基于物聯(lián)網(wǎng)的智能井蓋的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

張宏偉 孫影

摘 要：隨著城市智慧化的日益完善以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展，對(duì)井蓋的智能化提出了更高的要求，該智能井蓋通過(guò)下位機(jī)的相關(guān)傳感器采集多種重要數(shù)據(jù)，如果采集到的任何數(shù)值有異常，井蓋可以實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能，同時(shí)通過(guò)無(wú)線通信模塊將檢測(cè)數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)，工作人員會(huì)根據(jù)上位機(jī)的數(shù)據(jù)來(lái)判斷井蓋的現(xiàn)狀并做出相應(yīng)的舉措，這樣就可以監(jiān)測(cè)到每個(gè)井蓋的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，根據(jù)顯示井蓋的問(wèn)題，工作人員判斷是否需要派人去維修或者更換。

關(guān)鍵詞：智能井蓋;監(jiān)控;傳感器

引言

伴隨著我們國(guó)家基本設(shè)施建設(shè)事業(yè)的日益發(fā)展，各種類型的公共設(shè)施也越來(lái)越多，這樣地下管道設(shè)備也日漸增多，與之配套的井蓋也會(huì)不斷增加[1]。這些井蓋的安全問(wèn)題以及管理問(wèn)題日漸突出，比如由于井蓋的年限多、老化嚴(yán)重、磨損嚴(yán)重等等;比如由于管理不好，使得部分井蓋被偷盜，這樣就造成了傷人、損車等事件的屢次發(fā)生，對(duì)人們的出行安全造成了很大的影響，同時(shí)對(duì)城市的智慧化也造成了嚴(yán)重的影響。該設(shè)計(jì)采用多種傳感器集于一身，采集井蓋的傾角、井內(nèi)甲烷濃度、溫度、水位數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，根據(jù)這些數(shù)據(jù)是否異常來(lái)判斷是否需要進(jìn)行報(bào)警，同時(shí)對(duì)每一個(gè)井蓋進(jìn)行編碼，將采集到的數(shù)據(jù)以及井蓋的編碼通過(guò)無(wú)線通信模塊傳遞到上位機(jī)的終端，管理人員可以監(jiān)控系統(tǒng)來(lái)確定問(wèn)題井蓋的位置以及出現(xiàn)什么問(wèn)題，進(jìn)一步判斷井蓋需要維修還是更換。通過(guò)在井蓋內(nèi)部安裝傾角傳感器來(lái)監(jiān)控井蓋狀態(tài)，根據(jù)不同要求加裝如在燃?xì)饩w下安裝甲烷傳感器，雨水井蓋下安裝超聲波水位傳感器，電力井蓋下安裝溫度傳感器從而達(dá)到對(duì)井內(nèi)狀態(tài)監(jiān)控，如果這些數(shù)據(jù)異常，報(bào)警電路就會(huì)發(fā)出聲光警報(bào)，然后通過(guò)傳輸模塊將這些數(shù)據(jù)傳輸至終端的系統(tǒng)中，這樣上位機(jī)的管理人員也會(huì)知道井蓋的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，這樣就能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)井蓋的大面積監(jiān)測(cè)，同時(shí)通過(guò)開(kāi)發(fā)研究智能井蓋的管理系統(tǒng)，減少管理成本，提高維護(hù)效率，保護(hù)市民出行安全，對(duì)發(fā)展和建設(shè)智慧城市有一定的幫助，同時(shí)能夠提高人們生活的幸福指數(shù)

