智能防盜下水道窨井蓋裝置的研究

任春燕，李雪松

（山東華宇工學(xué)院，山東 德州 253034）

0 引 言

本論文的選題是智能防盜下水道窨井蓋裝置。

本設(shè)計是一種動力裝置與及單片機技術(shù)結(jié)合的，能夠自動檢測下水道窨井蓋是否損壞、缺失，而且具有防盜功能的智能防盜下水道窨井蓋裝置。由井蓋、外殼、指紋檢測裝置、紅外檢測系統(tǒng)、液晶顯示模塊、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等部分組成。

隨著時間的發(fā)展，現(xiàn)在我們已經(jīng)進入了信息化時代、大數(shù)據(jù)時代。一切都開始變得智能化，而智能家居的出現(xiàn)給人們帶來了極大的便利，智能出行的發(fā)展也讓人日益享受出行的快樂。但是，在日趨城市化的街道中，傳統(tǒng)的下水道窨井蓋經(jīng)常因為損壞丟失而引發(fā)一樁樁慘禍。這就急需一款能夠防盜而且便于提醒維修人員修理的智能化下水道窨井蓋裝置來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的下水道窨井蓋。

該智能防盜下水道窨井蓋裝置難以拆卸，而且受到損壞不僅能及時發(fā)出警報聲響，引起周圍人員的警覺從而嚇退窨井蓋的偷盜者；而且還能將破損信息發(fā)送到相關(guān)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，給維修人員發(fā)出修理提醒，便于智能防盜下水道窨井蓋裝置的維修，防盜而又便于管理。

除此之外，該裝置能夠檢測下水道中的有害氣體的濃度，如果濃度危害維修人員的健康安全，則會在手機APP 端發(fā)出警報，可降低維修人員的遇險概率。

1 背景意義

1.1 研究的背景及發(fā)展現(xiàn)狀

近年來，因為傳統(tǒng)的下水道窨井蓋被盜、破損、管理維護不當(dāng)導(dǎo)致的意外事件頻頻發(fā)生，嚴(yán)重地危害到了人民群眾生命財產(chǎn)安全，缺失的井蓋成為“定時炸彈”。

近些年的墜井者中，除了5 人年齡不詳，年齡在15 歲以下的有51 人，占比約56%，其中5 歲及以下兒童29 人，占比近三成。近五年我國墜井事件數(shù)如圖1 所示。

圖1 近五年全國墜井事件數(shù)量

傳統(tǒng)井蓋不僅易丟失，而且還有一些管理劣勢：人力維護成本高以及人員監(jiān)督管理難，隨著物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展，智慧井蓋出現(xiàn)并持續(xù)發(fā)展。

我國現(xiàn)在提倡鄉(xiāng)村振興，近幾年全國井蓋應(yīng)用數(shù)量一直呈現(xiàn)上升趨勢。

綜上所述，本項智能井蓋的發(fā)展前景良好。

1.2 研究的目的與意義

下水道窨井蓋是城市道路排水功能的重要組成部分，它在城市中的使用率非常廣，但因為各種各樣的原因，普通的傳統(tǒng)井蓋總是容易遭到破壞、丟失，而且不容易管理，給人們的正常生活造成了很大的影響。

該產(chǎn)品改變了傳統(tǒng)井蓋的容易損壞、丟失以及難以統(tǒng)一管理、統(tǒng)一治理的缺點，融入了高科技的新時代特點，能夠有效地防止下水道窨井蓋丟失并且能在丟失時及時彌補，可以大大方便市民生活。

2 總體設(shè)計分析

2.1 功能需求分析

傳統(tǒng)下水道窨井蓋最大的缺點是易拆卸，這個缺點致使下水道窨井蓋非常容易出現(xiàn)遺失的情況。所以，該裝置必須具備以下功能：修理人員在工作中可以輕易打開智能防盜下水道窨井蓋裝置，但是其他沒有植入身份的人則完全不能，除非暴力拆卸，摧毀地面，否則不能夠?qū)Ⅰ烤w拆下帶走。

