元件作為檢測(cè)元件，產(chǎn)生一個(gè)與甲烷含量成比例的微弱信號(hào)，在經(jīng)過多級(jí)放大電路放大后產(chǎn)生一個(gè)輸出信號(hào)，并將該信號(hào)送入單片機(jī)片STM32 的A/D 轉(zhuǎn)換輸入口，將此模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)［3］。然后單片機(jī)對(duì)此信號(hào)進(jìn)行處理，并顯示出來。當(dāng)氣體中有害氣體的濃度超過設(shè)定的閾值時(shí)會(huì)觸發(fā)報(bào)警功能，并對(duì)管道進(jìn)行疏導(dǎo)，避免地脈井發(fā)生爆炸。

為防止井蓋出現(xiàn)翹起、移位、丟失等現(xiàn)象，本研究對(duì)井蓋進(jìn)行特殊處理。微電機(jī)（MEMS）陀螺儀可用于檢測(cè)井蓋翹起的角度，并通過STM32 模塊將當(dāng)前井蓋狀態(tài)及時(shí)上傳到系統(tǒng)。微電機(jī)陀螺儀是通過對(duì)固定指施加電壓，并交替改變電壓，讓一個(gè)質(zhì)量塊做振蕩式來回運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生科里奧利加速度，此時(shí)就可對(duì)其進(jìn)行測(cè)量。微電機(jī)陀螺儀可精準(zhǔn)感測(cè)自由空間中復(fù)雜的移動(dòng)動(dòng)作，因此，本研究采用陀螺儀微電機(jī)作為追蹤物體移動(dòng)方位與旋轉(zhuǎn)動(dòng)作的運(yùn)動(dòng)傳感器。與加速器、電子羅盤不同的是，微電機(jī)陀螺儀不用借助任何外力（如重力或磁場(chǎng)等）就能夠自主發(fā)揮功能，并可通過微電機(jī)陀螺儀來實(shí)現(xiàn)定位功能，在一定程度上節(jié)省資源。

2.4 集成硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的硬件部分可分為3 個(gè)模塊：可燃?xì)怏w數(shù)據(jù)采集模塊、井蓋位置傳輸系統(tǒng)、水位監(jiān)測(cè)模塊，每個(gè)模塊都由STM32 單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取。將三個(gè)模塊采集到的數(shù)據(jù)信息通過NB-IoT 技術(shù)和基站上傳到城市井蓋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，管理人員可實(shí)時(shí)查看數(shù)據(jù)，并對(duì)故障進(jìn)行排除。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件圖如圖4所示。

圖4 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件圖

本研究設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)以下5個(gè)功能。

①設(shè)備健康監(jiān)測(cè)。當(dāng)傳感器上傳的數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時(shí)，會(huì)觸發(fā)后臺(tái)報(bào)警裝置，平臺(tái)會(huì)根據(jù)當(dāng)前的警情進(jìn)行分類，并通知工作人員排除故障。同時(shí)，各檢測(cè)設(shè)備自身的狀態(tài)信息也會(huì)定時(shí)上傳到后臺(tái)，包括設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、是否短路、信號(hào)閾值等信息，以此來判斷設(shè)備是否健康。

②設(shè)備定位。每個(gè)井蓋都有用來標(biāo)明位置的獨(dú)立編號(hào)，在安裝時(shí)會(huì)將位置信息錄入到系統(tǒng)中，從而能夠精準(zhǔn)定位各井蓋的位置，根據(jù)劃分的不同級(jí)別來判斷異常點(diǎn)位，并按照設(shè)備功能、設(shè)備健康狀態(tài)、設(shè)備編號(hào)等進(jìn)行過濾篩選。

③設(shè)備報(bào)警。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定的閾值，并結(jié)合傳感器上傳的異常數(shù)據(jù)，從而觸發(fā)不同類別的報(bào)警，如水位異常導(dǎo)致井蓋浮沉、甲烷濃度超標(biāo)、井蓋異常開啟或移位、設(shè)備信息故障或丟失、電壓過低等，通過發(fā)出報(bào)警信息來通知管理人員及時(shí)進(jìn)行搶修。

