物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)視域下城市井蓋監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

李 猛 郭 城 張俊杰 吳凱軍 林學(xué)志 王偉海

（蚌埠學(xué)院計算機與信息工程學(xué)院，安徽 蚌埠 233000）

0 引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市化進(jìn)程在不斷加快，人們的生活質(zhì)量也在不斷提高。經(jīng)過多年發(fā)展，我國城市地下管網(wǎng)系統(tǒng)具有分布范圍廣、類型復(fù)雜等特點?，F(xiàn)階段，我國各個城市對管網(wǎng)的維護(hù)仍然比較滯后，采取的是效率低的人工巡檢方式，從而造成很多安全隱患。

首先，國內(nèi)城市地下管網(wǎng)事故頻發(fā)，如井蓋損毀、遺失等現(xiàn)象較為常見，這不僅破壞城市市容，還會造成安全隱患［1］。由于一些城市地下管網(wǎng)的維護(hù)不及時，從而造成車輛發(fā)生交通事故等，甚至“井蓋吃人”事件頻發(fā)，嚴(yán)重威脅居民的人身安全。此外，由于地下管網(wǎng)維護(hù)不及時，導(dǎo)致井內(nèi)有毒氣體的含量不斷增加，工作人員中毒身亡的事件也時有發(fā)生。其次，城市道路規(guī)劃對地下管網(wǎng)的分布也有影響，管網(wǎng)布局分散、環(huán)境錯綜復(fù)雜、管道種類多樣、管理維護(hù)存在缺失等問題導(dǎo)致城市地下管網(wǎng)的維護(hù)難度在不斷增大，維護(hù)效率卻在逐漸降低。再次，城市內(nèi)澇問題也會影響地下管網(wǎng)的安全，若下水道中的垃圾過多，雨水過大時容易造成堵塞，導(dǎo)致泄洪能力不足或井蓋上浮，危害行人安全。

隨著5G 技術(shù)的發(fā)展，世界通信行業(yè)也迎來了新的“高潮”。5G 技術(shù)與智慧城市相融合，能夠快速推進(jìn)智慧城市的建設(shè)和發(fā)展。而傳統(tǒng)的市政公共設(shè)施管理模式已無法滿足智慧城市的發(fā)展需求。本研究基于集成式傳感模塊與NB-IoT 技術(shù)，設(shè)計了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的城市井蓋監(jiān)測系統(tǒng)，可實現(xiàn)對地下管網(wǎng)井蓋的精確定位、實時信息監(jiān)測、有毒氣體的檢測以及水位數(shù)據(jù)的展示等。當(dāng)監(jiān)測系統(tǒng)檢測到異常時會觸發(fā)警戒裝置，從而及時消除安全隱患。

1 需求分析與系統(tǒng)總體方案設(shè)計

1.1 需求分析

在日常生活中，經(jīng)常有某市下水道爆炸、井蓋翹起或丟失的新聞報道，而這些事件發(fā)生的原因也是多種多樣的。目前，城市地下管網(wǎng)的管理存在著許多問題，雖然投入了大量的人力、物力，但卻收效甚微。例如，井蓋丟失或移位后，維修人員無法及時準(zhǔn)確地找到問題井；城市地脈因其性質(zhì)不同而被劃分到多個部門進(jìn)行管理，這就導(dǎo)致無法在第一時間解決問題。根據(jù)目前城市地下管網(wǎng)管理現(xiàn)狀，本研究設(shè)計基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的城市井蓋監(jiān)測系統(tǒng)，能夠解決3 個問題：①系統(tǒng)在監(jiān)測到井蓋數(shù)據(jù)異常時會自動報警，會在第一時間將數(shù)據(jù)信息發(fā)送至OneNet 平臺，并在前端顯示出來，從而實現(xiàn)對地下管網(wǎng)的精準(zhǔn)定位；②井內(nèi)數(shù)據(jù)顯示異常時，根據(jù)井內(nèi)數(shù)據(jù)及時做出應(yīng)對策略，確保能在第一時間解決問題；③對地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，對頻發(fā)事故做出預(yù)案調(diào)整。

