龐啟明，吳有龍，楊 娟，梁楷博，汪韜涵，何 淼，朱禹杭，卓 沖

（1.金陵科技學(xué)院 電子信息工程學(xué)院，江蘇 南京 211169；2.南京師范大學(xué) 計(jì)算機(jī)與電子信息學(xué)院，江蘇 南京 210023；3.金陵科技學(xué)院 智能科學(xué)與控制工程學(xué)院，江蘇 南京 211169）

0 引 言

近年來，智慧城市建設(shè)發(fā)展十分迅速，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)持續(xù)進(jìn)行，窨井蓋作為城市建設(shè)中不可缺少的一部分，其數(shù)量也在不斷增多，但是數(shù)量龐大的窨井蓋存在著管理方式落后、井蓋狀態(tài)難以確認(rèn)、易遭偷竊和定位難等問題[1-2]。當(dāng)今城市化程度越來越高，人們對(duì)于安全的重視程度也越來越高。然而傳統(tǒng)的窨井蓋功能過于單一，僅用于排水，能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)周圍環(huán)境的窨井蓋較少。如果能將窨井蓋的基本排水功能和氣體、水深檢測(cè)結(jié)合起來，則能夠進(jìn)一步保障行人的安全以及檢修人員的管理并提高其工作效率。

國(guó)內(nèi)目前有許多關(guān)于窨井蓋管理智能化的研究。例如郭金鵬等人[3]利用NB-IoT 實(shí)現(xiàn)井蓋數(shù)據(jù)定期上傳以監(jiān)控井蓋狀態(tài)，并由此應(yīng)對(duì)井蓋管理難的問題。為了解決井蓋狀態(tài)信息獲取困難的問題，李澥等人[4]設(shè)計(jì)了利用微控制器和數(shù)據(jù)采集模塊獲取井蓋數(shù)據(jù)的智能井蓋管理系統(tǒng)；車亞進(jìn)[5]利用云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了智能井蓋系統(tǒng)的智能化、數(shù)字化。以上研究提供了數(shù)據(jù)獲取和傳輸?shù)乃悸?。?guó)外也有許多相關(guān)研究，Rasheed等人[6]利用IoT進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，建立了井蓋監(jiān)控系統(tǒng)；Mattheuwsen等人[7]設(shè)計(jì)的井蓋定位系統(tǒng)提供了定位井蓋的新思路。

為了方便管理人員管理窨井蓋，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井蓋周圍環(huán)境顯得十分重要。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的基于北斗定位的智慧城市窨井蓋安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠在井蓋基本功能完整情況下有效觀察井蓋周圍情況，方便人員管理[8]。在一些特殊環(huán)境下，如存在有害氣體的環(huán)境下，未被允許而將窨井蓋移位時(shí)，窨井蓋能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)井蓋周圍情況，并由4G 模塊傳輸信息[9-10]至網(wǎng)頁端同時(shí)發(fā)出報(bào)警，當(dāng)監(jiān)管人員收到信息后可及時(shí)前往維護(hù)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于北斗定位的智慧城市窨井蓋全自動(dòng)安全系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。該系統(tǒng)硬件部分是搭載有傳感器的STM32單片機(jī)，通過壓力傳感器檢測(cè)井蓋上方的水深數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)，窨井蓋實(shí)時(shí)將位置信息和水深信息通過4G 通信模塊發(fā)送給服務(wù)器，工作人員可通過網(wǎng)頁端查看窨井蓋對(duì)應(yīng)的信息。當(dāng)存在異常情況時(shí)，窨井蓋會(huì)發(fā)出報(bào)警，同時(shí)向網(wǎng)頁端進(jìn)行同步報(bào)警，管理人員收到消息后及時(shí)進(jìn)行搶修。

智能窨井蓋共有4 個(gè)部分：總控模塊，負(fù)責(zé)獲取井蓋周圍環(huán)境數(shù)據(jù)并與總控模塊進(jìn)行通信；報(bào)警模塊，負(fù)責(zé)發(fā)出聲音報(bào)警；通信模塊：負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的傳輸；網(wǎng)頁端主要具有信息顯示功能，將智能窨井蓋收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合顯示。

2 相關(guān)技術(shù)

