基于Arduino和云端的城市井蓋監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

楊震 徐濤 顧明虎 章平 白婷

摘要：隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，通過物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備能更好地幫助生活的方方面面?；贏rduino和云端的城市井蓋監(jiān)測系統(tǒng)的處理核心是Arduino UNO板，以ESP8266為信息傳輸中介，將傳感器的控制和信息的顯示終端設(shè)置在云端。系統(tǒng)采用“貝殼物聯(lián)”的云平臺，可以實(shí)現(xiàn)對硬件以及傳感器的控制，可以不受距離的限制，這樣城市環(huán)境安全將進(jìn)一步提高。令愛，通過云端可以實(shí)時(shí)監(jiān)控一系列的情況，當(dāng)發(fā)生特殊狀況時(shí)，可以通過云端得到信息，可以快速對事故進(jìn)行處理，極大地減少傷亡事故和經(jīng)濟(jì)損失。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);Arduino;井蓋;城市安全;云端

中圖分類號：TP311? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）27-0068-03

Abstract： With the development of Internet of things technology， Internet of things devices can better help all aspects of life.The processing core of the urban manhole cover monitoring system based on Arduino and cloud is Arduino UNO board. ESP8266 is used as the information transmission intermediary to set the sensor control and information display terminal in the cloud.The system adopts the cloud platform of "shell object connection"， which can realize the control of hardware and sensors and is not limited by distance， so that the urban environmental security will be further improved.Ling ai can monitor a series of situations in real time through the cloud. When special conditions occur， it can get information through the cloud and deal with accidents quickly， greatly reducing casualties and economic losses.

Key words： IoT; Arduino; manhole cover; urban security; cloud

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及5G技術(shù)的發(fā)展，不僅需要讓物與物之間進(jìn)行通信，同時(shí)也要人與物之間溝通也是必須的，這樣能通過物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備能更好地解決生活的方方面面的問題。智慧城市就是通過傳感器檢測外界環(huán)境并且收集和傳輸數(shù)據(jù)，通過將數(shù)據(jù)上傳到云平臺后就可以對獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化的顯示或者處理，將處理后的結(jié)果反饋給設(shè)備端，設(shè)備端實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的動(dòng)作，以到達(dá)智能化、自動(dòng)化的目的，最終達(dá)到智慧的狀態(tài)。

在過去，有不少研究者對于智慧城市有相當(dāng)?shù)难芯?，例如尹功喜對智慧城市中智慧燈桿的運(yùn)用[2]的研究;如何遙對于智慧城市車聯(lián)網(wǎng)[3]的研究;也有如劉晴、張健明等人對城市社區(qū)智慧養(yǎng)老模式的實(shí)現(xiàn)瓶頸的研究[4]完善了對智慧城市具體細(xì)節(jié)的了解。

我們團(tuán)隊(duì)注意到城市街道的井蓋存在很大的安全隱患，例如當(dāng)井蓋被打開傾斜或者發(fā)生井蓋丟失的情況，很可能會對來往行人以及行駛的車輛造成安全事故。另外，城市內(nèi)澇現(xiàn)象也是現(xiàn)代社會面對的迫切問題，對人們的生活和生產(chǎn)環(huán)境都產(chǎn)生了不利的影響。但是由于井蓋分布在城市的各個(gè)角落，數(shù)量龐大，如果只是單純地依靠傳統(tǒng)的人工巡檢或者群眾舉報(bào)，不僅浪費(fèi)人力資源，而且效率低下，從井蓋發(fā)生異常到人工察覺、舉報(bào)并修復(fù)的過程耗時(shí)較長，并在這段時(shí)間內(nèi)還很有可能發(fā)生安全事故，因此，利用現(xiàn)有技術(shù)對普通井蓋的改造是必須的。

在之前也有少研究者對智慧城市的井蓋進(jìn)行研究，例如鄭榮穎提出了基于LoRa技術(shù)的智慧井蓋解決方案[5];郭哲采用ZigBee無線傳輸技術(shù)和紅外測距傳感器來實(shí)時(shí)監(jiān)控和采集數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)對智慧井蓋的網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)[6]等等。基于對上述等研究者的研究成果的分析和理解，團(tuán)隊(duì)采用實(shí)現(xiàn)更簡單、功能更健全的基于Arduino和云端的智慧城市井蓋監(jiān)測系統(tǒng)，專門針對普通井蓋的存在的隱患問題提出了解決方案。