而且，下水道中的有害氣體（如甲烷、一氧化碳、二氧化碳、乙烯等）眾多，當(dāng)濃度達(dá)到一定的限度，就會危害維修人員的健康安全，故而該裝置需要能夠檢測下水道中的有害氣體的濃度，如果濃度危害維修人員的健康安全，則會在手機APP 端發(fā)出警報。

除此之外，傳統(tǒng)窨井蓋的另一個缺點就是不能發(fā)出警報。故而，本裝置設(shè)置了相應(yīng)的警報裝置，能夠適當(dāng)?shù)恼饝赝当I窨井蓋者并通知周圍人員。而且，如果下水道窨井蓋遭到破壞，能夠及時提醒群眾和修理人員，避免維修不善而出現(xiàn)意外。

綜上所述，我們需要設(shè)計的智能防盜下水道窨井蓋裝置總體功能設(shè)計有以下幾個方面：難以拆卸、身份識別、指紋開鎖、防盜提醒（內(nèi)含當(dāng)場對周圍人員進行提醒和通過手機APP 或電腦控制端所接受的提醒）、對下水道內(nèi)部的氣體進行檢測等。

2.2 系統(tǒng)總體設(shè)計

首先要介紹的是智能下水道窨井蓋裝置的外觀結(jié)構(gòu)。其外觀結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 智能下水道窨井蓋裝置外觀結(jié)構(gòu)圖

該裝置的外圍（即2—窨井蓋外圍）相似于一般下水道的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，內(nèi)有凹槽，能夠與下水道窨井蓋相互契合，環(huán)狀結(jié)構(gòu)內(nèi)部的凹槽處安裝有一些光敏二極管（即紅外檢測裝置）。下水道窨井蓋一側(cè)是跟外圍的環(huán)狀結(jié)構(gòu)固定在一起的旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)（即5—轉(zhuǎn)軸），是下水道窨井蓋開關(guān)轉(zhuǎn)動的支撐點，內(nèi)嵌彈簧。過圓心的另一邊是1 指紋檢測部分，手動閉合該鎖就會鎖死，當(dāng)輸入指紋正確則鎖會打開，經(jīng)過彈簧的彈性形變，井蓋能夠自動彈開。指紋鎖上有附有蓋子（與地面持平，在圖中未顯示），防止灰塵落入與人員經(jīng)過產(chǎn)生的摩擦。

其次介紹的是其各種檢測模塊與下水道窨井蓋之間的聯(lián)系。

指紋鎖裝置（即1—指紋檢測部分）能夠檢測指紋，只有當(dāng)指紋被識別系統(tǒng)識別為已錄入指紋后，鎖裝置才會啟動，而下水道窨井蓋裝置的窨井蓋部分則會受到彈簧的彈性作用，使窨井蓋能夠自動彈開；否則指紋鎖的鎖裝置仍然處于鎖死狀態(tài)。

紅外檢測模塊（即為4—光敏二極管）附在下水道窨井蓋外圍環(huán)狀結(jié)構(gòu)的內(nèi)測，能夠檢測窨井蓋是否跟外殼完全契合（不完全契合的時候，光敏傳感器能夠接收到來自外界和自身發(fā)出的光的反射光），若窨井蓋缺失或者損壞不僅該產(chǎn)品處的警報器會響，并且信號會將情況通過通信模塊（即6—通信模塊，位于下水道窨井蓋下方）傳送到控制端，使控制端發(fā)出警報，讓計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、手機APP 等網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)收到信號。

警報系統(tǒng)（主要為8—蜂鳴器）是通過主控芯片來觸發(fā)的。當(dāng)下水道窨井蓋受到損傷或者丟失時，紅外檢測模塊能夠接收到光信號，進而將接收到的結(jié)果送往主控芯片。主控芯片檢測到所設(shè)定的標(biāo)志位變量發(fā)生了變化就會使蜂鳴器發(fā)出響聲。同時通過通信模塊向手機APP 和計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)發(fā)出警告，使相應(yīng)的下水道窨井蓋的標(biāo)識由綠色變?yōu)榧t色。

