物聯網技術視域下城市井蓋監測系統的設計與實現

李 猛 郭 城 張俊杰 吳凱軍 林學志 王偉海

（蚌埠學院計算機與信息工程學院，安徽 蚌埠 233000）

0 引言

隨著社會經濟的快速發展，城市化進程在不斷加快，人們的生活質量也在不斷提高。經過多年發展，我國城市地下管網系統具有分布范圍廣、類型復雜等特點。現階段，我國各個城市對管網的維護仍然比較滯后，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，國內城市地下管網事故頻發，如井蓋損毀、遺失等現象較為常見，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的維護不及時，從而造成車輛發生交通事故等，甚至“井蓋吃人”事件頻發，嚴重威脅居民的人身安全。此外，由于地下管網維護不及時，導致井內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生。其次，城市道路規劃對地下管網的分布也有影響，管網布局分散、環境錯綜復雜、管道種類多樣、管理維護存在缺失等問題導致城市地下管網的維護難度在不斷增大，維護效率卻在逐漸降低。再次，城市內澇問題也會影響地下管網的安全，若下水道中的垃圾過多，雨水過大時容易造成堵塞，導致泄洪能力不足或井蓋上浮，危害行人安全。

隨著5G 技術的發展，世界通信行業也迎來了新的“高潮”。5G 技術與智慧城市相融合，能夠快速推進智慧城市的建設和發展。而傳統的市政公共設施管理模式已無法滿足智慧城市的發展需求。本研究基于集成式傳感模塊與NB-IoT 技術，設計了基于物聯網技術的城市井蓋監測系統，可實現對地下管網井蓋的精確定位、實時信息監測、有毒氣體的檢測以及水位數據的展示等。當監測系統檢測到異常時會觸發警戒裝置，從而及時消除安全隱患。

1 需求分析與系統總體方案設計

1.1 需求分析

在日常生活中，經常有某市下水道爆炸、井蓋翹起或丟失的新聞報道，而這些事件發生的原因也是多種多樣的。目前，城市地下管網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確地找到問題井；城市地脈因其性質不同而被劃分到多個部門進行管理，這就導致無法在第一時間解決問題。根據目前城市地下管網管理現狀，本研究設計基于物聯網技術的城市井蓋監測系統，能夠解決3 個問題：①系統在監測到井蓋數據異常時會自動報警，會在第一時間將數據信息發送至OneNet 平臺，并在前端顯示出來，從而實現對地下管網的精準定位；②井內數據顯示異常時，根據井內數據及時做出應對策略，確保能在第一時間解決問題；③對地下管網數據進行匯總，對頻發事故做出預案調整。

1.2 系統總體設計方案

本研究所設計的物聯網技術視域下的城市井蓋監測系統是對城市地下管網進行智能監管，將物聯網技術應用到城市地下管網監測中，降低危險事故發生的頻率，該系統操作簡單、智能集成度高，在很大程度上能減少此類事故的發生概率。該系統由數據采集、終端傳輸、用戶應用構成，系統框架圖見圖1。

圖1 系統框架圖

2 整體設計及硬件設計

2.1 系統整體設計方案

本研究設計的城市井蓋監測系統包括后臺工作人員管理系統、井蓋定位模塊、甲烷檢測模塊、水位檢測模塊以及基于NB-IoT 技術的數據傳輸模塊，系統整體設計框架圖如圖2 所示。各模塊節點可通過STM32單片機對井蓋進行狀態檢測，通過水位傳感器對水位進行監測，通過甲烷傳感器對井內甲烷氣體進行實時監測，MEMS 陀螺儀可對井蓋的移位、浮動狀態進行監測，從而實現井蓋的防盜功能。集成式傳感器采集到的數據通過NB-IoT 技術上傳到城市井蓋監測系統中。管理人員可通過系統后臺數據來了解井蓋狀態，并處理警情，實現對城市地下管網的智能化管理。

圖2 系統整體設計框架圖

2.2 控制單元選型

本研究設計的城市井蓋監測系統以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絡中，具有很好的延展性，可降低部署成本，實現平滑升級。NB-IoT的電路圖如圖3所示。

