基于物聯(lián)網的智能井蓋的設計與應用

張宏偉 孫影

摘 要：隨著城市智慧化的日益完善以及物聯(lián)網技術發(fā)展，對井蓋的智能化提出了更高的要求，該智能井蓋通過下位機的相關傳感器采集多種重要數據，如果采集到的任何數值有異常，井蓋可以實現報警功能，同時通過無線通信模塊將檢測數據傳輸至上位機的監(jiān)控系統(tǒng)，工作人員會根據上位機的數據來判斷井蓋的現狀并做出相應的舉措，這樣就可以監(jiān)測到每個井蓋的實時數據，根據顯示井蓋的問題，工作人員判斷是否需要派人去維修或者更換。

關鍵詞：智能井蓋;監(jiān)控;傳感器

引言

伴隨著我們國家基本設施建設事業(yè)的日益發(fā)展，各種類型的公共設施也越來越多，這樣地下管道設備也日漸增多，與之配套的井蓋也會不斷增加[1]。這些井蓋的安全問題以及管理問題日漸突出，比如由于井蓋的年限多、老化嚴重、磨損嚴重等等;比如由于管理不好，使得部分井蓋被偷盜，這樣就造成了傷人、損車等事件的屢次發(fā)生，對人們的出行安全造成了很大的影響，同時對城市的智慧化也造成了嚴重的影響。該設計采用多種傳感器集于一身，采集井蓋的傾角、井內甲烷濃度、溫度、水位數據進行采集，根據這些數據是否異常來判斷是否需要進行報警，同時對每一個井蓋進行編碼，將采集到的數據以及井蓋的編碼通過無線通信模塊傳遞到上位機的終端，管理人員可以監(jiān)控系統(tǒng)來確定問題井蓋的位置以及出現什么問題，進一步判斷井蓋需要維修還是更換。通過在井蓋內部安裝傾角傳感器來監(jiān)控井蓋狀態(tài)，根據不同要求加裝如在燃氣井蓋下安裝甲烷傳感器，雨水井蓋下安裝超聲波水位傳感器，電力井蓋下安裝溫度傳感器從而達到對井內狀態(tài)監(jiān)控，如果這些數據異常，報警電路就會發(fā)出聲光警報，然后通過傳輸模塊將這些數據傳輸至終端的系統(tǒng)中，這樣上位機的管理人員也會知道井蓋的實時數據，這樣就能夠實現對井蓋的大面積監(jiān)測，同時通過開發(fā)研究智能井蓋的管理系統(tǒng)，減少管理成本，提高維護效率，保護市民出行安全，對發(fā)展和建設智慧城市有一定的幫助，同時能夠提高人們生活的幸福指數