穩(wěn)壓模塊（即9—穩(wěn)壓模塊，位于下水道窨井蓋下方）采用市場上常用的穩(wěn)壓模塊AMS1117，該型號的芯片小巧輕便，而且是貼片元件，用起來比較方便。

氣體濃度檢測（10—氣體傳感器，位于下水道窨井蓋下方）則是依賴于下水道窨井蓋下方所安裝的相應(yīng)的半導(dǎo)體式氣體傳感器。當(dāng)半導(dǎo)體式氣體傳感器檢測到下水道內(nèi)的氣體濃度對人類的身體機能甚至是性命產(chǎn)生威脅，或者檢測到下水道內(nèi)的氣體濃度易燃易爆等情況時，能夠讓手機APP 的相應(yīng)的下水道窨井蓋的標(biāo)識變成黃色，警示維修人員此時進入井內(nèi)容易發(fā)生危險。

主控芯片（即7—主控芯片，位于下水道窨井蓋下方）作為該裝置的核心模塊，控制著該裝置的各種功能，該系統(tǒng)總體設(shè)計的具體控制流程圖如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)總體設(shè)計流程圖

3 功能實現(xiàn)分析

3.1 紅外檢測系統(tǒng)

該問題的解決是在外圍的內(nèi)測有很多光敏二極管，不管光敏二極管白天能夠接收到陽光還是夜晚能夠接收到發(fā)光二極管的光，都會做出缺失判斷，進而將結(jié)果通過音頻矩陣切換器反饋到計算機管理系統(tǒng)以及手機APP。

紅外檢測系統(tǒng)能夠檢測窨井蓋是否跟外殼完全契合（即是否關(guān)閉良好），并發(fā)出信號，將結(jié)果傳遞到電腦端與手機APP，若窨井蓋受到未經(jīng)檢測或者檢測錯誤的人員的破壞的時候窨井蓋能夠發(fā)出警報，提醒附近的人，使破壞者逃走；而且其能夠通過音頻矩陣切換器將窨井蓋被損壞的信號發(fā)送到下水道系統(tǒng)的管理端。

3.2 警報系統(tǒng)

該裝置中的報警系統(tǒng)是一個聲音放大版的蜂鳴器。

通過電阻R2 和PNP 三極管對電流進行放大，從而驅(qū)動蜂鳴器發(fā)出聲響。電阻R1 是一個上拉電阻，用來防止蜂鳴器誤發(fā)聲。當(dāng)蜂鳴器BEEP 的引腳輸出低電平時，PNP 三極管TP1導(dǎo)通，蜂鳴器發(fā)聲；當(dāng)蜂鳴器BEEP 的引腳輸出高電平時，PNP 三極管TP1 截止，蜂鳴器停止發(fā)聲。具體電路如圖4 所示。

圖4 蜂鳴器電路原理圖

當(dāng)智能防盜下水道窨井蓋經(jīng)過紅外檢測系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)異常狀況時，中斷系統(tǒng)就會被觸發(fā)，蜂鳴器啟動發(fā)出警報。

3.3 遠(yuǎn)程通信

該裝置的遠(yuǎn)程通信方面的功能是由nRF905 無線芯片實現(xiàn)的。

nRF905 無線芯片是由挪威NORDIC 公司出品的低于1 GHz 無線數(shù)傳芯片。芯片內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器等功能模塊，輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置。該模塊能夠?qū)?shù)據(jù)進行無線遠(yuǎn)程傳輸，在該裝置中，起遠(yuǎn)程通信作用。該芯片非常適合于低功耗、低成本的系統(tǒng)設(shè)計。

3.4 指紋檢測技術(shù)

