鄧三星，陳趙，李克強，薛國陽，楊蒙蒙

（1.黃河交通學院，河南焦作，454950；2.焦作市智能機器人工程技術(shù)研究中心，河南焦作，454950）

0 引言

近年來，全國各大城市都有因為下水道氣體成分超標而引發(fā)爆炸等嚴重事故的發(fā)生。由于缺乏下水道信息監(jiān)測，而導致下水道工人意外窒息死亡以及井蓋爆炸的事故時有發(fā)生[1～3]。

本設(shè)計以ESP8266 單片機為主控芯片，利用GSM 模塊進行通信，井下環(huán)境監(jiān)測通過采用可燃氣體傳感器檢測可燃氣體濃度，電容式液位傳感器檢測井下液位，采用陀螺儀傳感器檢測井蓋開合姿態(tài)，可進行實時監(jiān)測，預防氣體爆炸、污水溢出、井蓋異位所引起的事故。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

■1.1 設(shè)計思路

主控制單元采集各個傳感器信息，通過與設(shè)定閾值對比，判斷是否超過硬件設(shè)定閾值，并將傳感器實時數(shù)值上傳云端（若超過閾值則發(fā)出報警信號），云端經(jīng)過分析計算，再次判斷傳感器信息是否超過軟件設(shè)定閾值，若超過閾值，則通過手機短信和釘釘消息提醒管理員。

智能井蓋監(jiān)測系統(tǒng)主要由傳感器(環(huán)境信息采集裝置)、通信模塊和控制芯片三部分組成，其中傳感器用來測量下水道氣體各成分的濃度參數(shù)[4]；通信模塊是負責與GPRS 網(wǎng)絡(luò)進行通信的組件，用于傳送各種需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，實現(xiàn)與其他設(shè)備或系統(tǒng)的遠程通信；控制單元接收來自傳感器、執(zhí)行器等部件的輸入信息，并根據(jù)預定的邏輯和算法進行處理和判斷，并可以對系統(tǒng)進行監(jiān)控和控制，以確保系統(tǒng)的正常運行和穩(wěn)定性。

在通信模塊和控制單元之間，存在著密切的協(xié)作關(guān)系。通信模塊負責與外部網(wǎng)絡(luò)進行通信，將采集到的數(shù)據(jù)傳送給控制單元，并將控制指令發(fā)送給相應的執(zhí)行器?？刂茊卧獎t根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)和指令，進行邏輯判斷和計算，然后生成控制指令，并通過通信模塊傳送給外部設(shè)備。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

■1.2 技術(shù)原理

智能井蓋控制系統(tǒng)由主控芯片ESP8266 獲取多個傳感器數(shù)值，通過MQTT 協(xié)議將數(shù)據(jù)上傳云端，云端服務器接收到智能井蓋傳輸?shù)臄?shù)據(jù)后，進行數(shù)據(jù)的處理與存儲，包括數(shù)據(jù)的解析、校驗、篩選，將數(shù)據(jù)按照設(shè)定的規(guī)則進行存儲和管理，并與設(shè)定閾值進行對比[5]。管理員可以設(shè)置可燃氣體參數(shù)閾值，一旦井蓋上傳的數(shù)據(jù)達到或超過設(shè)定的閾值，云端系統(tǒng)將觸發(fā)報警機制，發(fā)送報警信息給管理員，提醒其注意異常情況從而實現(xiàn)井下環(huán)境監(jiān)測。智能井蓋技術(shù)基于傳感器數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、云端數(shù)據(jù)處理與存儲、閾值設(shè)定與報警機制以及遠程管理與控制，實現(xiàn)了對井蓋狀態(tài)的實時監(jiān)測、報警提醒和遠程管理，提高了城市管理的效率和安全。

■1.2.1MQTT 協(xié)議

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）是 一種消息傳輸協(xié)議，用于連接受限的設(shè)備和低帶寬、不可靠的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。MQTT 協(xié)議廣泛應用于物聯(lián)網(wǎng)（IoT）領(lǐng)域，例如傳感器數(shù)據(jù)的采集與傳輸、遠程設(shè)備管理、實時監(jiān)控和控制等場景。它提供了一種高效可靠的消息通信機制，使得物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和系統(tǒng)能夠方便地進行異步數(shù)據(jù)交換和遠程控制。