④管網(wǎng)維護(hù)模塊。設(shè)備異常時(shí)會(huì)觸發(fā)報(bào)警裝置，并將相關(guān)信息發(fā)送給管理人員，管理人員根據(jù)具體情況來啟動(dòng)搶修流程，通知維護(hù)人員進(jìn)行設(shè)備搶修工作。由于系統(tǒng)集成了定位模塊，可大大降低排查難度。

⑤管網(wǎng)數(shù)據(jù)分析。對(duì)集成傳感器上傳到后臺(tái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析處理，生成可視化分析影像，用來分析近期事故頻發(fā)的原因，及時(shí)對(duì)策略進(jìn)行調(diào)整。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件概述

本研究選用Java 語言、MySQL 和Spring 框架對(duì)系統(tǒng)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，并結(jié)合OneNet 中國(guó)移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)，構(gòu)建集井蓋位置數(shù)據(jù)、井內(nèi)水位監(jiān)測(cè)信息、井內(nèi)氣體監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為一體的數(shù)據(jù)管理平臺(tái)。后臺(tái)權(quán)限為超級(jí)管理員，通過設(shè)備健康監(jiān)測(cè)管理功能可實(shí)現(xiàn)對(duì)當(dāng)前城市地下管網(wǎng)的環(huán)境信息動(dòng)態(tài)掌握。

3.2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)架構(gòu)

3.2.1 平臺(tái)使用前后端分離技術(shù)，后臺(tái)負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)PC 端登錄登出、權(quán)限管理、數(shù)據(jù)列表地圖顯示、數(shù)據(jù)報(bào)警、消息推送等功能［4］。后臺(tái)框架基于SpringBoot、MyBatis、Maven 的聚合項(xiàng)目，數(shù)據(jù)庫選用MySQL 數(shù)據(jù)庫，開發(fā)環(huán)境為IntelliJ IDEA。本研究選擇的技術(shù)框架可大大減少代碼的數(shù)量，從而提高運(yùn)行效率。相比于早期的Jsp、Servlet 技術(shù)，SpingBoot 框架的代碼復(fù)雜度較低，且SpringBoot內(nèi)置的Tomcat 不用再重新配置，可減少XML 頁面代碼的數(shù)量，從而減輕項(xiàng)目搭建的壓力。持久層選擇MyBatis 作為支持，在持久化、高級(jí)映射、存儲(chǔ)及SQL 上更便捷。作為當(dāng)前主流的輕量級(jí)數(shù)據(jù)庫，MySQL數(shù)據(jù)庫可毫無壓力運(yùn)行千萬行數(shù)據(jù)，其性能在各方面都超越同類開源數(shù)據(jù)庫軟件，且其體積小、易配置、集群效果也非常好。

3.2.2 前端采用Vue.js 進(jìn)行組件化開發(fā)，使代碼編寫量大大減少。Vue 最突出的優(yōu)勢(shì)是可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行雙向綁定，其頁面響應(yīng)效果是響應(yīng)式的，這使得網(wǎng)頁的顯示效果非常好。相比傳統(tǒng)的頁面，Vue 使用的路由方式不會(huì)刷新頁面。為了增強(qiáng)用戶的交互性，平臺(tái)結(jié)合ELement UI 進(jìn)行拔插式開發(fā)，平臺(tái)總體設(shè)計(jì)采用流式布局，業(yè)務(wù)框架可分為頂部菜單欄、左側(cè)菜單欄以及頁面顯示區(qū)。菜單欄可根據(jù)用戶的不同權(quán)限來顯示不同的功能信息。頁面之間的數(shù)據(jù)傳輸選擇axios通信協(xié)議，組件之間的跳轉(zhuǎn)以路由的方式進(jìn)行，用戶訪問頁面時(shí)，路由會(huì)根據(jù)用戶攜帶的Token進(jìn)行比對(duì)，如果比對(duì)成功，則執(zhí)行相應(yīng)的操作，否則將返回Message信息，提示用戶操作失敗。本研究設(shè)計(jì)的系統(tǒng)采用前后端分離模式進(jìn)行開發(fā)，數(shù)據(jù)傳輸采用axios 通信協(xié)議，文檔接口采用Swagger 進(jìn)行比對(duì)，并通過組件將內(nèi)容的雙向綁定回顯到前端。系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)架構(gòu)圖

