基于NB-IoT的智能井蓋監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

邱義 郭一晶 劉挺

摘 要：隨著市政公共設(shè)施的建設(shè)，井蓋的數(shù)量快速增長導(dǎo)致監(jiān)管難度不斷增大，井蓋丟失或移位等情況對行人車輛的安全造成極大隱患。文中提出了一種基于STM32微處理器以及多傳感器結(jié)合NB-IoT技術(shù)實(shí)現(xiàn)的智能監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實(shí)時采集地下管道水位、溫濕度、可燃?xì)怏w、井蓋狀態(tài)等信息，并將這些數(shù)據(jù)通過NB-IoT傳入互聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測平臺，當(dāng)數(shù)據(jù)異常時可自動向管理人員報警。妥善解決城市井蓋存在的安全問題是智慧城市建設(shè)的重大創(chuàng)新。

關(guān)鍵詞：井蓋;STM32;NB-IoT;監(jiān)測系統(tǒng);物聯(lián)網(wǎng);GPS

中圖分類號：TP368.2文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2095-1302（2020）09-00-03

0 引 言

隨著我國城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)事業(yè)的高速發(fā)展，城市中給水、排水、燃?xì)狻崃?、電力、通信等各類市政公共設(shè)施日益增加，相應(yīng)城市地下管線設(shè)施的井蓋數(shù)量也快速增加。大量井蓋產(chǎn)生的安全隱患造成各類行人車輛傷害事件頻發(fā)，嚴(yán)重影響了出行安全，造成不良的社會影響。加強(qiáng)城市井蓋管理已成為全國各地市政管理部門的一個難點(diǎn)[1-5]。第五代移動通信技術(shù)（5G技術(shù)）的應(yīng)用將開啟萬物互聯(lián)的時代，建設(shè)智慧城市已是世界城市發(fā)展的前沿趨勢。傳統(tǒng)模式下的市政公共設(shè)施管理方式已無法滿足智慧城市的發(fā)展需求，本文利用多種傳感器和NB-IoT技術(shù)設(shè)計(jì)了智慧城市智能井蓋監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對井蓋的實(shí)時監(jiān)測、精確定位、自動報警，可以實(shí)時檢測地下管道的水位、溫度以及可燃?xì)怏w濃度，當(dāng)水位、溫濕度或可燃?xì)怏w濃度超過警戒值時立即報警，及時消除安全隱患。同時基于高德地圖對井蓋位置狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)井蓋地圖定位、移動軌跡顯示和越界報警。市政管理人員無需花費(fèi)大量人力物力對設(shè)備進(jìn)行檢查巡視，隨時隨地通過監(jiān)測系統(tǒng)即可掌握當(dāng)前井蓋設(shè)施的狀態(tài)、位置等信息，從而提供更好的維護(hù)服務(wù)，大幅提高管理效率，降低管理成本。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

智能井蓋監(jiān)測系統(tǒng)包括智能井蓋監(jiān)測后臺管理系統(tǒng)、基于NB-IoT技術(shù)數(shù)據(jù)傳輸模塊、基站以及安裝在井蓋上的水位、溫濕度、姿態(tài)、GPS、可燃?xì)怏w等數(shù)據(jù)采集監(jiān)測節(jié)點(diǎn)。工作過程：監(jiān)測節(jié)點(diǎn)使用STM32單片機(jī)對井蓋進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，通過溫濕度傳感器監(jiān)測溫度與濕度，通過超聲波技術(shù)監(jiān)測水位，通過氣體傳感器監(jiān)測可燃?xì)怏w濃度等地下管道工作環(huán)境狀態(tài)參數(shù)，陀螺儀和GPS定位判斷井蓋是否松動或開啟，實(shí)現(xiàn)故障監(jiān)測和防盜功能。采集的數(shù)據(jù)信息通過NB-IoT模塊和基站傳輸?shù)绞姓w后臺管理系統(tǒng)，管理人員可以實(shí)時了解井蓋狀態(tài)，并處理報警信息，實(shí)現(xiàn)井蓋的智能化管理。系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)硬件以STM32F103RCT6微處理芯片作為控制核心，外圍電路集成了溫濕度傳感器、超聲波傳感器、可燃?xì)怏w傳感器、姿態(tài)傳感器、GPS定位模塊以及NB-IoT數(shù)據(jù)傳輸模塊。硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