■1.2.2 井蓋姿態(tài)解算——卡爾曼濾波算法

卡爾曼濾波算法（Kalman Filter）是一種用于估計系統(tǒng)狀態(tài)的遞歸濾波算法，基于系統(tǒng)的動態(tài)模型和觀測模型，通過遞歸地更新狀態(tài)估計值和協(xié)方差矩陣來進行系統(tǒng)狀態(tài)的準確估計[6]。它的主要思想是將先驗估計和測量結(jié)果進行加權(quán)平均，得到更準確的后驗估計，并同時考慮了測量誤差和系統(tǒng)動態(tài)的不確定性，常用于處理帶有噪聲和不確定性的動態(tài)系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

■2.1 可燃氣體檢測模塊電路設(shè)計

可燃氣體檢測傳感器選用MQ-9 可燃氣體傳感器，它基于電化學原理，通過氧化還原反應檢測環(huán)境中的可燃氣體濃度，是一種常用的氣體傳感器模塊，主要用于檢測空氣中的可燃氣體濃度[7]。它包含一個敏感元件，由金屬氧

化物和半導體材料組成。其測量范圍包括可燃氣體濃度的百萬分比。該傳感器對可燃氣體的檢測敏感，能夠提供更準確的測量結(jié)果。模塊電路圖設(shè)計如圖2 所示。

圖2 可燃氣體檢測模塊電路

■2.2 井蓋姿態(tài)檢測模塊電路設(shè)計

井蓋姿態(tài)檢測選用MPU6050 六軸陀螺儀，它采用MEMS 技術(shù)，具有較高的測量精度和穩(wěn)定性，同時采用數(shù)字信號輸出，功耗較低，可以提供準確可靠的測量結(jié)果。MPU6050 六軸陀螺儀模塊廣泛應用于飛行器、機器人、虛擬現(xiàn)實、運動追蹤等領(lǐng)域。它可以實時監(jiān)測物體的姿態(tài)和運動狀態(tài)，為相關(guān)應用提供重要的數(shù)據(jù)支持。本設(shè)計中采用卡爾曼濾波算法對陀螺儀進行姿態(tài)解算[8]，從而得出井蓋姿態(tài)數(shù)據(jù)，模塊電路圖如圖3 所示。

圖3 井蓋姿態(tài)檢測模塊電路

■2.3 ESP8266 主控

ESP8266 開發(fā)板是一款基于ESP8266 芯片的嵌入式開發(fā)板，它集成了WiFi 模塊和微控制器，可以方便地實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)、智能家居、遠程監(jiān)控等應用。本設(shè)計中只將其作為主控芯片使用，配合GSM 模塊進行通信，并沒有應用它的WiFi 功能，在后續(xù)的使用中，可根據(jù)實際使用環(huán)境，可將其設(shè)置為STA 模式，連接WiFi 代替或配合GSM 模塊進行通信。

■2.4 GSM 模塊

GSM（Global System for Mobile Communications）模塊是一種用于移動通信的無線通信模塊，可以實現(xiàn)基于GSM 網(wǎng)絡(luò)的語音和數(shù)據(jù)通信，可以提供遠程控制、數(shù)據(jù)傳輸、警報等功能，廣泛應用于車載監(jiān)控、智能家居、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域。GSM 模塊電路圖如圖4所示。

圖4 GSM 模塊電路圖

3 軟件流程設(shè)計

系統(tǒng)上電以后，ESP8266 進行開機自檢，接入GSM 網(wǎng)絡(luò)并判斷，初始化各傳感器，讀取傳感器數(shù)據(jù)進行判斷，隨后上傳云端進行閾值判斷，在達到設(shè)定閾值時，可進行現(xiàn)場蜂鳴器報警、網(wǎng)頁APP 端報警，以及發(fā)送短消息報警等功能。軟件流程圖如圖5 所示。