3.3 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)視域下的城市井蓋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

城市井蓋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用Web 與服務(wù)器相結(jié)合的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)庫采用MySQL 數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)服務(wù)端以SpringBoot 為主體框架、Mybatis 為持久層框架。地脈監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)可視化的主要依據(jù)，在整個(gè)項(xiàng)目中發(fā)揮著重要作用，采用超文本傳輸協(xié)議（HTTP 協(xié)議）作為連接服務(wù)器的通信協(xié)議，這是因?yàn)樵诰W(wǎng)絡(luò)環(huán)境中超文本傳輸協(xié)議傳輸速度快、可用性強(qiáng)，能夠?qū)⒉杉降臄?shù)據(jù)及時(shí)傳送到地脈監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中。管理系統(tǒng)可分為井蓋管理、系統(tǒng)管理、可燃?xì)怏w管理、位置信息查詢、水位管理、地脈數(shù)據(jù)匯總等模塊。系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

3.3.1 井蓋管理模塊。對(duì)每個(gè)井蓋進(jìn)行特殊處理，在節(jié)約環(huán)保的基礎(chǔ)上，每個(gè)井蓋都增加微電機(jī)陀螺儀，用于檢測(cè)井蓋翹起的角度，可通過STM32 單片機(jī)將當(dāng)前井蓋的狀態(tài)及時(shí)上傳到系統(tǒng)［5］。且每個(gè)井蓋都有獨(dú)立的ID 編號(hào)，方便后期維護(hù)。

3.3.2 可燃?xì)怏w管理模塊。本研究采用TGS3870 傳感器作為檢測(cè)甲烷的傳感器，系統(tǒng)可對(duì)城市內(nèi)的地下管網(wǎng)中甲烷氣體的濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并根據(jù)設(shè)定的閾值對(duì)當(dāng)前管網(wǎng)狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，當(dāng)濃度超過閾值界限時(shí)會(huì)立即發(fā)出報(bào)警信息，通知工作人員進(jìn)行處理。

3.3.3 水位管理模塊。本研究采用MPM489W液位變送器作為液位傳感器，系統(tǒng)根據(jù)MPM489W液位變送器上傳的數(shù)據(jù)及時(shí)作出判斷，該模塊在下雨天發(fā)揮著重要作用。

3.3.4 城市地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)匯總模塊。該模塊主要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的各類情況進(jìn)行匯總，并將其分為日視圖、周視圖、月視圖及往期數(shù)據(jù)4 個(gè)視圖層，可對(duì)城市地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效記錄和管理。

4 產(chǎn)品測(cè)試與應(yīng)用

將制作好的產(chǎn)品放在井蓋下30 cm 處，對(duì)井內(nèi)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并對(duì)地下管網(wǎng)進(jìn)行編號(hào)，將采集到的數(shù)據(jù)及時(shí)上傳到云服務(wù)平臺(tái)，并將云服務(wù)平臺(tái)接入到消防內(nèi)網(wǎng)或相關(guān)部門內(nèi)網(wǎng)。然后進(jìn)行大數(shù)據(jù)可視化顯示，若管網(wǎng)內(nèi)的數(shù)據(jù)或井蓋出現(xiàn)異常，將會(huì)觸發(fā)自動(dòng)報(bào)警功能，并通知相關(guān)人員第一時(shí)間進(jìn)行處理。同時(shí)，要對(duì)井蓋進(jìn)行加工處理，強(qiáng)化井蓋的牢固度。內(nèi)部人員可通過登錄PC 端或移動(dòng)端實(shí)時(shí)查看各種數(shù)據(jù)，一旦發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)，就會(huì)以彈窗加警報(bào)的方式通知工作人員。產(chǎn)品測(cè)試如圖7至圖9所示。

圖7 產(chǎn)品測(cè)試圖

圖8 設(shè)備狀態(tài)圖

圖9 模塊連接圖

5 結(jié)語

由于城市地下管網(wǎng)的安全問題頻發(fā)，本研究結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)及嵌入式技術(shù)，在NB-IoT 技術(shù)與STM32單片機(jī)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一套城市地脈監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在一定程度上解決了城市地下管網(wǎng)存在的安全隱患，降低地脈事故發(fā)生的頻率。