STM32F系列微處理器內(nèi)核為Cortex-M3，屬于中低端32位ARM微控制器，其具有高性能、低功耗、高性價比等特點(diǎn)，最高工作頻率為72 MHz，其豐富的I/O口可滿足監(jiān)測采集節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)要求[6]。該微處理器程序可借助Keil MDK集成開發(fā)環(huán)境，使用C語言開發(fā)。

2.1 溫濕度監(jiān)測模塊

DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。它使用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性。傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件[7]。該模塊的數(shù)據(jù)口與STM32通用I/O端口連接，采用單總線數(shù)據(jù)格式獲取溫濕度。根據(jù)不同工作環(huán)境和位置的井蓋，可以設(shè)置相應(yīng)的警戒值，當(dāng)超過警戒值時通過通信模塊將當(dāng)前工作環(huán)境的溫濕度報警信息傳送到監(jiān)測平臺。

2.2 水位監(jiān)測模塊

使用超聲波HC-SR04模塊監(jiān)測水位，其測量范圍為2～400 cm，精度可達(dá)[8]3 mm，HC-SR04連接在STM32的通用I/O接口，觸發(fā)超聲波TRIG引腳給出一個超過10 μs的高電平信號，超聲波模塊發(fā)出的矩形波遇到障礙物后發(fā)生反射使得ECHO電平升高，其產(chǎn)生的矩形波寬度即為超聲波往返時間，根據(jù)超聲波往返時間可計(jì)算出水位與井蓋的距離。當(dāng)出現(xiàn)暴雨水位超過警戒值時可實(shí)時向監(jiān)測平臺報警。

2.3 可燃?xì)怏w監(jiān)測模塊

MQ-2是一種氣體電阻控制型氣敏器件，可以檢測甲烷、丙烷、氫氣等多種可燃性氣體[9]。當(dāng)?shù)叵鹿艿乐锌扇細(xì)怏w濃度增加時傳感器的電導(dǎo)率增大，STM32使用通用I/O端口將電導(dǎo)率轉(zhuǎn)換為可燃?xì)怏w濃度值。

2.4 井蓋姿態(tài)監(jiān)測模塊

利用MPU6050陀螺儀模塊監(jiān)測井蓋角度變化，從而判斷井蓋是否松動或開啟。MPU6050具有角加速度和加速度檢測功能，STM32采用I2C通信方式與其連接。監(jiān)測節(jié)點(diǎn)安裝時將MPU6050水平貼附于井蓋底部，節(jié)點(diǎn)通過監(jiān)測角度的變化判斷井蓋是否松動或開啟。

2.5 GPS定位模塊

GPS模塊定位精度高，可通過通信模塊實(shí)時將井蓋的經(jīng)緯度信息發(fā)送到遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)管理平臺。系統(tǒng)管理員可以對井蓋位置及類型進(jìn)行歸類整理，基于高德地圖對當(dāng)前井蓋位置狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，實(shí)時在地圖顯示井蓋位置和軌跡，實(shí)現(xiàn)越界報警。