圖5 軟件流程圖

■3.1 系統(tǒng)功能驗證

通過硬件和軟件的設(shè)計，智能井蓋系統(tǒng)能夠正確測量井下可燃氣體濃度數(shù)值，傳感器將采集到的數(shù)據(jù)通過MQTT協(xié)議上傳云端，云端接收數(shù)據(jù)，進行分析處理，生成實時報表。系統(tǒng)可設(shè)定授權(quán)兩個具有密碼保護的釘釘機器人和兩名手機用戶，在采樣超標時，云端可以發(fā)出報警信號，并將超標的狀態(tài)分別通過釘釘機器人發(fā)送到釘釘群組，同時通過手機短消息發(fā)送到手機用戶。系統(tǒng)的實物圖和報警提示效果圖如圖6、圖7 所示。

圖6 系統(tǒng)實物圖

圖7 釘釘機器人報警提示圖

■3.2 后臺監(jiān)測

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)由井下環(huán)境檢測裝置和后臺監(jiān)測系統(tǒng)所構(gòu)成。檢測裝置負責實時可燃氣體濃度、井蓋姿態(tài)等各項運行指標檢測，輸出井下環(huán)境狀態(tài)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。后臺監(jiān)測系統(tǒng)采集線上接收到的數(shù)據(jù)，進行復雜的邏輯處理，從而得到系統(tǒng)的運行狀態(tài)并進行信息預警。

3.2.1 監(jiān)測顯示界面

如圖8 所示，后臺監(jiān)控系統(tǒng)可以顯示所管理范圍內(nèi)每個井蓋的狀態(tài)（開合、可燃氣體濃度、閾值超標情況等），并進行歸納統(tǒng)計，做出設(shè)備運行狀態(tài)、設(shè)備正常率等詳細情況，將它們集中在一起顯示。

圖8 監(jiān)測顯示界面

3.2.2 預警界面

在預警界面可以手動設(shè)置可燃氣體報警閾值，以及井蓋位姿移動是否需要報警，也可對其報警狀態(tài)、響應類型、通知方式進行設(shè)置。

■3.3 可燃氣體傳感器濃度測試

針對甲烷、一氧化碳等混合可燃氣體，對本系統(tǒng)進行測試實驗。系統(tǒng)測試工作電壓為直流5V，測試環(huán)境溫度18℃～20℃。對比工業(yè)可燃氣體檢測儀檢測的濃度數(shù)據(jù)，從而驗證系統(tǒng)對可燃氣體濃度檢測的準確性，以及系統(tǒng)對姿態(tài)變化做出的響應時間等，并確保其能夠準確地檢測和報警。檢測結(jié)果如表1 所示。

表1 可燃氣體濃度檢測對比

在測試過程中，該系統(tǒng)表現(xiàn)出良好性能，可以準確地檢測出可燃氣體并進行報警，對可燃氣體泄漏事件做出及時響應。不同可燃氣體濃度情況下，該系統(tǒng)對可燃氣體濃度的檢測保持在1.5%誤差范圍內(nèi)，系統(tǒng)符合預期設(shè)計要求。

4 總結(jié)

本文完成了智能井蓋控制系統(tǒng)的設(shè)計，該智能井蓋可獲取傳感器精確數(shù)值并上傳云端，在達到設(shè)定閾值時會提醒管理員，實現(xiàn)實時監(jiān)控、報警的功能。

實現(xiàn)的主要功能如下：

（1）傳感器數(shù)據(jù)采集：可燃氣體傳感器、井蓋姿態(tài)傳感器的數(shù)據(jù)解算，可以準確采集環(huán)境數(shù)據(jù)。

（2）數(shù)據(jù)上傳云端：智能井蓋通過網(wǎng)絡(luò)連接，將傳感器采集到的數(shù)據(jù)上傳至云端服務器，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時存儲和處理。

（3）遠程管理和控制：管理員可以通過使用手機應用或電腦等終端設(shè)備，隨時遠程管理和控制智能井蓋，包括查看實時數(shù)據(jù)、設(shè)置閾值、接收報警信息等功能。

本文設(shè)計的智能井蓋控制系統(tǒng)，可以廣泛應用于各種復雜氣候和地勢的地區(qū)，提供可靠的實時監(jiān)控和報警功能，可以幫助管理人員及時掌握井蓋狀態(tài)并采取必要的措施，提高井蓋管理的效率和安全性。