1.2 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

本研究所設(shè)計的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)視域下的城市井蓋監(jiān)測系統(tǒng)是對城市地下管網(wǎng)進(jìn)行智能監(jiān)管，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到城市地下管網(wǎng)監(jiān)測中，降低危險事故發(fā)生的頻率，該系統(tǒng)操作簡單、智能集成度高，在很大程度上能減少此類事故的發(fā)生概率。該系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集、終端傳輸、用戶應(yīng)用構(gòu)成，系統(tǒng)框架圖見圖1。

圖1 系統(tǒng)框架圖

2 整體設(shè)計及硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)整體設(shè)計方案

本研究設(shè)計的城市井蓋監(jiān)測系統(tǒng)包括后臺工作人員管理系統(tǒng)、井蓋定位模塊、甲烷檢測模塊、水位檢測模塊以及基于NB-IoT 技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸模塊，系統(tǒng)整體設(shè)計框架圖如圖2 所示。各模塊節(jié)點可通過STM32單片機對井蓋進(jìn)行狀態(tài)檢測，通過水位傳感器對水位進(jìn)行監(jiān)測，通過甲烷傳感器對井內(nèi)甲烷氣體進(jìn)行實時監(jiān)測，MEMS 陀螺儀可對井蓋的移位、浮動狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，從而實現(xiàn)井蓋的防盜功能。集成式傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過NB-IoT 技術(shù)上傳到城市井蓋監(jiān)測系統(tǒng)中。管理人員可通過系統(tǒng)后臺數(shù)據(jù)來了解井蓋狀態(tài)，并處理警情，實現(xiàn)對城市地下管網(wǎng)的智能化管理。

圖2 系統(tǒng)整體設(shè)計框架圖

2.2 控制單元選型

本研究設(shè)計的城市井蓋監(jiān)測系統(tǒng)以NB-IoT 為無線通信模塊，由于該模塊只消耗帶寬，可直接部署于多種網(wǎng)絡(luò)中，具有很好的延展性，可降低部署成本，實現(xiàn)平滑升級。NB-IoT的電路圖如圖3所示。

圖3 NB-IoT電路圖

控制單元與STM32 芯片對網(wǎng)絡(luò)信號有很強的兼容性，在加入PSM 功能后，此模式的終端耗流在3 μA 左右，在一定程度上節(jié)省功耗，使設(shè)備的使用時間更長?？刂茊卧С?、1、2 三個覆蓋增強等級（CE Level），分別對應(yīng)可對抗144 dB、154 dB、164 dB的信號衰減，相比GSM和LTE提高了20 dB，覆蓋面積提升了100倍，同等條件下NB-IoT能提供更深的覆蓋。同時，控制單元會根據(jù)后臺發(fā)送的操作指令進(jìn)行智能工作，在地下管網(wǎng)一切正常時會進(jìn)入低功耗狀態(tài)，等待后臺指令的喚醒。

2.3 傳感器模塊設(shè)計

該模塊在設(shè)計時要遵循節(jié)能降耗的原則，所選擇的電路模塊與傳感器模塊均為功耗相對較低且采集傳輸功能較為穩(wěn)定的產(chǎn)品。

監(jiān)測系統(tǒng)選用MPM489W 液位變送器作為水位傳感器，MPM489W 液位變送器是一種全密封潛入式液位測量儀表［2］。該變送器將OEM 壓力傳感器及高精度的變送器專用電路封裝到一個不銹鋼的殼體中，其獨特的結(jié)構(gòu)和信號采集標(biāo)準(zhǔn)體系為本研究提供了更全面的支撐。