2.6 NB-IoT通信模塊及網(wǎng)絡(luò)

NB-IoT是工信部大力推廣的物聯(lián)網(wǎng)新技術(shù)。NB-IoT可直接復(fù)用于現(xiàn)有移動蜂窩網(wǎng)絡(luò)，占用帶寬為180 kHz，有效降低了部署成本，同時還具有更強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力和連接能力、更低的功耗和模塊成本，適合智能井蓋監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用[10]。監(jiān)測節(jié)點(diǎn)選用的NB-IoT通信模塊為移遠(yuǎn)通信NB-IoT BC95模組，通過串口與STM32通信，微處理器利用AT命令實(shí)現(xiàn)模塊的數(shù)據(jù)交互，波特率設(shè)置為9 600 b/s。NB-IoT通信模塊安裝在井蓋底部，用于將微處理器監(jiān)測到的井蓋數(shù)據(jù)實(shí)時發(fā)送到監(jiān)測平臺。

3 監(jiān)測系統(tǒng)管理平臺

市政監(jiān)測系統(tǒng)管理平臺將采集的數(shù)據(jù)對外發(fā)布，相關(guān)人員包括市政管理部門、小區(qū)物業(yè)部門以及廣大公眾可通過不同的權(quán)限登錄平臺查詢相關(guān)信息，實(shí)現(xiàn)井蓋數(shù)字化遠(yuǎn)程監(jiān)測、智能化管理，并預(yù)防事故發(fā)生。監(jiān)測系統(tǒng)平臺主要功能模塊如圖3所示。

系統(tǒng)各模塊實(shí)現(xiàn)了以下功能。

（1）設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測：設(shè)備后臺能夠24 h監(jiān)測并展示井蓋狀態(tài)信息，當(dāng)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)監(jiān)測到的狀態(tài)值超過預(yù)設(shè)閾值時提示預(yù)警信息并上報至監(jiān)測平臺。同時設(shè)備周期性上報監(jiān)測數(shù)據(jù)至后臺，包括設(shè)備故障信息、電池電量信息、設(shè)備信號強(qiáng)度、防盜信息等，由此來判斷設(shè)備的運(yùn)行情況是否正常。

（2）設(shè)備定位展示：系統(tǒng)支持以高德地圖的形式呈現(xiàn)井蓋網(wǎng)點(diǎn)的信息，并以不同顏色顯示數(shù)據(jù)異常點(diǎn)位。地圖支持按設(shè)備類型、設(shè)備狀態(tài)、設(shè)備基本信息等選項(xiàng)過濾篩選，同時還能支持地圖放大、縮小和平移操作。

（3）設(shè)備報警：系統(tǒng)會實(shí)時監(jiān)測設(shè)備異常數(shù)據(jù)信息，如水位信息、氣體濃度信息、溫濕度信息、井蓋異常開啟、設(shè)備信息故障/丟失、電壓過低等，當(dāng)數(shù)據(jù)異常時報警，并將信息通過手機(jī)短信等方式發(fā)送給相關(guān)管理人員。

（4）井蓋維護(hù)模塊：管理人員根據(jù)設(shè)備異常數(shù)據(jù)發(fā)起維修流程，通知相關(guān)維護(hù)人員前往處理設(shè)備故障，并利用設(shè)備定位信息使用地圖導(dǎo)航功能以有效降低維護(hù)人員的搜索難度。

（5）系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析：通過系統(tǒng)采集的信息，由后臺進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析處理，根據(jù)客戶需求有針對性地開發(fā)數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)。例如分析某區(qū)域某時段的地下管道可燃?xì)怏w濃度或者水位高低情況，進(jìn)行異常情況預(yù)判。

管理人員通過監(jiān)測系統(tǒng)的各功能模塊可以隨時隨地掌握井蓋的當(dāng)前工作環(huán)境和位置信息。圖4所示為地下管道水位歷史數(shù)據(jù)和井蓋在地圖中的定位展示。

4 結(jié) 語

城市路面井蓋管理問題關(guān)乎社會民生，其管理水平體現(xiàn)了城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平。本文設(shè)計(jì)的智能井蓋監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了市政公共設(shè)施的智能化管理，有效保障了行人、車輛的安全，是智慧城市建設(shè)的一項(xiàng)重要應(yīng)用。

注：本文通訊作者為郭一晶。

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