1 智能井蓋的設計方案

智能井蓋監(jiān)測系統(tǒng)將多種傳感器理人員能夠實時監(jiān)測以及確定井蓋的位置。采用氣體傳感器來檢測井內有毒有害氣體是否超過標準;采用超聲波傳感器檢測井內水位的情況;采用溫濕度傳感器檢測井內的溫濕度是否滿足要求;采用姿態(tài)傳感器檢測井蓋是否移位和被盜;采用定位傳感器來確定井蓋的位置，采集到的這些數據如果有異常，井蓋內部設置報警電路進行報警，提醒人們或車輛井蓋異常請注意避讓，同時將數據傳輸至管理人員，管理人員進一步判斷井蓋的情況，如果需要維修或者更換，工作人員可以根據定位模塊迅速準確的找到問題井蓋，這樣就能夠有效地彌補人員巡查管理的不足，提高了工作效率、減少了工作量該智能井蓋系統(tǒng)采用STM32F103芯片作為主控芯片，它具有豐富的國產技術文檔以及詳細的原理、還具有基礎傳感器的大多數的電路圖、價格低廉、功率非常低等等一系列的優(yōu)點，這些優(yōu)點能夠滿足該系統(tǒng)需要的所有功能;該系統(tǒng)中的氣體傳感器選擇MH-742B型號的可燃氣體傳感器，這一個通用型智能紅外氣體傳感器，它可以對井蓋內的可燃氣體、氧氣、硫化氫等氣體濃度進行監(jiān)測，工作人員可以根據顯示的數值來判斷井蓋內是否安全，這樣極大的保護了工作人員的人身安全。該氣體傳感器擦劑到的數據通過無線傳輸模塊將井蓋內部的氣體含量等情況傳輸至上位機的監(jiān)控系統(tǒng)中，如果監(jiān)控的氣體濃度過高的時候，井蓋會發(fā)生報警同時監(jiān)控系統(tǒng)也會提示工作人員具體井蓋的氣體含量的情況。由于井蓋下需要監(jiān)測的氣體不止一種而是多種有毒有害氣體，所以采用的模塊中必須整合多個高精度智能氣體傳感器的模組合，采用這樣的模塊組合能夠檢測多種氣體，使井蓋內的有毒有害氣體沒有辦法傷害下井的工作人員，這樣就為智慧城市、智慧工廠、城市地下管廊等的環(huán)境系統(tǒng)監(jiān)測提供了有效可靠的保證;該系統(tǒng)中的姿態(tài)傳感器采用MPU6050型號的傳感器，井蓋傾斜角度的變化用此傳感器來檢測，根據井蓋的傾斜角度來判斷井蓋只是松動了還是被開啟了，這樣可以判斷井蓋的現狀進而使工作人員做出相應的反應。該傳感器是利用陀螺儀模塊實現的，這個傳感器精度高，能夠檢測的角度變化范圍也是很小的，可以檢測角加速度和加速度這樣兩個功能，采用常用的通信協(xié)議，操作簡單。我們在使用這個傳感器的時候，可以將它貼在井蓋上面，如果人們或者車輛經過井蓋的時候，井蓋可能發(fā)生了微小的角度變換，那么認為井蓋松動了，如果井蓋被人撬起來的時候，井蓋將會發(fā)生了較大的角度變換，此時就認為井蓋被盜了，此時井蓋會發(fā)生報警。同時將井蓋檢測到的數據傳至上位機的監(jiān)控系統(tǒng)中，不管哪種情況，如果井蓋傾斜的角度大于30°時，我們認為此時井蓋被抬起，即可能被偷盜;如果井蓋傾斜的角度在-5°～5°之間波動不斷的時候，我們認為此時井蓋為松動，需要工作人員進一步做出相應的判斷，調取周圍井蓋的監(jiān)控查看到底是哪一種情況，這樣就可以防止井蓋被盜給人們和車輛造成傷害，如果井蓋松動過度，需要派人去維修，以免發(fā)生危險;該系統(tǒng)采用地磁傳感器來檢測車輛的通行情況，實現車流量監(jiān)測功能該傳感器可以精確地探測出周圍的磁場情況，當附近有車輛經過的時候，車輛就會對地磁場產生干擾，該模塊就會檢測到磁場發(fā)生一定的變化，這樣的話就能夠檢測車輛是否經過井蓋，根據經過車輛的多少來判斷一下井蓋的材料等相關信息。該系統(tǒng)的超聲波傳感器可以采用型號為MB7066傳感器，利用超聲波在空氣中傳播，當傳感器發(fā)射超聲波之后，若該超聲波遇到阻礙物以后發(fā)射回來，傳感器接收發(fā)射回來的超聲波，通過這個時間差，利用發(fā)射和接收的時間差以及超聲波在空氣中的傳播速度計算發(fā)射點到障礙物的實際距離。該傳感器檢測到的實際距離的大小直接反映了井下水位的變化情況，用該傳感器來檢測井內的水位情況，根據水位的高度來看一下井內的積水程度，然后根據積水程度的大小判斷是否堵塞以及堵塞的程度，如果情況超過設定值，井蓋將會報警，同時人們根據上位機系統(tǒng)的水位檢測端來觀察一下是否需要派人維修以及是否關閉報警信號，如果積水嚴重就需要派人維修。溫濕度傳感器采用LM35DZ型號的傳感器，在井蓋內側的邊緣安裝溫濕度傳感器，用該傳感器來監(jiān)測地表溫度和濕度的情況，將監(jiān)測的狀況傳輸至上位機的監(jiān)控系統(tǒng)，工作人員根據該傳感器來監(jiān)測地表溫度和濕度的情況，反映出天氣的情況，然后判斷是否要做出相應的具體措施。當下雨天濕度較高或者路面積水通過井蓋邊緣滲入的時候，傳感器檢測到的濕度值超過設定值，井蓋會報警，同時監(jiān)控系統(tǒng)會提示工作人員哪一個井蓋積水嚴重，然后工作人員做出相應的舉措。該系統(tǒng)中采用GPS進行井蓋定位，這樣方便工作人員準確找到問題井蓋的位置智能井蓋的設計方案中，下位機通過相關的傳感器采集數據，根據數據是否異常選擇井蓋是否報警，根據數據報警保證不發(fā)生意外事故，同時將采集到的數據通過無線傳輸模塊將數據傳至上位機的監(jiān)控系統(tǒng)中，然后工作人員可以實時監(jiān)控下位機的數據并做出相應的應對方案。下位機的傳感器主要有溫濕度傳感器、氣體傳感器、GPS傳感器、地磁傳感器、姿態(tài)傳感器和超聲波測距模塊，傳感器采集數據傳至上位機，再對這些數據進行分析，從而得到井蓋目前的工作狀態(tài)。該智能井蓋通過單片機和傳感器相結合的方式，將采集數據傳輸至監(jiān)控系統(tǒng)，工作人員可以實時了解每一個井蓋的狀態(tài)，達到了有效和全面監(jiān)控井蓋的目的。