監(jiān)測系統(tǒng)選用TGS3870 傳感器作為甲烷傳感器，該傳感器體積小、功耗低，且對甲烷、一氧化碳的選擇性好、靈敏度高，對乙醇蒸氣的靈敏度低，使用壽命長，且成本低。其采用載體催化元件作為檢測元件，產(chǎn)生一個與甲烷含量成比例的微弱信號，在經(jīng)過多級放大電路放大后產(chǎn)生一個輸出信號，并將該信號送入單片機片STM32 的A/D 轉(zhuǎn)換輸入口，將此模擬量信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號［3］。然后單片機對此信號進(jìn)行處理，并顯示出來。當(dāng)氣體中有害氣體的濃度超過設(shè)定的閾值時會觸發(fā)報警功能，并對管道進(jìn)行疏導(dǎo)，避免地脈井發(fā)生爆炸。

為防止井蓋出現(xiàn)翹起、移位、丟失等現(xiàn)象，本研究對井蓋進(jìn)行特殊處理。微電機（MEMS）陀螺儀可用于檢測井蓋翹起的角度，并通過STM32 模塊將當(dāng)前井蓋狀態(tài)及時上傳到系統(tǒng)。微電機陀螺儀是通過對固定指施加電壓，并交替改變電壓，讓一個質(zhì)量塊做振蕩式來回運動，旋轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生科里奧利加速度，此時就可對其進(jìn)行測量。微電機陀螺儀可精準(zhǔn)感測自由空間中復(fù)雜的移動動作，因此，本研究采用陀螺儀微電機作為追蹤物體移動方位與旋轉(zhuǎn)動作的運動傳感器。與加速器、電子羅盤不同的是，微電機陀螺儀不用借助任何外力（如重力或磁場等）就能夠自主發(fā)揮功能，并可通過微電機陀螺儀來實現(xiàn)定位功能，在一定程度上節(jié)省資源。

2.4 集成硬件設(shè)計

本系統(tǒng)的硬件部分可分為3 個模塊：可燃?xì)怏w數(shù)據(jù)采集模塊、井蓋位置傳輸系統(tǒng)、水位監(jiān)測模塊，每個模塊都由STM32 單片機進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取。將三個模塊采集到的數(shù)據(jù)信息通過NB-IoT 技術(shù)和基站上傳到城市井蓋監(jiān)測系統(tǒng)中，管理人員可實時查看數(shù)據(jù)，并對故障進(jìn)行排除。監(jiān)測系統(tǒng)的硬件圖如圖4所示。

圖4 監(jiān)測系統(tǒng)硬件圖

本研究設(shè)計的系統(tǒng)可實現(xiàn)以下5個功能。

①設(shè)備健康監(jiān)測。當(dāng)傳感器上傳的數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時，會觸發(fā)后臺報警裝置，平臺會根據(jù)當(dāng)前的警情進(jìn)行分類，并通知工作人員排除故障。同時，各檢測設(shè)備自身的狀態(tài)信息也會定時上傳到后臺，包括設(shè)備運行狀態(tài)、是否短路、信號閾值等信息，以此來判斷設(shè)備是否健康。

②設(shè)備定位。每個井蓋都有用來標(biāo)明位置的獨立編號，在安裝時會將位置信息錄入到系統(tǒng)中，從而能夠精準(zhǔn)定位各井蓋的位置，根據(jù)劃分的不同級別來判斷異常點位，并按照設(shè)備功能、設(shè)備健康狀態(tài)、設(shè)備編號等進(jìn)行過濾篩選。

③設(shè)備報警。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定的閾值，并結(jié)合傳感器上傳的異常數(shù)據(jù)，從而觸發(fā)不同類別的報警，如水位異常導(dǎo)致井蓋浮沉、甲烷濃度超標(biāo)、井蓋異常開啟或移位、設(shè)備信息故障或丟失、電壓過低等，通過發(fā)出報警信息來通知管理人員及時進(jìn)行搶修。

④管網(wǎng)維護(hù)模塊。設(shè)備異常時會觸發(fā)報警裝置，并將相關(guān)信息發(fā)送給管理人員，管理人員根據(jù)具體情況來啟動搶修流程，通知維護(hù)人員進(jìn)行設(shè)備搶修工作。由于系統(tǒng)集成了定位模塊，可大大降低排查難度。

