城市智能井蓋監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

劉忠強(qiáng) 張立 張春曉 孔祥飛 申安安

摘要：本文設(shè)計了基于ZigBee和51單片機(jī)的城市智能井蓋監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)分為底層數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)兩部分，底層采集系統(tǒng)通過傳感器采集井蓋的相關(guān)數(shù)據(jù)，用51單片機(jī)對其進(jìn)行處理分析得出井蓋的工作狀態(tài)，再通過Zig-Bee把井蓋狀態(tài)信息發(fā)送給監(jiān)控系統(tǒng)。監(jiān)控系統(tǒng)的51單片機(jī)讀取到從ZigBee模塊發(fā)送來的井蓋狀態(tài)信息之后會在LCD1602液晶屏上顯示出來，若是處在故障狀態(tài)時會報警。本系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、傳感器技術(shù)和無線通信技術(shù)幫助井蓋維護(hù)人員實時了解井蓋工作狀態(tài)，并在井蓋出現(xiàn)故障時及時發(fā)現(xiàn)及時處理，對于提高城市管理效率保障市民出行安全有著很大幫助。

關(guān)鍵詞：井蓋監(jiān)測系統(tǒng);ZigBee;傾角傳感器：51單片機(jī)

文章編號：2095-2163（2020）03-0260-03

中圖分類號：TP277

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引言

近年來，隨著城市道路基礎(chǔ)設(shè)施的加快推進(jìn)建設(shè)，作為城市路網(wǎng)重要配件的各種井蓋已遍布在生活中的每個角落。目前，井蓋主要依靠人為檢修或者市民保修的方式來進(jìn)行維護(hù)，但是考慮到井蓋數(shù)量多、分布范圍廣、且分屬不同的管理部門，則導(dǎo)致井蓋維護(hù)難度大，故障發(fā)現(xiàn)及排除效率低，現(xiàn)已成為城市發(fā)展過程中亟待解決的一個根本性問題。

本文以51單片機(jī)為核心，通過傳感器采集傾角、距離等參數(shù)來實現(xiàn)對井蓋工作狀態(tài)的實時檢測。檢測到的井蓋工作狀態(tài)信息通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給遠(yuǎn)端的監(jiān)測裝置，當(dāng)井蓋出現(xiàn)故障時監(jiān)測裝置會及時報警，讓管理維修部門能在第一時間發(fā)現(xiàn)問題，從而有效防范后續(xù)可能事故的發(fā)生。

1系統(tǒng)整體設(shè)計

系統(tǒng)硬件主要由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)兩部分構(gòu)成。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1單片機(jī)最小系統(tǒng)

單片機(jī)最小系統(tǒng)就是能使單片機(jī)正常運行的最基本電路，主要由晶振電路和復(fù)位電路構(gòu)成。本系統(tǒng)選用的是STC89C52RC單片機(jī)。

2.2完整性地網(wǎng)監(jiān)測電路設(shè)計

為了檢測井蓋是否損壞，設(shè)計了一個完整性地網(wǎng)檢測電路。所謂完整性地網(wǎng)其實可以看作一根長導(dǎo)線，鋪展在井蓋上或者在井蓋制作時就埋在井蓋內(nèi)部。當(dāng)井蓋破損時地網(wǎng)也會破損，那么只需檢測這根導(dǎo)線是否完好就可以判斷井蓋是否完整了。把地網(wǎng)的兩端接在圖2所示的電路接點兩端，再通過一個三極管構(gòu)成的反向電路，當(dāng)?shù)鼐W(wǎng)完好時，單片機(jī)上對應(yīng)引腳為高電平，若地網(wǎng)破損則該引腳被拉低。通過檢測這個引腳的電平狀態(tài)即可得出井蓋是否損壞。

2.3傾角傳感器電路設(shè)計

傾角傳感器是本系統(tǒng)設(shè)計中至關(guān)重要的組成部分，為了確保在不同的情況下都能有效發(fā)揮作用，本系統(tǒng)選用了2種不同的傳感器共同工作，包括能判斷是否傾斜的SW-520D和能測出具體傾角值的ADXL-345加速度傳感器。與之相適應(yīng)的檢測電路分別參見圖3、圖4。

2.4超聲波測距傳感器電路設(shè)計

研究可知，在某些情況下，井蓋會完全脫離槽位，此時的井蓋未被蓋好，同時傾斜角度也不大，達(dá)不到報警的閾值。本系統(tǒng)是在測量井蓋的傾角的同時再配合測量裝置到井壁的距離來解決這個問題。若井蓋的傾角在正常范圍內(nèi)，那么判斷裝置到井壁的距離，若此距離正常才能判斷井蓋處于蓋好的狀態(tài)下，若此距離值異常即說明井蓋沒有蓋好。本文選用的測距傳感器是HC-SR04超聲測距波模塊，測量范圍在2～450cm之間。

2.5ZigBee硬件電路設(shè)計

ZigBee模塊在數(shù)據(jù)采集裝置和遠(yuǎn)程監(jiān)測裝置中起著不同的作用，但是電路構(gòu)成卻是相同的。ZigBee模塊以CC2530為核心控制芯片，CC2530工作電壓為3.3V，故而模塊上配有5V轉(zhuǎn)3.3V電路。此外，還包含晶振和一部分接出來的IO口以及在線調(diào)試電路。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)程序設(shè)計

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功能就是通過傳感器采集到的數(shù)據(jù)來判斷井蓋的工作狀態(tài)，并把工作狀態(tài)發(fā)送出去。主要包含傾角傳感器的子程序、超聲波測距模塊的子程序和ZigBee發(fā)送程序。通過控制傳感器采集數(shù)據(jù)，再對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而得到井蓋的工作狀態(tài)。軟件流程圖如圖5所示。

3.2數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)程序設(shè)計

數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能是接收數(shù)據(jù)，顯示井蓋的工作狀態(tài)并且判斷狀態(tài)是否正常，是否需要報警。程序設(shè)計流程如圖6所示。

4系統(tǒng)調(diào)試

調(diào)試的過程中遇到了許許多多的問題。例如調(diào)試超聲波測距模塊時不能正常計算返回信號持續(xù)時間，究其原因則在于需要預(yù)先將echo腳拉低。調(diào)試ADXL-345傳感器時值總是不準(zhǔn)，而后當(dāng)設(shè)置閾值后得以解決。在調(diào)試串口通信部分出現(xiàn)了數(shù)據(jù)錯位的問題，而在通信數(shù)據(jù)上加了一位標(biāo)志位后，該現(xiàn)象則不再出現(xiàn)。最后，經(jīng)過整體調(diào)試后，本系統(tǒng)全部功能已基本實現(xiàn)。

5結(jié)束語

本文設(shè)計的監(jiān)測系統(tǒng)主要包含2個部分。數(shù)據(jù)采集模塊通過多種傳感器采集到的數(shù)據(jù)分析出井蓋的狀態(tài)再把狀態(tài)信息通過無線通信的方式發(fā)送出去，遠(yuǎn)端監(jiān)測模塊則在接收處理采集裝置發(fā)送的信息后，對井蓋的狀態(tài)提供實時顯示并報警提醒用戶。本文系統(tǒng)對城市的管理、基礎(chǔ)設(shè)施的有效監(jiān)管和維護(hù)有著一定的現(xiàn)實意義。