指紋鎖是一種以人體的指紋為識別載體和手段的智能鎖具。其應(yīng)用的主要的傳感器有光學(xué)傳感器、半導(dǎo)體傳感器等，除此之外，其主要技術(shù)還有指紋模塊。顧名思義，指紋模塊能夠通過指紋辨別使用者是否是智能防盜下水道窨井蓋的修理人員。

指紋是指手指上各不相同的紋路，指紋雖小，但是它所提供的信息是浩瀚的。這些紋路在圖案、斷點和交點等地方是各不相同的，在信息處理中將它們稱作“特征”，特征具有唯一性和永久性，因此我們就可以把修理者同他的指紋對應(yīng)起來。

指紋檢測的步驟如圖5 所示。首先獲取指紋圖像，然后對獲取的圖像進行預(yù)處理，獲得指紋脊線、提取特征點，最后進行指紋匹配并反饋結(jié)果。

圖5 指紋檢測步驟流程圖

3.5 氣體濃度檢測技術(shù)的原理及應(yīng)用

該智能防盜下水道窨井蓋裝置的氣體濃度檢測部分的原理同氣體檢測儀的原理。氣體檢測儀是一種氣體泄漏濃度檢測的儀器儀表工具，它是利用一些金屬氧化物半導(dǎo)體材料，在一定溫度下，電導(dǎo)率隨著環(huán)境氣體成分的變化而變化的原理制造的。比如，酒精傳感器，就是利用二氧化錫在高溫下遇到酒精氣體時，電阻會急劇減小的原理制備的。

半導(dǎo)體式氣體傳感器可以有效地用于多種氣體地檢測。除此之外，這種傳感器成本低廉，非常適合能夠大批量制造的產(chǎn)品。其中甲烷、一氧化碳、硫化氫等氣體都是我們所需要檢測的內(nèi)容，故半導(dǎo)體式氣體傳感器能夠很好地適用該裝置。

根據(jù)搜索到的資料可得當(dāng)環(huán)境中一氧化碳的濃度不超過100 PPM 時，人體處于安全環(huán)境；當(dāng)煤氣濃度低于24 PPM時，人不會有生命危險；當(dāng)硫化氫的濃度不超過100 PPM 時，人體出于安全環(huán)境；當(dāng)氧氣濃度在19.5%至23.5%之間時，人能夠正常生活。

通過單片機將氣體傳感器所獲得的信息進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并對所轉(zhuǎn)換的數(shù)字量進行分析與判斷，當(dāng)所有氣體的濃度都處于人體能夠正常生活的范圍內(nèi)時，手機APP 上對應(yīng)的圖標(biāo)為綠色或紅色，表示下水道內(nèi)部安全。反之，當(dāng)手機APP上對應(yīng)的圖標(biāo)為黃色或橙色（橙色代表下水道內(nèi)部氣體濃度能夠造成人身安全隱患并且下水道窨井蓋存在損壞情況），則代表此時維修人員進入修理容易發(fā)生意外。

3.6 單片機主控模塊的設(shè)計

對于單片機主控模塊，整個系統(tǒng)程序采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，技術(shù)比較成熟，目前所使用的是基于MCS-51 系列的STC89C52 開發(fā)板。

STC89C52 是STC 推出的新一代超強抗干擾/高速/低功耗的51 單片機，它采用8 051 核的ISP（In System Programming）在系統(tǒng)可編程芯片，其指令代碼完全兼容傳統(tǒng)的8 051 單片機，最高工作時鐘頻率為80 Hz，片內(nèi)含4K Bytes 的可反復(fù)擦寫1 000 次的Flash 只讀程序存儲器。除此之外，STC89C52 系列的單片機兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51 指令系統(tǒng)及80C51 引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)部由通用8 位中央處理器和ISP Flash 存儲單元集合而成，具有在系統(tǒng)可編程（ISP）特性，配合PC 端的控制程序即可將程序代碼下載進單片機內(nèi)部，可以不使用通用編程器，而且速度更快。

