基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)的井蓋管理系統(tǒng)的設(shè)計

駱 煒，龍 馨，龍光利

（1.陜西理工大學 物理與電信工程學院，陜西 漢中 723001；2.陜西理工大學 經(jīng)濟管理與法學學院，陜西 漢中 723001）

0 引 言

井蓋在街道和小巷上很常見，數(shù)量也越來越多，當井蓋被損壞或者被盜，如果不盡快處理，就會有車輛或行人因為不知道這個情況而發(fā)生不安全的事故。因此，對破損或者被盜的井蓋及時報警、盡快進行維護就非常重要。另外隨著城市的發(fā)展，井蓋的數(shù)量越來越多，市政部門對于井蓋的管理和維護難度也很大，對井蓋進行有效監(jiān)控是市政管理的一個重要內(nèi)容[1]。通過物聯(lián)網(wǎng)智能監(jiān)測裝置來監(jiān)測井蓋狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)、修復破損或被盜井蓋，對推動城市智慧管理和快速發(fā)展具有重要意義。

1 窄帶物聯(lián)網(wǎng)和OneNET平臺

物聯(lián)網(wǎng)（IoT）是新一代信息技術(shù)的重要組成部分，也是“信息化”時代的重要發(fā)展階段。窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）是萬物互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的一個重要分支，它構(gòu)建于蜂窩網(wǎng)絡(luò)，只消耗大約180 kHz的帶寬，可直接部署于GSM網(wǎng)絡(luò)、UMTS網(wǎng)絡(luò)或LTE網(wǎng)絡(luò)，以降低部署成本，實現(xiàn)平滑升級[2]。NBIoT是IoT領(lǐng)域一個新興的技術(shù)，支持低功耗設(shè)備在廣域網(wǎng)的蜂窩數(shù)據(jù)連接，也被叫作低功耗廣域網(wǎng)。物聯(lián)網(wǎng)分為三層：感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應用層。感知層由各種傳感器構(gòu)成，包括RFID標簽和讀寫器、攝像頭、溫濕度傳感器、二維碼標簽、紅外線、GPS等感知終端，是物聯(lián)網(wǎng)識別物體、采集信息的來源；網(wǎng)絡(luò)層由互聯(lián)網(wǎng)、廣電網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)和云計算平臺等組成，是整個物聯(lián)網(wǎng)的中樞，負責傳遞和處理感知層獲取的信息；應用層是物聯(lián)網(wǎng)和用戶的接口，它與行業(yè)需求結(jié)合，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的智能應用。

OneNET平臺是中國移動物聯(lián)網(wǎng)公司推出的物聯(lián)網(wǎng)解決方案平臺，完善了協(xié)議的封裝，簡化了開發(fā)流程，讓開發(fā)者專注于應用開發(fā)。OneNET目前支持大部分物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，包括公網(wǎng)協(xié)議HTTP、MQTT、EDP等，還提供私有協(xié)議支持，方便開發(fā)者個人定制[3]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧井蓋管理系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。系統(tǒng)包括STM32控制模塊、MPU6050姿態(tài)檢測傳感器模塊、HC-SR04模塊、GSM模塊、OLED顯示模塊、DHT11溫濕度傳感器模塊、水位傳感模塊和NB-IoT模塊。供電部分使用220 V轉(zhuǎn)12 V直流電源接LM2596降壓穩(wěn)壓電源模塊供電。STM32控制器通過串口3與NB-IoT模塊建立通信，通過一系列AT命令與OneNET平臺連接，通過手機APP或者電腦PC端，可以登錄OneNET云平臺查看數(shù)據(jù)信息；通過串口2與GSM模塊進行通信，在井蓋姿態(tài)異常情況下發(fā)送短信至維護人員手機；STM32控制器與各傳感器通過串口、I2C以及SPI等方式建立連接，實現(xiàn)系統(tǒng)功能。NB-IoT模塊和SIM900模塊與單片機相互通信，NB-IoT模塊主要用作數(shù)據(jù)的上傳，GSM模塊用于發(fā)送短消息。將數(shù)據(jù)上傳到OneNET云平臺后，可用手機APP或者電腦PC端來遠程監(jiān)控這些數(shù)據(jù)。

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧井蓋管理系統(tǒng)原理框圖

STM32F103RET6最小系統(tǒng)：STM32F103是ST公司出品的高性能、低成本的嵌入式芯片。以ARMCortex-M3內(nèi)核的32位STM32F103ZET6作為主控制器，基于哈佛架構(gòu)的三級流水線內(nèi)核是一個可綜合、高度可配置的處理器[4]。

MPU6050姿態(tài)檢測傳感器：MPU6050是InvenSense推出的處理器[5]，結(jié)合陀螺儀和加速度傳感器，選擇該傳感器來檢測井蓋的狀態(tài)，判斷井蓋是否松動或被無故開啟。

HC-SR04超聲波測距模塊：HC-SR04通過發(fā)射器發(fā)射約6 mm 40 kHz頻率的超聲波信號，該信號被物體反射回去，并被接收器（基本上是壓電效應轉(zhuǎn)換器）接收，傳感器收到信號后，會產(chǎn)生一個弱電壓信號[6]。