⑤管網(wǎng)數(shù)據(jù)分析。對集成傳感器上傳到后臺的數(shù)據(jù)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析處理，生成可視化分析影像，用來分析近期事故頻發(fā)的原因，及時對策略進(jìn)行調(diào)整。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 軟件概述

本研究選用Java 語言、MySQL 和Spring 框架對系統(tǒng)軟件進(jìn)行設(shè)計，并結(jié)合OneNet 中國移動物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)，構(gòu)建集井蓋位置數(shù)據(jù)、井內(nèi)水位監(jiān)測信息、井內(nèi)氣體監(jiān)測數(shù)據(jù)為一體的數(shù)據(jù)管理平臺。后臺權(quán)限為超級管理員，通過設(shè)備健康監(jiān)測管理功能可實現(xiàn)對當(dāng)前城市地下管網(wǎng)的環(huán)境信息動態(tài)掌握。

3.2 系統(tǒng)整體設(shè)計架構(gòu)

3.2.1 平臺使用前后端分離技術(shù)，后臺負(fù)責(zé)實現(xiàn)PC 端登錄登出、權(quán)限管理、數(shù)據(jù)列表地圖顯示、數(shù)據(jù)報警、消息推送等功能［4］。后臺框架基于SpringBoot、MyBatis、Maven 的聚合項目，數(shù)據(jù)庫選用MySQL 數(shù)據(jù)庫，開發(fā)環(huán)境為IntelliJ IDEA。本研究選擇的技術(shù)框架可大大減少代碼的數(shù)量，從而提高運行效率。相比于早期的Jsp、Servlet 技術(shù)，SpingBoot 框架的代碼復(fù)雜度較低，且SpringBoot內(nèi)置的Tomcat 不用再重新配置，可減少XML 頁面代碼的數(shù)量，從而減輕項目搭建的壓力。持久層選擇MyBatis 作為支持，在持久化、高級映射、存儲及SQL 上更便捷。作為當(dāng)前主流的輕量級數(shù)據(jù)庫，MySQL數(shù)據(jù)庫可毫無壓力運行千萬行數(shù)據(jù)，其性能在各方面都超越同類開源數(shù)據(jù)庫軟件，且其體積小、易配置、集群效果也非常好。

3.2.2 前端采用Vue.js 進(jìn)行組件化開發(fā)，使代碼編寫量大大減少。Vue 最突出的優(yōu)勢是可對數(shù)據(jù)進(jìn)行雙向綁定，其頁面響應(yīng)效果是響應(yīng)式的，這使得網(wǎng)頁的顯示效果非常好。相比傳統(tǒng)的頁面，Vue 使用的路由方式不會刷新頁面。為了增強用戶的交互性，平臺結(jié)合ELement UI 進(jìn)行拔插式開發(fā)，平臺總體設(shè)計采用流式布局，業(yè)務(wù)框架可分為頂部菜單欄、左側(cè)菜單欄以及頁面顯示區(qū)。菜單欄可根據(jù)用戶的不同權(quán)限來顯示不同的功能信息。頁面之間的數(shù)據(jù)傳輸選擇axios通信協(xié)議，組件之間的跳轉(zhuǎn)以路由的方式進(jìn)行，用戶訪問頁面時，路由會根據(jù)用戶攜帶的Token進(jìn)行比對，如果比對成功，則執(zhí)行相應(yīng)的操作，否則將返回Message信息，提示用戶操作失敗。本研究設(shè)計的系統(tǒng)采用前后端分離模式進(jìn)行開發(fā)，數(shù)據(jù)傳輸采用axios 通信協(xié)議，文檔接口采用Swagger 進(jìn)行比對，并通過組件將內(nèi)容的雙向綁定回顯到前端。系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)架構(gòu)圖

3.3 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)視域下的城市井蓋監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