2 智能井蓋的應用

在城市中，給水、排水、燃氣、熱力、電力、通信等各類市政的公用設施日益增加和完善。為了滿足井蓋的維護和安全的需要，人們需要定時的檢查井蓋的狀況，傳統(tǒng)的井蓋存在很多的問題，比如井蓋數量多、分布范圍廣，并且屬于不同的區(qū)域，管理難度很大等等，這樣就存在沒有來得及井蓋維護、不知道井蓋實時狀態(tài)等問題，對人們和車輛的安全造成嚴重的影響，還會有井蓋維護成本高，效率低等問題。因此為了維護人民的安全、提高人們的工作效率。在智慧城市中，井蓋的智能化是不可缺少的一部分，因此開發(fā)和研究智能井蓋的上位機和下位機系統(tǒng)，減少管理成本，提高維護效率，保護市民的出行安全，是助力智慧城市的發(fā)展建設必不可少的一部分。由于人工智能、大數據分析技術和物聯(lián)網技術的迅速發(fā)展，人們對便捷的、高效的生活方式要求更高，因此建設智慧城市、智慧道路等智能化的基礎設施是未來城市的趨勢。傳統(tǒng)的井蓋以及管理模式已經無法跟上智能設施的步伐，所以傳統(tǒng)的井蓋必將被智能化的管理模式代替。搭建基于氣體傳感器、姿態(tài)傳感器、超聲波水位傳感器、溫度傳感器、地磁傳感器和GPS傳感器等于一身的智能井蓋數據采集系統(tǒng)，將采集到的數據通過無線傳輸的模式傳至監(jiān)控系統(tǒng)中，人們在平臺上能夠實時掌握監(jiān)控井蓋的狀態(tài)，當監(jiān)測的數據發(fā)生異常的時候，比如井蓋的傾斜角度太大、井內水位太高、井內有害氣體含量有時候可能會太高、某些地區(qū)的溫濕度太大等情況，傳感器檢測到這些數據之后，井蓋的報警系統(tǒng)發(fā)出報警信號之后，同時將這些異常的狀況傳遞到上位機的工作人員，工作人員發(fā)現這些異常情況，然后根據定位模塊快速準確的找到問題井蓋，讓工作人員迅速準時達到現場，這樣不僅可以節(jié)約工作人員的工作時間，同時可以減小工作人員的工作的強度。

3 結論

該智能井蓋系統(tǒng)避免了傳統(tǒng)井蓋中存在的一些列問題，比如井蓋被盜使行人墜落、井蓋使用不當造成的安全隱患、不合格產品存在的安全隱患以及井蓋晃動導致噪音擾民等現象的存在。該智能井蓋數據采集系統(tǒng)將多種傳感器融入下位機中，如果檢測的數據中無論哪一個數據存在異常，井蓋會出現報警，同時將采集到的數據通過無線傳輸的模式傳至上位機的監(jiān)控系統(tǒng)中，工作人員不僅可以實時掌握每一個井蓋的現狀還能夠根據定位模塊快速的找到問題井蓋，讓工作人員迅速準時達到現場，這樣不僅可以節(jié)約工作人員的工作時間，同時可以減小工作人員的工作的強度，實現了智能化管理井蓋的目的。該智能井蓋的使用，將上位機和下位機有機結合在一起，制作出智能化井蓋以及井蓋管理系統(tǒng)，不僅使得城市的井蓋得到了保護，同時也保障了人們和車輛的安全，智能井蓋為建立智慧城市奠定了技術支撐和數據依據，實現了對城市的井蓋進行大面積監(jiān)測、實時監(jiān)控以及準確定的目的，這樣對于城市現代化的促進有一定的幫助作用，同時可以推動智慧城市的進程，進一步保障市民的出行安全，提高人們生活的幸福指數。

參考文獻：

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作者簡介：

張宏偉（1985-），女，黑龍江哈爾濱人，黑龍江省大慶師范學院機電工程學院教師，碩士，從事信號與信息處理方向研究。

孫影（1987-），女，黑龍江大慶人，黑龍江省大慶師范學院機電工程學院教師，碩士，從事檢測技術與自動化裝置方向研究。

基金項目：

大慶市指導性科技計劃項目《基于物聯(lián)網的城市智能井蓋管理系統(tǒng)的設計與實現》（編號zd-2020-05）

（大慶師范大學 機電工程學院，黑龍江 大慶 163712 ）