2.1 STM32 控制板

STM32 控制板上電后首先對(duì)4G 模塊進(jìn)行初始化處理，通過串口發(fā)送指令對(duì)4G 模塊進(jìn)行初始化，再對(duì)其進(jìn)行判斷，若成功則進(jìn)行下一步操作，反之，則重新進(jìn)行初始化。接著啟動(dòng)壓力傳感器，將壓力傳感器的相關(guān)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，依據(jù)算法得出深度，通過4G 模塊發(fā)送到服務(wù)器并存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中，之后壓力傳感器暫停工作，待到設(shè)定間隔時(shí)間結(jié)束繼續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集分析上傳。

2.2 4G 通信技術(shù)

4G 通信技術(shù)較好地保留了用戶信息甄別、傳輸、使用、存儲(chǔ)的完整性和可靠性。該技術(shù)是更加穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，能夠更加迅速便捷地傳輸數(shù)據(jù)，功能也更趨多樣化。EC20 4G模塊的優(yōu)勢(shì)有網(wǎng)絡(luò)協(xié)議豐富、工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口集成度高、支持多種驅(qū)動(dòng)和軟件功能，較為符合窨井蓋安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的要求。

2.3 EMQ 與MQTT 協(xié)議

EMQ 為開源物聯(lián)網(wǎng)MQTT 消息代理服務(wù)。EMQ 為IoT、M2M、智能硬件和移動(dòng)消息傳遞應(yīng)用程序提供MQTT代理，物聯(lián)網(wǎng)、M2M 傳感器和執(zhí)行器可以通過EMQ 代理連接，這些代理收集傳感器數(shù)據(jù)并同時(shí)流式傳輸?shù)礁鱾€(gè)后端，可將各傳感器數(shù)據(jù)通過EMQ 進(jìn)行傳輸，大大提升可操作性。

MQTT 是一種輕量級(jí)的通信協(xié)議，建立于TCP/IP 協(xié)議之上，可以憑借極少代碼以及有限帶寬為遠(yuǎn)程設(shè)備提供實(shí)時(shí)穩(wěn)定的消息服務(wù)，滿足系統(tǒng)對(duì)于輕量化的要求。

2.4 北斗衛(wèi)星定位技術(shù)

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于精度高、覆蓋范圍廣，作為我國(guó)自主搭建的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是全球第四個(gè)體系較為完整的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，其有3 個(gè)組成部分，分別為空間、地面、用戶；可在全球范圍內(nèi)全天為用戶提供定位、導(dǎo)航、授時(shí)服務(wù)，可準(zhǔn)確定位本系統(tǒng)中窨井蓋的位置，符合本系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

2.5 壓力傳感器

MS5837-30BA 壓力傳感器使用I2C 接口，其有較高的分辨率，能夠在窨井蓋上方有積水時(shí)采集窨井蓋上方水壓數(shù)據(jù)，并通過I2C 接口傳遞給STM32，再根據(jù)一定算法測(cè)得水深。其小巧的體積能夠很好地與窨井蓋結(jié)合且不影響人員從上方通行，與系統(tǒng)整體適配程度較高。

2.6 角速度傳感器

JY61P 模塊能夠滿足不同場(chǎng)景的應(yīng)用，快速解算出該場(chǎng)景下模塊的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，有著高性能的微處理器和先進(jìn)算法，較為契合對(duì)姿態(tài)解算靈敏度較高的窨井蓋安全系統(tǒng)。該模塊支持多種連接方式，如串口和I2C 兩種數(shù)字接口。此外，較小的模塊能夠在各種環(huán)境中正常運(yùn)作。與窨井蓋結(jié)合后，能夠在井蓋異常翻動(dòng)時(shí)給出響應(yīng)。JY61P 模塊內(nèi)部在等待一定時(shí)間后會(huì)自動(dòng)校準(zhǔn)，且會(huì)根據(jù)算法進(jìn)行自動(dòng)計(jì)算。

2.7 激光測(cè)距傳感器

WT53R-TTL 激光測(cè)距傳感器采用了金屬外殼和防水設(shè)計(jì)，能夠適應(yīng)井蓋下較為潮濕的環(huán)境。傳感器也自帶硬件報(bào)警功能，可以使用上位機(jī)設(shè)置報(bào)警距離，當(dāng)傳感器測(cè)量距離小于報(bào)警閾值，報(bào)警線會(huì)觸發(fā)報(bào)警電平，與窨井蓋結(jié)合能夠在設(shè)置閾值后有效監(jiān)測(cè)井下水位。