雖然現(xiàn)在STM32 類型的單片機更為普遍常用，但是對于一個下水道檢測系統(tǒng)來說，其實并不需要如此精細(xì)且運算速度極快的單片機，而原始的STC89C52 仍然沒有退出單片機的舞臺，用它作為主控芯片，便宜實惠，又能達(dá)到我們所需要的目的。

指紋識別模塊和手機APP 及按鍵能夠控制主控芯片，通過其程序運轉(zhuǎn)鏈接其余模塊。單片機連接光敏傳感器，檢測情況傳到音頻矩陣切換器，由藍(lán)牙發(fā)出信號，發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

3.7 部分代碼

智能防盜窨井蓋裝置制作工藝簡單，代碼也簡單。在該系統(tǒng)中，最高優(yōu)先級的中斷程序主要用作警報器的使用。中斷系統(tǒng)的部分代碼為：

4 實例測試

為了論證智能防盜下水道窨井蓋裝置的可行性與可實現(xiàn)性，我們對于該裝置的報警部分和氣體濃度檢測部分進行了測試（其指紋檢測部分為指紋檢測模塊，自帶指紋輸入程序），以下是具體測試結(jié)果。

4.1 報警部分測試

報警系統(tǒng)的響應(yīng)主要分為兩個部分，第一部分為發(fā)出鳴叫聲，第二部分為手機APP 的相應(yīng)位置發(fā)生顏色變化。

根據(jù)多次實驗，獲得實現(xiàn)結(jié)果如表1 所示。

表1 報警系統(tǒng)實驗結(jié)果匯總

其中，第四次實驗結(jié)果中雖然手機APP 顏色是否發(fā)生變化這一實驗結(jié)果出現(xiàn)了錯誤，但是其他實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)響應(yīng)正常，其可判定為產(chǎn)生了誤差。故該處錯誤可以忽略，認(rèn)為報警系統(tǒng)的響應(yīng)正常。

4.2 氣體濃度檢測部分測試

智能防盜下水道窨井蓋裝置的氣體傳感器包括可燃?xì)狻⒁谎趸?、硫化氫、氧氣四種傳感器，可有效檢測井下易燃易爆氣體濃度、有毒氣體濃度及氧含量，為井下安全作業(yè)保駕護航?？扇?xì)鉃榭少I賣氣體資源，容易獲得；一氧化碳和氧氣根據(jù)材料也可以輕易獲得；但是硫化氫不易置備。此處對于可燃?xì)狻⒁谎趸嫉臐舛冗M行了測試，測試結(jié)果如表2所示。

表2 氣體濃度測試結(jié)果匯總

根據(jù)實驗結(jié)果可得，當(dāng)各項氣體濃度不會威脅人體的生命安全時，手機APP 上對應(yīng)的圖標(biāo)顏色不會發(fā)出提示；而當(dāng)其中一項氣體濃度會威脅到人體生命安全時，手機APP上對應(yīng)的圖標(biāo)會根據(jù)情況變?yōu)辄S色或橙色。綜上所述，可確定該裝置的氣體濃度檢測部分響應(yīng)正常。

5 結(jié) 論

該篇論文從智能防盜下水道窨井蓋裝置的研究的背景、研究目的、現(xiàn)在所擁有的技術(shù)以及主要技術(shù)采用等方面對該裝置進行了分析。并分析了其需求以及總體設(shè)計原理。

除此之外，本文從井蓋是否缺失的考慮，以及各種檢測技術(shù)入手，分析了各種技術(shù)的原理以及應(yīng)用，并對智能防盜下水道窨井蓋裝置的技術(shù)支持以及材料選擇方面做出了詳細(xì)的介紹。

智能防盜下水道窨井蓋裝置的研發(fā)與實現(xiàn)，對于以后路上行人的安全，以及下水道維修人員的維修工作等都有著極為重要的意義。而且隨著科技的發(fā)展，越來越多的地方步入了進入城市化的進程。希望該裝置能夠廣泛地應(yīng)用于城市的下水道管理系統(tǒng)中。