1 智能井蓋的設(shè)計(jì)方案

智能井蓋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將多種傳感器理人員能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)以及確定井蓋的位置。采用氣體傳感器來(lái)檢測(cè)井內(nèi)有毒有害氣體是否超過(guò)標(biāo)準(zhǔn);采用超聲波傳感器檢測(cè)井內(nèi)水位的情況;采用溫濕度傳感器檢測(cè)井內(nèi)的溫濕度是否滿足要求;采用姿態(tài)傳感器檢測(cè)井蓋是否移位和被盜;采用定位傳感器來(lái)確定井蓋的位置，采集到的這些數(shù)據(jù)如果有異常，井蓋內(nèi)部設(shè)置報(bào)警電路進(jìn)行報(bào)警，提醒人們或車輛井蓋異常請(qǐng)注意避讓，同時(shí)將數(shù)據(jù)傳輸至管理人員，管理人員進(jìn)一步判斷井蓋的情況，如果需要維修或者更換，工作人員可以根據(jù)定位模塊迅速準(zhǔn)確的找到問(wèn)題井蓋，這樣就能夠有效地彌補(bǔ)人員巡查管理的不足，提高了工作效率、減少了工作量該智能井蓋系統(tǒng)采用STM32F103芯片作為主控芯片，它具有豐富的國(guó)產(chǎn)技術(shù)文檔以及詳細(xì)的原理、還具有基礎(chǔ)傳感器的大多數(shù)的電路圖、價(jià)格低廉、功率非常低等等一系列的優(yōu)點(diǎn)，這些優(yōu)點(diǎn)能夠滿足該系統(tǒng)需要的所有功能;該系統(tǒng)中的氣體傳感器選擇MH-742B型號(hào)的可燃?xì)怏w傳感器，這一個(gè)通用型智能紅外氣體傳感器，它可以對(duì)井蓋內(nèi)的可燃?xì)怏w、氧氣、硫化氫等氣體濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，工作人員可以根據(jù)顯示的數(shù)值來(lái)判斷井蓋內(nèi)是否安全，這樣極大的保護(hù)了工作人員的人身安全。該氣體傳感器擦劑到的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線傳輸模塊將井蓋內(nèi)部的氣體含量等情況傳輸至上位機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)中，如果監(jiān)控的氣體濃度過(guò)高的時(shí)候，井蓋會(huì)發(fā)生報(bào)警同時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)也會(huì)提示工作人員具體井蓋的氣體含量的情況。由于井蓋下需要監(jiān)測(cè)的氣體不止一種而是多種有毒有害氣體，所以采用的模塊中必須整合多個(gè)高精度智能氣體傳感器的模組合，采用這樣的模塊組合能夠檢測(cè)多種氣體，使井蓋內(nèi)的有毒有害氣體沒(méi)有辦法傷害下井的工作人員，這樣就為智慧城市、智慧工廠、城市地下管廊等的環(huán)境系統(tǒng)監(jiān)測(cè)提供了有效可靠的保證;該系統(tǒng)中的姿態(tài)傳感器采用MPU6050型號(hào)的傳感器，井蓋傾斜角度的變化用此傳感器來(lái)檢測(cè)，根據(jù)井蓋的傾斜角度來(lái)判斷井蓋只是松動(dòng)了還是被開(kāi)啟了，這樣可以判斷井蓋的現(xiàn)狀進(jìn)而使工作人員做出相應(yīng)的反應(yīng)。該傳感器是利用陀螺儀模塊實(shí)現(xiàn)的，這個(gè)傳感器精度高，能夠檢測(cè)的角度變化范圍也是很小的，可以檢測(cè)角加速度和加速度這樣兩個(gè)功能，采用常用的通信協(xié)議，操作簡(jiǎn)單。我們?cè)谑褂眠@個(gè)傳感器的時(shí)候，可以將它貼在井蓋上面，如果人們或者車輛經(jīng)過(guò)井蓋的時(shí)候，井蓋可能發(fā)生了微小的角度變換，那么認(rèn)為井蓋松動(dòng)了，如果井蓋被人撬起來(lái)的時(shí)候，井蓋將會(huì)發(fā)生了較大的角度變換，此時(shí)就認(rèn)為井蓋被盜了，此時(shí)井蓋會(huì)發(fā)生報(bào)警。