1 技術(shù)原理

Arduino Uno開發(fā)板，是以ATmega328 MCU為主控芯片，擁有14路輸入/輸出引腳、6路模擬輸入引腳，16MH晶振、包括USB接口，電源插座，ICSP接頭以及復(fù)位按鈕。同時(shí)，只需要一條USB數(shù)據(jù)線連接至電腦就可以供電和代碼燒錄。目前，Arduino Uno已成為Arduino主推的產(chǎn)品。項(xiàng)目中了使用的貝殼物聯(lián)云平臺，平臺采用以TCP協(xié)議為主，UDP協(xié)議為輔的形式進(jìn)行通訊，兩種協(xié)議間信息互通。

在TCP協(xié)議的基礎(chǔ)上，直接使用TCP建立長連接，定時(shí)發(fā)送周期性數(shù)據(jù)，保持設(shè)備長時(shí)間在線，在線期間設(shè)備與服務(wù)器以Json字符串格式數(shù)據(jù)進(jìn)行交互，來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新。以UDP協(xié)議為基礎(chǔ)的通訊，設(shè)備可不必保持實(shí)時(shí)在線，只要需要的時(shí)候向服務(wù)器發(fā)送相應(yīng)指令來實(shí)現(xiàn)相關(guān)操作。

該項(xiàng)目主要是由Arduino Uno r3板，通過ESP8266無線模塊，然后由貝殼物聯(lián)提供的API接口，連接上云平臺。Arduino將實(shí)時(shí)采集到的數(shù)據(jù)上傳至平臺，再由平臺進(jìn)行處理，達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測的目的，并將監(jiān)測到的結(jié)果下達(dá)給Arduino板驅(qū)動(dòng)硬件以及通過平臺通知附近的工作人員。達(dá)到數(shù)據(jù)的無線傳輸、遠(yuǎn)程監(jiān)控和檢測的目的。項(xiàng)目結(jié)構(gòu)如圖1所示：

2 項(xiàng)目設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 數(shù)據(jù)采集和控制中樞模塊[7]

本系統(tǒng)采用Arduino Uno3作為中樞控制單元。其提供了供電的USB接口以及桶插座、用于傳輸數(shù)據(jù)的數(shù)字I/0引腳，此外還有微控制器和AREF代表模擬參考接口，可以連接多種類型、多種功能的傳感器來感知周邊環(huán)境，也可以通過控制舵機(jī)、開關(guān)、信息傳輸?shù)确绞椒答伜陀绊懽饔铆h(huán)境。使用Arduino Uno3作為數(shù)據(jù)采集與控制器，可以完全滿足系統(tǒng)中所使用的傾角傳感器、超聲波距離傳感器、舵機(jī)、開關(guān)按鈕、ESP8266模塊等用于將井蓋的實(shí)時(shí)狀態(tài)和水位的變化情況等各種物理數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和反饋情況。

2.2 遠(yuǎn)程水位監(jiān)測模塊

超聲波傳感器是利用超聲波在空氣中的傳播特性制作的一種傳感器，具有方向性好、能夠根據(jù)超聲波的性質(zhì)探測物體間距離等特點(diǎn)。當(dāng)需要監(jiān)測下水道水位的時(shí)候采用Arduino和超聲波傳感器實(shí)現(xiàn)基本可實(shí)現(xiàn)該功能。另外搭載ESP8266無線模塊，通過調(diào)用云平臺提供的接口，將水位狀態(tài)的數(shù)據(jù)上傳到云平臺，實(shí)現(xiàn)水位實(shí)時(shí)監(jiān)測的功能，通過平臺提供的閾值報(bào)警功能的接口，當(dāng)發(fā)生水位過高時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)水位的報(bào)警。如圖2和圖3所示：