圖3 NB-IoT電路圖

控制單元與STM32 芯片對網絡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，在一定程度上節省功耗，使設備的使用時間更長。控制單元支持0、1、2 三個覆蓋增強等級（CE Level），分別對應可對抗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，控制單元會根據后臺發送的操作指令進行智能工作，在地下管網一切正常時會進入低功耗狀態，等待后臺指令的喚醒。

2.3 傳感器模塊設計

該模塊在設計時要遵循節能降耗的原則，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定的產品。

監測系統選用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，其獨特的結構和信號采集標準體系為本研究提供了更全面的支撐。

監測系統選用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，產生一個與甲烷含量成比例的微弱信號，在經過多級放大電路放大后產生一個輸出信號，并將該信號送入單片機片STM32 的A/D 轉換輸入口，將此模擬量信號轉換為數字信號［3］。然后單片機對此信號進行處理，并顯示出來。當氣體中有害氣體的濃度超過設定的閾值時會觸發報警功能，并對管道進行疏導，避免地脈井發生爆炸。

為防止井蓋出現翹起、移位、丟失等現象，本研究對井蓋進行特殊處理。微電機（MEMS）陀螺儀可用于檢測井蓋翹起的角度，并通過STM32 模塊將當前井蓋狀態及時上傳到系統。微電機陀螺儀是通過對固定指施加電壓，并交替改變電壓，讓一個質量塊做振蕩式來回運動，旋轉時會產生科里奧利加速度，此時就可對其進行測量。微電機陀螺儀可精準感測自由空間中復雜的移動動作，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）就能夠自主發揮功能，并可通過微電機陀螺儀來實現定位功能，在一定程度上節省資源。

2.4 集成硬件設計

本系統的硬件部分可分為3 個模塊：可燃氣體數據采集模塊、井蓋位置傳輸系統、水位監測模塊，每個模塊都由STM32 單片機進行數據獲取。將三個模塊采集到的數據信息通過NB-IoT 技術和基站上傳到城市井蓋監測系統中，管理人員可實時查看數據，并對故障進行排除。監測系統的硬件圖如圖4所示。

圖4 監測系統硬件圖

本研究設計的系統可實現以下5個功能。

①設備健康監測。當傳感器上傳的數據出現異常時，會觸發后臺報警裝置，平臺會根據當前的警情進行分類，并通知工作人員排除故障。同時，各檢測設備自身的狀態信息也會定時上傳到后臺，包括設備運行狀態、是否短路、信號閾值等信息，以此來判斷設備是否健康。

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

③設備報警。根據系統設定的閾值，并結合傳感器上傳的異常數據，從而觸發不同類別的報警，如水位異常導致井蓋浮沉、甲烷濃度超標、井蓋異常開啟或移位、設備信息故障或丟失、電壓過低等，通過發出報警信息來通知管理人員及時進行搶修。

④管網維護模塊。設備異常時會觸發報警裝置，并將相關信息發送給管理人員，管理人員根據具體情況來啟動搶修流程，通知維護人員進行設備搶修工作。由于系統集成了定位模塊，可大大降低排查難度。

⑤管網數據分析。對集成傳感器上傳到后臺的數據進行大數據分析處理，生成可視化分析影像，用來分析近期事故頻發的原因，及時對策略進行調整。

3 系統軟件設計

3.1 軟件概述

本研究選用Java 語言、MySQL 和Spring 框架對系統軟件進行設計，并結合OneNet 中國移動物聯網管理系統，構建集井蓋位置數據、井內水位監測信息、井內氣體監測數據為一體的數據管理平臺。后臺權限為超級管理員，通過設備健康監測管理功能可實現對當前城市地下管網的環境信息動態掌握。