同時(shí)將井蓋檢測(cè)到的數(shù)據(jù)傳至上位機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)中，不管哪種情況，如果井蓋傾斜的角度大于30°時(shí)，我們認(rèn)為此時(shí)井蓋被抬起，即可能被偷盜;如果井蓋傾斜的角度在-5°～5°之間波動(dòng)不斷的時(shí)候，我們認(rèn)為此時(shí)井蓋為松動(dòng)，需要工作人員進(jìn)一步做出相應(yīng)的判斷，調(diào)取周圍井蓋的監(jiān)控查看到底是哪一種情況，這樣就可以防止井蓋被盜給人們和車輛造成傷害，如果井蓋松動(dòng)過(guò)度，需要派人去維修，以免發(fā)生危險(xiǎn);該系統(tǒng)采用地磁傳感器來(lái)檢測(cè)車輛的通行情況，實(shí)現(xiàn)車流量監(jiān)測(cè)功能該傳感器可以精確地探測(cè)出周圍的磁場(chǎng)情況，當(dāng)附近有車輛經(jīng)過(guò)的時(shí)候，車輛就會(huì)對(duì)地磁場(chǎng)產(chǎn)生干擾，該模塊就會(huì)檢測(cè)到磁場(chǎng)發(fā)生一定的變化，這樣的話就能夠檢測(cè)車輛是否經(jīng)過(guò)井蓋，根據(jù)經(jīng)過(guò)車輛的多少來(lái)判斷一下井蓋的材料等相關(guān)信息。該系統(tǒng)的超聲波傳感器可以采用型號(hào)為MB7066傳感器，利用超聲波在空氣中傳播，當(dāng)傳感器發(fā)射超聲波之后，若該超聲波遇到阻礙物以后發(fā)射回來(lái)，傳感器接收發(fā)射回來(lái)的超聲波，通過(guò)這個(gè)時(shí)間差，利用發(fā)射和接收的時(shí)間差以及超聲波在空氣中的傳播速度計(jì)算發(fā)射點(diǎn)到障礙物的實(shí)際距離。該傳感器檢測(cè)到的實(shí)際距離的大小直接反映了井下水位的變化情況，用該傳感器來(lái)檢測(cè)井內(nèi)的水位情況，根據(jù)水位的高度來(lái)看一下井內(nèi)的積水程度，然后根據(jù)積水程度的大小判斷是否堵塞以及堵塞的程度，如果情況超過(guò)設(shè)定值，井蓋將會(huì)報(bào)警，同時(shí)人們根據(jù)上位機(jī)系統(tǒng)的水位檢測(cè)端來(lái)觀察一下是否需要派人維修以及是否關(guān)閉報(bào)警信號(hào)，如果積水嚴(yán)重就需要派人維修。溫濕度傳感器采用LM35DZ型號(hào)的傳感器，在井蓋內(nèi)側(cè)的邊緣安裝溫濕度傳感器，用該傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)地表溫度和濕度的情況，將監(jiān)測(cè)的狀況傳輸至上位機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)，工作人員根據(jù)該傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)地表溫度和濕度的情況，反映出天氣的情況，然后判斷是否要做出相應(yīng)的具體措施。當(dāng)下雨天濕度較高或者路面積水通過(guò)井蓋邊緣滲入的時(shí)候，傳感器檢測(cè)到的濕度值超過(guò)設(shè)定值，井蓋會(huì)報(bào)警，同時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)會(huì)提示工作人員哪一個(gè)井蓋積水嚴(yán)重，然后工作人員做出相應(yīng)的舉措。該系統(tǒng)中采用GPS進(jìn)行井蓋定位，這樣方便工作人員準(zhǔn)確找到問(wèn)題井蓋的位置智能井蓋的設(shè)計(jì)方案中，下位機(jī)通過(guò)相關(guān)的傳感器采集數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)是否異常選擇井蓋是否報(bào)警，根據(jù)數(shù)據(jù)報(bào)警保證不發(fā)生意外事故，同時(shí)將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線傳輸模塊將數(shù)據(jù)傳至上位機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)中，然后工作人員可以實(shí)時(shí)監(jiān)控下位機(jī)的數(shù)據(jù)并做出相應(yīng)的應(yīng)對(duì)方案。下位機(jī)的傳感器主要有溫濕度傳感器、氣體傳感器、GPS傳感器、地磁傳感器、姿態(tài)傳感器和超聲波測(cè)距模塊，傳感器采集數(shù)據(jù)傳至上位機(jī)，再對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而得到井蓋目前的工作狀態(tài)。該智能井蓋通過(guò)單片機(jī)和傳感器相結(jié)合的方式，將采集數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)控系統(tǒng)，工作人員可以實(shí)時(shí)了解每一個(gè)井蓋的狀態(tài)，達(dá)到了有效和全面監(jiān)控井蓋的目的。