2.3 遠(yuǎn)程井蓋狀態(tài)檢測

傾角傳感器又稱作傾斜儀，經(jīng)常用于對系統(tǒng)的水平角度變化測量。采用Arduino和水平傾角傳感器結(jié)合實(shí)現(xiàn)基本的檢測井蓋狀態(tài)的功能，搭載ESP8266無線模塊，通過云平臺提供的接口，將井蓋狀態(tài)的數(shù)據(jù)上傳到云平臺，實(shí)現(xiàn)對井蓋狀態(tài)的監(jiān)測，使用云平臺提供的閾值報(bào)警功能的接口，當(dāng)井蓋發(fā)生傾斜時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)對井蓋狀態(tài)的報(bào)警。如圖4所示：

2.4 遠(yuǎn)程平臺控制

在Arduino Uno3與ESP8266 WIFI模塊結(jié)合的基礎(chǔ)上，在云端會一直讀取WIFI模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)并將收到的信息保存進(jìn)去。用戶可以通過貝殼物聯(lián)的開關(guān)按鈕或者對話窗口控制舵機(jī)，使用舵機(jī)和WIFI模塊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的給井蓋上鎖或者解鎖，當(dāng)通過云端對井蓋控制時(shí)，每次都會端操作人操作的信息的記錄，包括操作的時(shí)間、操作用戶、此時(shí)井蓋的狀態(tài)（開/關(guān)）等。如圖5：

2.5 迅速定位位置

在“貝殼物聯(lián)”云平臺中，給井蓋命名成特定的名稱，例如井蓋1號。這樣當(dāng)某一井蓋在發(fā)生異常情況時(shí)，系統(tǒng)可以快速定位到發(fā)生事件井蓋的位置，及時(shí)安排工作人員趕到現(xiàn)場，展開維修處理措施。它的顯示界面如圖6所示：

3 測試與分析

3.1 ESP8266的透傳設(shè)置[8]

使用USB-TTL模塊連接ESP8266模塊，需要將ESP8266 WIFI模塊燒錄為透傳模式，通過串口依次向ESP8266中燒寫如下指令：

AT->ATE0->AT+RESTOPE->AT+CWMODE=3->AT+CWJAP="YYC"，"12345678"->AT+CIPMUX=0->AT+CIPMODE=1->AT+SAVETRANSLINK=1，"121.42.180.30"，8181，"TCP"。每燒寫一次指令，如果寫入成功，會返回“OK”，這樣esp8266會通過“YYC”網(wǎng)絡(luò)和貝殼物聯(lián)的云平臺連接，并且會“WELCOME TO BIGIOT”。如圖7所示：

3.2 連接云平臺

1）在貝殼物聯(lián)官網(wǎng)上注冊賬號，之后添加智能設(shè)備，系統(tǒng)自動(dòng)生成一個(gè)“ID”和一個(gè)“APIKEY”，系統(tǒng)根據(jù)這兩個(gè)信息來識別設(shè)備。

2）將ESP8266模塊和Arduino Uno連接，通過USB線，使用Arduino IDE編輯代碼、燒寫代碼。在代碼中將“SSID”改為自己設(shè)備的“ID”，“APIKEY”改為自己設(shè)備的“APIKEY”號即可。如圖8所示即可：

4 總結(jié)

使用普通井蓋，無法應(yīng)對突發(fā)狀況迅速做出合適的處理。而該設(shè)計(jì)的系統(tǒng)通過是 Arduino Uno3開發(fā)板，ESP8266 WIFI等模塊，結(jié)合“貝殼物聯(lián)”的云平臺，實(shí)現(xiàn)了對設(shè)備的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控與控制，遠(yuǎn)程控制井蓋的開/關(guān)，其他方式很難打開井蓋，保證安全性。遠(yuǎn)程監(jiān)控水位狀態(tài)和井蓋的狀態(tài)，并有報(bào)警提示功能，讓可以及時(shí)接收到警報(bào)，然后能迅速地采取措施。

智慧城市如今發(fā)展非常迅速，普通的井蓋已經(jīng)不能滿足智慧城市的需求，普通的井蓋一旦發(fā)生故障，很可能就會造成傷亡事故或經(jīng)濟(jì)損失。因此采用這種井蓋系統(tǒng)，城市公路和街道的安全級別將會大大地提高，這樣智慧城市將更細(xì)致化。并且系統(tǒng)和云平臺連接在一起，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的功能，隨著云技術(shù)的發(fā)展，之后云技術(shù)將涉及生活的各個(gè)方面，該作品的功能也更加的全面，加大環(huán)境的安全性。

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【通聯(lián)編輯：梁書】