城市智能井蓋監測系統設計

劉忠強 張立 張春曉 孔祥飛 申安安

摘要：本文設計了基于ZigBee和51單片機的城市智能井蓋監測系統。系統分為底層數據采集系統和遠程數據監控系統兩部分，底層采集系統通過傳感器采集井蓋的相關數據，用51單片機對其進行處理分析得出井蓋的工作狀態，再通過Zig-Bee把井蓋狀態信息發送給監控系統。監控系統的51單片機讀取到從ZigBee模塊發送來的井蓋狀態信息之后會在LCD1602液晶屏上顯示出來，若是處在故障狀態時會報警。本系統利用物聯網技術、傳感器技術和無線通信技術幫助井蓋維護人員實時了解井蓋工作狀態，并在井蓋出現故障時及時發現及時處理，對于提高城市管理效率保障市民出行安全有著很大幫助。

關鍵詞：井蓋監測系統;ZigBee;傾角傳感器：51單片機

文章編號：2095-2163（2020）03-0260-03

中圖分類號：TP277

文獻標志碼：A

0引言

近年來，隨著城市道路基礎設施的加快推進建設，作為城市路網重要配件的各種井蓋已遍布在生活中的每個角落。目前，井蓋主要依靠人為檢修或者市民保修的方式來進行維護，但是考慮到井蓋數量多、分布范圍廣、且分屬不同的管理部門，則導致井蓋維護難度大，故障發現及排除效率低，現已成為城市發展過程中亟待解決的一個根本性問題。

本文以51單片機為核心，通過傳感器采集傾角、距離等參數來實現對井蓋工作狀態的實時檢測。檢測到的井蓋工作狀態信息通過ZigBee無線網絡發送給遠端的監測裝置，當井蓋出現故障時監測裝置會及時報警，讓管理維修部門能在第一時間發現問題，從而有效防范后續可能事故的發生。

1系統整體設計

系統硬件主要由數據采集系統和數據監測系統兩部分構成。系統總體框圖如圖1所示。

2系統硬件設計

2.1單片機最小系統

單片機最小系統就是能使單片機正常運行的最基本電路，主要由晶振電路和復位電路構成。本系統選用的是STC89C52RC單片機。

2.2完整性地網監測電路設計

為了檢測井蓋是否損壞，設計了一個完整性地網檢測電路。所謂完整性地網其實可以看作一根長導線，鋪展在井蓋上或者在井蓋制作時就埋在井蓋內部。當井蓋破損時地網也會破損，那么只需檢測這根導線是否完好就可以判斷井蓋是否完整了。把地網的兩端接在圖2所示的電路接點兩端，再通過一個三極管構成的反向電路，當地網完好時，單片機上對應引腳為高電平，若地網破損則該引腳被拉低。通過檢測這個引腳的電平狀態即可得出井蓋是否損壞。

2.3傾角傳感器電路設計

傾角傳感器是本系統設計中至關重要的組成部分，為了確保在不同的情況下都能有效發揮作用，本系統選用了2種不同的傳感器共同工作，包括能判斷是否傾斜的SW-520D和能測出具體傾角值的ADXL-345加速度傳感器。與之相適應的檢測電路分別參見圖3、圖4。

2.4超聲波測距傳感器電路設計

研究可知，在某些情況下，井蓋會完全脫離槽位，此時的井蓋未被蓋好，同時傾斜角度也不大，達不到報警的閾值。本系統是在測量井蓋的傾角的同時再配合測量裝置到井壁的距離來解決這個問題。若井蓋的傾角在正常范圍內，那么判斷裝置到井壁的距離，若此距離正常才能判斷井蓋處于蓋好的狀態下，若此距離值異常即說明井蓋沒有蓋好。本文選用的測距傳感器是HC-SR04超聲測距波模塊，測量范圍在2～450cm之間。

2.5ZigBee硬件電路設計

ZigBee模塊在數據采集裝置和遠程監測裝置中起著不同的作用，但是電路構成卻是相同的。ZigBee模塊以CC2530為核心控制芯片，CC2530工作電壓為3.3V，故而模塊上配有5V轉3.3V電路。此外，還包含晶振和一部分接出來的IO口以及在線調試電路。

3系統軟件設計

3.1數據采集系統程序設計

數據采集系統的功能就是通過傳感器采集到的數據來判斷井蓋的工作狀態，并把工作狀態發送出去。主要包含傾角傳感器的子程序、超聲波測距模塊的子程序和ZigBee發送程序。通過控制傳感器采集數據，再對這些數據進行分析，從而得到井蓋的工作狀態。軟件流程圖如圖5所示。

3.2數據監控系統程序設計

數據監控系統的主要功能是接收數據，顯示井蓋的工作狀態并且判斷狀態是否正常，是否需要報警。程序設計流程如圖6所示。

4系統調試

調試的過程中遇到了許許多多的問題。例如調試超聲波測距模塊時不能正常計算返回信號持續時間，究其原因則在于需要預先將echo腳拉低。調試ADXL-345傳感器時值總是不準，而后當設置閾值后得以解決。在調試串口通信部分出現了數據錯位的問題，而在通信數據上加了一位標志位后，該現象則不再出現。最后，經過整體調試后，本系統全部功能已基本實現。

5結束語

本文設計的監測系統主要包含2個部分。數據采集模塊通過多種傳感器采集到的數據分析出井蓋的狀態再把狀態信息通過無線通信的方式發送出去，遠端監測模塊則在接收處理采集裝置發送的信息后，對井蓋的狀態提供實時顯示并報警提醒用戶。本文系統對城市的管理、基礎設施的有效監管和維護有著一定的現實意義。