2.8 氣體傳感器

二氧化錫對(duì)可燃?xì)怏w較為敏感，其在較少可燃?xì)怏w的空氣中電導(dǎo)率較低，作為MQ 氣體傳感器的氣敏材料能夠較好地監(jiān)測(cè)窨井蓋周圍的燃?xì)夂俊．?dāng)傳感器所處的環(huán)境中可燃?xì)怏w含量增大時(shí)，氣敏材料的電導(dǎo)率也會(huì)隨著可燃?xì)怏w濃度升高而增大。該模塊能夠檢測(cè)窨井蓋內(nèi)部危害氣體含量，并將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)化為該氣體濃度相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)。

2.9 硬件電路

系統(tǒng)的硬件總體設(shè)計(jì)如圖2所示。硬件連接方面采取STM32 作為主控芯片，通過串口4 連接WT53R 激光測(cè)距模塊，串口3 連接JY61P 角速度加速度傳感器模塊，串口2 連接4G 通信模塊，通過I2C 連接MS5837 壓力傳感器模塊。

圖2 硬件電路設(shè)計(jì)框圖

STM32 單片機(jī)供電后先進(jìn)行初始化操作，將4G 模塊及各個(gè)傳感器模塊進(jìn)行初始化；初始化結(jié)束后，系統(tǒng)開始工作并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。通過4G 模塊，將各傳感器模塊采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到阿里云平臺(tái)。硬件實(shí)物連接如圖3所示。

圖3 硬件實(shí)物連接

3 功能闡述

3.1 窨井蓋功能

窨井蓋配有采集數(shù)據(jù)的模塊，并按照設(shè)定時(shí)間進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。當(dāng)窨井蓋移動(dòng)速率異常、窨井蓋周圍含有有害氣體成分超標(biāo)或窨井蓋上方和下方水位超過預(yù)期設(shè)定范圍時(shí)，報(bào)警模塊將會(huì)進(jìn)行報(bào)警并向服務(wù)器傳遞相關(guān)信息。

3.2 管理員功能

系統(tǒng)擁有登錄界面及管理界面，管理人員登錄后可進(jìn)入管理界面，在井蓋管理界面中管理員可在后臺(tái)設(shè)置窨井蓋移動(dòng)速率正常范圍、窨井蓋周圍有害氣體成分含量閾值或窨井蓋上方和下方水位的預(yù)定范圍。此外，在該界面中管理員也可對(duì)傳遞到服務(wù)器的報(bào)警信息進(jìn)行響應(yīng)，能夠更快速地根據(jù)窨井蓋的定位信息對(duì)窨井蓋進(jìn)行維護(hù)。

同時(shí)，部分模塊若長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，則電量消耗過大，管理員可以在該頁面設(shè)置壓感、氣體等模塊的工作頻率，以減少電量消耗。

系統(tǒng)的網(wǎng)頁端除井蓋管理頁以外，還顯示井蓋的各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息，如圖4所示為井蓋的外部環(huán)境信息的展示。通過北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)，管理員可在網(wǎng)頁端獲取到井蓋的實(shí)時(shí)位置信息。

圖4 網(wǎng)頁端實(shí)時(shí)查看井蓋信息

4 結(jié) 語

目前隨著我國(guó)城市化速度加快，井蓋的數(shù)量也越來越多。作為組成路面不可缺少的一部分，井蓋對(duì)于行人的安全一直都不容忽視。但是現(xiàn)有窨井蓋的功能太過單一，還存在雨天排水困難、難以檢修、丟失后反饋時(shí)間長(zhǎng)的弊端，給行人的日常出行造成了極大不便和安全隱患。智慧窨井蓋在傳統(tǒng)窨井蓋的基礎(chǔ)上，對(duì)窨井蓋周圍環(huán)境的水深、氣體成分進(jìn)行測(cè)定，并可以在網(wǎng)頁上實(shí)時(shí)顯示窨井蓋周圍環(huán)境狀況及窨井蓋自身狀態(tài)，在更大程度上便于管理人員管理，保護(hù)行人出行安全。

注：本文通訊作者為吳有龍。