2 智能井蓋的應(yīng)用

在城市中，給水、排水、燃?xì)狻崃Α㈦娏Α⑼ㄐ诺雀黝愂姓墓迷O(shè)施日益增加和完善。為了滿足井蓋的維護(hù)和安全的需要，人們需要定時(shí)的檢查井蓋的狀況，傳統(tǒng)的井蓋存在很多的問(wèn)題，比如井蓋數(shù)量多、分布范圍廣，并且屬于不同的區(qū)域，管理難度很大等等，這樣就存在沒(méi)有來(lái)得及井蓋維護(hù)、不知道井蓋實(shí)時(shí)狀態(tài)等問(wèn)題，對(duì)人們和車輛的安全造成嚴(yán)重的影響，還會(huì)有井蓋維護(hù)成本高，效率低等問(wèn)題。因此為了維護(hù)人民的安全、提高人們的工作效率。在智慧城市中，井蓋的智能化是不可缺少的一部分，因此開(kāi)發(fā)和研究智能井蓋的上位機(jī)和下位機(jī)系統(tǒng)，減少管理成本，提高維護(hù)效率，保護(hù)市民的出行安全，是助力智慧城市的發(fā)展建設(shè)必不可少的一部分。由于人工智能、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展，人們對(duì)便捷的、高效的生活方式要求更高，因此建設(shè)智慧城市、智慧道路等智能化的基礎(chǔ)設(shè)施是未來(lái)城市的趨勢(shì)。傳統(tǒng)的井蓋以及管理模式已經(jīng)無(wú)法跟上智能設(shè)施的步伐，所以傳統(tǒng)的井蓋必將被智能化的管理模式代替。搭建基于氣體傳感器、姿態(tài)傳感器、超聲波水位傳感器、溫度傳感器、地磁傳感器和GPS傳感器等于一身的智能井蓋數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線傳輸?shù)哪Ｊ絺髦帘O(jiān)控系統(tǒng)中，人們?cè)谄脚_(tái)上能夠?qū)崟r(shí)掌握監(jiān)控井蓋的狀態(tài)，當(dāng)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)發(fā)生異常的時(shí)候，比如井蓋的傾斜角度太大、井內(nèi)水位太高、井內(nèi)有害氣體含量有時(shí)候可能會(huì)太高、某些地區(qū)的溫濕度太大等情況，傳感器檢測(cè)到這些數(shù)據(jù)之后，井蓋的報(bào)警系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)之后，同時(shí)將這些異常的狀況傳遞到上位機(jī)的工作人員，工作人員發(fā)現(xiàn)這些異常情況，然后根據(jù)定位模塊快速準(zhǔn)確的找到問(wèn)題井蓋，讓工作人員迅速準(zhǔn)時(shí)達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)，這樣不僅可以節(jié)約工作人員的工作時(shí)間，同時(shí)可以減小工作人員的工作的強(qiáng)度。

3 結(jié)論

該智能井蓋系統(tǒng)避免了傳統(tǒng)井蓋中存在的一些列問(wèn)題，比如井蓋被盜使行人墜落、井蓋使用不當(dāng)造成的安全隱患、不合格產(chǎn)品存在的安全隱患以及井蓋晃動(dòng)導(dǎo)致噪音擾民等現(xiàn)象的存在。該智能井蓋數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將多種傳感器融入下位機(jī)中，如果檢測(cè)的數(shù)據(jù)中無(wú)論哪一個(gè)數(shù)據(jù)存在異常，井蓋會(huì)出現(xiàn)報(bào)警，同時(shí)將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線傳輸?shù)哪Ｊ絺髦辽衔粰C(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)中，工作人員不僅可以實(shí)時(shí)掌握每一個(gè)井蓋的現(xiàn)狀還能夠根據(jù)定位模塊快速的找到問(wèn)題井蓋，讓工作人員迅速準(zhǔn)時(shí)達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)，這樣不僅可以節(jié)約工作人員的工作時(shí)間，同時(shí)可以減小工作人員的工作的強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了智能化管理井蓋的目的。該智能井蓋的使用，將上位機(jī)和下位機(jī)有機(jī)結(jié)合在一起，制作出智能化井蓋以及井蓋管理系統(tǒng)，不僅使得城市的井蓋得到了保護(hù)，同時(shí)也保障了人們和車輛的安全，智能井蓋為建立智慧城市奠定了技術(shù)支撐和數(shù)據(jù)依據(jù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)城市的井蓋進(jìn)行大面積監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)監(jiān)控以及準(zhǔn)確定的目的，這樣對(duì)于城市現(xiàn)代化的促進(jìn)有一定的幫助作用，同時(shí)可以推動(dòng)智慧城市的進(jìn)程，進(jìn)一步保障市民的出行安全，提高人們生活的幸福指數(shù)。

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作者簡(jiǎn)介：

張宏偉（1985-），女，黑龍江哈爾濱人，黑龍江省大慶師范學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院教師，碩士，從事信號(hào)與信息處理方向研究。

孫影（1987-），女，黑龍江大慶人，黑龍江省大慶師范學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院教師，碩士，從事檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置方向研究。

基金項(xiàng)目：

大慶市指導(dǎo)性科技計(jì)劃項(xiàng)目《基于物聯(lián)網(wǎng)的城市智能井蓋管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)》（編號(hào)zd-2020-05）

（大慶師范大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163712 ）