城市井蓋監(jiān)測系統(tǒng)采用Web 與服務(wù)器相結(jié)合的方式進(jìn)行設(shè)計，數(shù)據(jù)庫采用MySQL 數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)服務(wù)端以SpringBoot 為主體框架、Mybatis 為持久層框架。地脈監(jiān)測系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)可視化的主要依據(jù)，在整個項目中發(fā)揮著重要作用，采用超文本傳輸協(xié)議（HTTP 協(xié)議）作為連接服務(wù)器的通信協(xié)議，這是因為在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中超文本傳輸協(xié)議傳輸速度快、可用性強，能夠?qū)⒉杉降臄?shù)據(jù)及時傳送到地脈監(jiān)測系統(tǒng)中。管理系統(tǒng)可分為井蓋管理、系統(tǒng)管理、可燃?xì)怏w管理、位置信息查詢、水位管理、地脈數(shù)據(jù)匯總等模塊。系統(tǒng)設(shè)計圖如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)設(shè)計圖

3.3.1 井蓋管理模塊。對每個井蓋進(jìn)行特殊處理，在節(jié)約環(huán)保的基礎(chǔ)上，每個井蓋都增加微電機陀螺儀，用于檢測井蓋翹起的角度，可通過STM32 單片機將當(dāng)前井蓋的狀態(tài)及時上傳到系統(tǒng)［5］。且每個井蓋都有獨立的ID 編號，方便后期維護(hù)。

3.3.2 可燃?xì)怏w管理模塊。本研究采用TGS3870 傳感器作為檢測甲烷的傳感器，系統(tǒng)可對城市內(nèi)的地下管網(wǎng)中甲烷氣體的濃度進(jìn)行實時監(jiān)測，并根據(jù)設(shè)定的閾值對當(dāng)前管網(wǎng)狀態(tài)進(jìn)行評估，當(dāng)濃度超過閾值界限時會立即發(fā)出報警信息，通知工作人員進(jìn)行處理。

3.3.3 水位管理模塊。本研究采用MPM489W液位變送器作為液位傳感器，系統(tǒng)根據(jù)MPM489W液位變送器上傳的數(shù)據(jù)及時作出判斷，該模塊在下雨天發(fā)揮著重要作用。

3.3.4 城市地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)匯總模塊。該模塊主要對整個系統(tǒng)的各類情況進(jìn)行匯總，并將其分為日視圖、周視圖、月視圖及往期數(shù)據(jù)4 個視圖層，可對城市地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效記錄和管理。

4 產(chǎn)品測試與應(yīng)用

將制作好的產(chǎn)品放在井蓋下30 cm 處，對井內(nèi)情況進(jìn)行實時監(jiān)測，并對地下管網(wǎng)進(jìn)行編號，將采集到的數(shù)據(jù)及時上傳到云服務(wù)平臺，并將云服務(wù)平臺接入到消防內(nèi)網(wǎng)或相關(guān)部門內(nèi)網(wǎng)。然后進(jìn)行大數(shù)據(jù)可視化顯示，若管網(wǎng)內(nèi)的數(shù)據(jù)或井蓋出現(xiàn)異常，將會觸發(fā)自動報警功能，并通知相關(guān)人員第一時間進(jìn)行處理。同時，要對井蓋進(jìn)行加工處理，強化井蓋的牢固度。內(nèi)部人員可通過登錄PC 端或移動端實時查看各種數(shù)據(jù)，一旦發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)，就會以彈窗加警報的方式通知工作人員。產(chǎn)品測試如圖7至圖9所示。

圖7 產(chǎn)品測試圖

圖8 設(shè)備狀態(tài)圖

圖9 模塊連接圖

5 結(jié)語

由于城市地下管網(wǎng)的安全問題頻發(fā)，本研究結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)及嵌入式技術(shù)，在NB-IoT 技術(shù)與STM32單片機的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一套城市地脈監(jiān)測系統(tǒng)，在一定程度上解決了城市地下管網(wǎng)存在的安全隱患，降低地脈事故發(fā)生的頻率。