OLED顯示模塊：2.4寸I2C總線驅(qū)動的OLED顯示模塊，它在經(jīng)過初始化之后可以直接顯示字符、數(shù)字及文字等信息，節(jié)省開發(fā)時間[7]。

電源模塊：220 V交流電源轉(zhuǎn)12 V直流電源模塊電源，該設(shè)計中的單片機使用5 V電源，因此使用7805穩(wěn)壓器電路提供5 V輸出，為系統(tǒng)供電。

水位檢測模塊：水位傳感器通過使用平行導線跡線測量液滴的大小/水的體積來測量出水位的數(shù)值，可以很容易將傳感器采集的模擬量數(shù)值轉(zhuǎn)換為對應的數(shù)字值。

SIM900A模塊：其采用SMT封裝的雙拼GSM/GPRS模塊，是基于移動2G的GSM短消息平臺和GPRS數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，同樣也支持一些3G/4G手機卡，但是不支持電信卡。采用5 V/1 A的直流供電，可以通過主控芯片管腳進行供電，也可單獨供電[8]。

DHT11溫濕度模塊：包含溫度和濕度檢測功能。該傳感器由電阻類型的濕度測量器件和NTC類型的溫度測量元件組成，并與8位微處理器內(nèi)部相連，通過與外部處理器連接，能夠得到當前實時溫度和濕度[9]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)先使用STM32F103RET6控制器與各模塊之間通過各種通信方式建立正確的連接，以收集數(shù)據(jù)。然后OLED顯示屏顯示具體的井下環(huán)境信息及井蓋狀態(tài)，通過NB-IoT模塊使用LwM2M協(xié)議將數(shù)據(jù)上傳到OneNET云平臺，并通過串口通信的方式控制GSM模塊實現(xiàn)短信報警功能。系統(tǒng)程序流程如圖2所示。系統(tǒng)使用NB-IoT模塊實現(xiàn)系統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)接入功能，NB-IoT模塊子程序流程如圖3所示。實現(xiàn)報警功能的GSM模塊開始需要檢測SIM卡狀態(tài)和信號，并且對電源有一定的要求，必須保證電流達到2 A。GSM模塊子程序流程如圖4所示。

圖2 系統(tǒng)程序流程

圖3 NB-IoT模塊子程序流程

圖4 GSM模塊子程序流程

4 系統(tǒng)功能調(diào)試

將軟件程序編譯下載到系統(tǒng)控制芯片中，對整個系統(tǒng)進行整體調(diào)試。上電后，系統(tǒng)會對NB-IoT模塊、GSM模塊進行配置，初始化MPU6050和超聲波測距模塊；系統(tǒng)初始化成功后，各個模塊開始工作，DHT11模塊和水位檢測模塊不斷采集下水井中溫度、濕度和水位高度信息，通過NB-IoT模塊對數(shù)據(jù)進行打包，通過NB-IoT上傳，可在OneNET上看到這些上傳的數(shù)據(jù)信息。在OLED顯示屏上可看到溫濕度及水位信息，MPU6050實時監(jiān)控井蓋狀態(tài)信息，配合著超聲波測距模塊進行檢測。在正常情況下，井蓋狀態(tài)正常時，系統(tǒng)不會發(fā)出報警提示。在井蓋發(fā)生傾斜并且處于該狀態(tài)5 s以上時，系統(tǒng)就會認為井蓋狀態(tài)發(fā)生異常，系統(tǒng)會發(fā)出蜂鳴器報警并且在顯示屏上顯示“井蓋異?！?；同時通過GSM模塊發(fā)出“井蓋狀態(tài)異常，請注意！”的報警短信到指定人員的手機，提醒維護人員前來對井蓋狀態(tài)進行檢查，蜂鳴器報警可以提醒行人注意安全。

在井蓋傾斜過大時，MPU6050姿態(tài)檢測傳感器輸出的軸向角和俯仰角會增大，系統(tǒng)會判定井蓋狀態(tài)異常，井蓋傾角過大時，報警短信如圖5所示。在井蓋離開下水井時，HC-SR04超聲波測距傳感器檢測的距離會變得特別大，長時間處于此狀態(tài)，系統(tǒng)會判定井蓋丟失。井蓋丟失時的報警短信如圖6所示。

圖5 井蓋傾角過大時的報警短信

圖6 井蓋丟失時的報警短信

當水位超過所設(shè)定的預設(shè)值時（實驗中閾值水位設(shè)置為38 mm），水位檢測器監(jiān)測到水位溢出，系統(tǒng)會判定水位過高，觸發(fā)系統(tǒng)的LED報警提示并發(fā)出短信。水位過高的OLED顯示屏內(nèi)容如圖7所示，水位過高的報警短信如圖8所示。

圖7 水位過高的OLED顯示屏內(nèi)容

圖8 水位過高的報警短信

5 結(jié) 語

本文設(shè)計一種基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧井蓋管理系統(tǒng)，致力于打造智能井蓋?；凇盎ヂ?lián)網(wǎng)+”形成“井蓋網(wǎng)”，可實現(xiàn)對井蓋狀態(tài)的實時監(jiān)測，判斷井蓋是否松動或被人打開，實時監(jiān)控水位、溫度、濕度和其他環(huán)境信息，持續(xù)顯示和刷新數(shù)據(jù)，維護人員可隨時查看井蓋狀態(tài)。