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

駱 煒，龍 馨，龍光利

（1.陜西理工大學(xué) 物理與電信工程學(xué)院，陜西 漢中 723001；2.陜西理工大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理與法學(xué)學(xué)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(dāng)井蓋被損壞或者被盜，如果不盡快處理，就會(huì)有車輛或行人因?yàn)椴恢肋@個(gè)情況而發(fā)生不安全的事故。因此，對(duì)破損或者被盜的井蓋及時(shí)報(bào)警、盡快進(jìn)行維護(hù)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(duì)于井蓋的管理和維護(hù)難度也很大，對(duì)井蓋進(jìn)行有效監(jiān)控是市政管理的一個(gè)重要內(nèi)容[1]。通過物聯(lián)網(wǎng)智能監(jiān)測(cè)裝置來監(jiān)測(cè)井蓋狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)、修復(fù)破損或被盜井蓋，對(duì)推動(dòng)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(tái)

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(shí)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(gè)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(shí)現(xiàn)平滑升級(jí)[2]。NBIoT是IoT領(lǐng)域一個(gè)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(yīng)用層。感知層由各種傳感器構(gòu)成，包括RFID標(biāo)簽和讀寫器、攝像頭、溫濕度傳感器、二維碼標(biāo)簽、紅外線、GPS等感知終端，是物聯(lián)網(wǎng)識(shí)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(jì)算平臺(tái)等組成，是整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)的中樞，負(fù)責(zé)傳遞和處理感知層獲取的信息；應(yīng)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(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的智能應(yīng)用。

OneNET平臺(tái)是中國移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)公司推出的物聯(lián)網(wǎng)解決方案平臺(tái)，完善了協(xié)議的封裝，簡(jiǎn)化了開發(fā)流程，讓開發(fā)者專注于應(yīng)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(gè)人定制[3]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

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(cè)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(tái)連接，通過手機(jī)APP或者電腦PC端，可以登錄OneNET云平臺(tái)查看數(shù)據(jù)信息；通過串口2與GSM模塊進(jìn)行通信，在井蓋姿態(tài)異常情況下發(fā)送短信至維護(hù)人員手機(jī)；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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。NB-IoT模塊和SIM900模塊與單片機(jī)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(tái)后，可用手機(jī)APP或者電腦PC端來遠(yuǎn)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(jí)流水線內(nèi)核是一個(gè)可綜合、高度可配置的處理器[4]。

MPU6050姿態(tài)檢測(cè)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(cè)井蓋的狀態(tài)，判斷井蓋是否松動(dòng)或被無故開啟。

HC-SR04超聲波測(cè)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(hào)，該信號(hào)被物體反射回去，并被接收器（基本上是壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)換器）接收，傳感器收到信號(hào)后，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)弱電壓信號(hào)[6]。

OLED顯示模塊：2.4寸I2C總線驅(qū)動(dòng)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(shí)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(jì)中的單片機(jī)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(cè)模塊：水位傳感器通過使用平行導(dǎo)線跡線測(cè)量液滴的大小/水的體積來測(cè)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(duì)應(yīng)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(dòng)2G的GSM短消息平臺(tái)和GPRS數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，同樣也支持一些3G/4G手機(jī)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(jìn)行供電，也可單獨(dú)供電[8]。

DHT11溫濕度模塊：包含溫度和濕度檢測(cè)功能。該傳感器由電阻類型的濕度測(cè)量器件和NTC類型的溫度測(cè)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(dāng)前實(shí)時(shí)溫度和濕度[9]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

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(tái)，并通過串口通信的方式控制GSM模塊實(shí)現(xiàn)短信報(bào)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(shí)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(shí)現(xiàn)報(bào)警功能的GSM模塊開始需要檢測(cè)SIM卡狀態(tài)和信號(hào)，并且對(duì)電源有一定的要求，必須保證電流達(dá)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(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行整體調(diào)試。上電后，系統(tǒng)會(huì)對(duì)NB-IoT模塊、GSM模塊進(jìn)行配置，初始化MPU6050和超聲波測(cè)距模塊；系統(tǒng)初始化成功后，各個(gè)模塊開始工作，DHT11模塊和水位檢測(cè)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)時(shí)監(jiān)控井蓋狀態(tài)信息，配合著超聲波測(cè)距模塊進(jìn)行檢測(cè)。在正常情況下，井蓋狀態(tài)正常時(shí)，系統(tǒng)不會(huì)發(fā)出報(bào)警提示。在井蓋發(fā)生傾斜并且處于該狀態(tài)5 s以上時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)認(rèn)為井蓋狀態(tài)發(fā)生異常，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出蜂鳴器報(bào)警并且在顯示屏上顯示“井蓋異常”；同時(shí)通過GSM模塊發(fā)出“井蓋狀態(tài)異常，請(qǐng)注意！”的報(bào)警短信到指定人員的手機(jī)，提醒維護(hù)人員前來對(duì)井蓋狀態(tài)進(jìn)行檢查，蜂鳴器報(bào)警可以提醒行人注意安全。

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

圖5 井蓋傾角過大時(shí)的報(bào)警短信

圖6 井蓋丟失時(shí)的報(bào)警短信

當(dāng)水位超過所設(shè)定的預(yù)設(shè)值時(shí)（實(shí)驗(yàn)中閾值水位設(shè)置為38 mm），水位檢測(cè)器監(jiān)測(cè)到水位溢出，系統(tǒng)會(huì)判定水位過高，觸發(fā)系統(tǒng)的LED報(bào)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(bào)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(bào)警短信

5 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)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。基于“互聯(lián)網(wǎng)+”形成“井蓋網(wǎng)”，可實(shí)現(xiàn)對(duì)井蓋狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，判斷井蓋是否松動(dòng)或被人打開，實(shí)時(shí)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(hù)人員可隨時(shí)查看井蓋狀態(tài)。