3.2 系統整體設計架構

3.2.1 平臺使用前后端分離技術，后臺負責實現PC 端登錄登出、權限管理、數據列表地圖顯示、數據報警、消息推送等功能［4］。后臺框架基于SpringBoot、MyBatis、Maven 的聚合項目，數據庫選用MySQL 數據庫，開發環境為IntelliJ IDEA。本研究選擇的技術框架可大大減少代碼的數量，從而提高運行效率。相比于早期的Jsp、Servlet 技術，SpingBoot 框架的代碼復雜度較低，且SpringBoot內置的Tomcat 不用再重新配置，可減少XML 頁面代碼的數量，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。作為當前主流的輕量級數據庫，MySQL數據庫可毫無壓力運行千萬行數據，其性能在各方面都超越同類開源數據庫軟件，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 進行組件化開發，使代碼編寫量大大減少。Vue 最突出的優勢是可對數據進行雙向綁定，其頁面響應效果是響應式的，這使得網頁的顯示效果非常好。相比傳統的頁面，Vue 使用的路由方式不會刷新頁面。為了增強用戶的交互性，平臺結合ELement UI 進行拔插式開發，平臺總體設計采用流式布局，業務框架可分為頂部菜單欄、左側菜單欄以及頁面顯示區。菜單欄可根據用戶的不同權限來顯示不同的功能信息。頁面之間的數據傳輸選擇axios通信協議，組件之間的跳轉以路由的方式進行，用戶訪問頁面時，路由會根據用戶攜帶的Token進行比對，如果比對成功，則執行相應的操作，否則將返回Message信息，提示用戶操作失敗。本研究設計的系統采用前后端分離模式進行開發，數據傳輸采用axios 通信協議，文檔接口采用Swagger 進行比對，并通過組件將內容的雙向綁定回顯到前端。系統架構圖如圖5所示。

圖5 系統架構圖

3.3 物聯網技術視域下的城市井蓋監測系統設計

城市井蓋監測系統采用Web 與服務器相結合的方式進行設計，數據庫采用MySQL 數據庫，系統服務端以SpringBoot 為主體框架、Mybatis 為持久層框架。地脈監測系統作為數據可視化的主要依據，在整個項目中發揮著重要作用，采用超文本傳輸協議（HTTP 協議）作為連接服務器的通信協議，這是因為在網絡環境中超文本傳輸協議傳輸速度快、可用性強，能夠將采集到的數據及時傳送到地脈監測系統中。管理系統可分為井蓋管理、系統管理、可燃氣體管理、位置信息查詢、水位管理、地脈數據匯總等模塊。系統設計圖如圖6所示。

圖6 系統設計圖

3.3.1 井蓋管理模塊。對每個井蓋進行特殊處理，在節約環保的基礎上，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 單片機將當前井蓋的狀態及時上傳到系統［5］。且每個井蓋都有獨立的ID 編號，方便后期維護。

3.3.2 可燃氣體管理模塊。本研究采用TGS3870 傳感器作為檢測甲烷的傳感器，系統可對城市內的地下管網中甲烷氣體的濃度進行實時監測，并根據設定的閾值對當前管網狀態進行評估，當濃度超過閾值界限時會立即發出報警信息，通知工作人員進行處理。

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，系統根據MPM489W液位變送器上傳的數據及時作出判斷，該模塊在下雨天發揮著重要作用。

3.3.4 城市地下管網數據匯總模塊。該模塊主要對整個系統的各類情況進行匯總，并將其分為日視圖、周視圖、月視圖及往期數據4 個視圖層，可對城市地下管網數據進行有效記錄和管理。

4 產品測試與應用

將制作好的產品放在井蓋下30 cm 處，對井內情況進行實時監測，并對地下管網進行編號，將采集到的數據及時上傳到云服務平臺，并將云服務平臺接入到消防內網或相關部門內網。然后進行大數據可視化顯示，若管網內的數據或井蓋出現異常，將會觸發自動報警功能，并通知相關人員第一時間進行處理。同時，要對井蓋進行加工處理，強化井蓋的牢固度。內部人員可通過登錄PC 端或移動端實時查看各種數據，一旦發現異常數據，就會以彈窗加警報的方式通知工作人員。產品測試如圖7至圖9所示。

圖7 產品測試圖

圖8 設備狀態圖

圖9 模塊連接圖

5 結語

由于城市地下管網的安全問題頻發，本研究結合物聯網及嵌入式技術，在NB-IoT 技術與STM32單片機的基礎上，設計了一套城市地脈監測系統，在一定程度上解決了城市地下管網存在的安全隱患，降低地脈事故發生的頻率。