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。

本設計是一種動力裝置與及單片機技術結合的，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、液晶顯示模塊、網絡系統等部分組成。

隨著時間的發展，現在我們已經進入了信息化時代、大數據時代。一切都開始變得智能化，而智能家居的出現給人們帶來了極大的便利，智能出行的發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，傳統的下水道窨井蓋經常因為損壞丟失而引發一樁樁慘禍。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傳統的下水道窨井蓋。

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送到相關網絡系統，給維修人員發出修理提醒，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 研究的背景及發展現狀

近年來，因為傳統的下水道窨井蓋被盜、破損、管理維護不當導致的意外事件頻頻發生，嚴重地危害到了人民群眾生命財產安全，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如圖1 所示。

圖1 近五年全國墜井事件數量

傳統井蓋不僅易丟失，而且還有一些管理劣勢：人力維護成本高以及人員監督管理難，隨著物聯網發展，智慧井蓋出現并持續發展。

我國現在提倡鄉村振興，近幾年全國井蓋應用數量一直呈現上升趨勢。

綜上所述，本項智能井蓋的發展前景良好。

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。

該產品改變了傳統井蓋的容易損壞、丟失以及難以統一管理、統一治理的缺點，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 總體設計分析

2.1 功能需求分析

傳統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，否則不能夠將窨井蓋拆下帶走。

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，當濃度達到一定的限度，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 端發出警報。

除此之外，傳統窨井蓋的另一個缺點就是不能發出警報。故而，本裝置設置了相應的警報裝置，能夠適當的震懾偷盜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意外。

綜上所述，我們需要設計的智能防盜下水道窨井蓋裝置總體功能設計有以下幾個方面：難以拆卸、身份識別、指紋開鎖、防盜提醒（內含當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）、對下水道內部的氣體進行檢測等。

2.2 系統總體設計

首先要介紹的是智能下水道窨井蓋裝置的外觀結構。其外觀結構如圖2 所示。

圖2 智能下水道窨井蓋裝置外觀結構圖

該裝置的外圍（即2—窨井蓋外圍）相似于一般下水道的環狀結構，內有凹槽，能夠與下水道窨井蓋相互契合，環狀結構內部的凹槽處安裝有一些光敏二極管（即紅外檢測裝置）。下水道窨井蓋一側是跟外圍的環狀結構固定在一起的旋轉結構（即5—轉軸），是下水道窨井蓋開關轉動的支撐點，內嵌彈簧。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，當輸入指紋正確則鎖會打開，經過彈簧的彈性形變，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過產生的摩擦。

其次介紹的是其各種檢測模塊與下水道窨井蓋之間的聯系。

指紋鎖裝置（即1—指紋檢測部分）能夠檢測指紋，只有當指紋被識別系統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。

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狀結構的內測，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出的光的反射光），若窨井蓋缺失或者損壞不僅該產品處的警報器會響，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，使控制端發出警報，讓計算機網絡系統、手機APP 等網絡管理系統收到信號。

警報系統（主要為8—蜂鳴器）是通過主控芯片來觸發的。當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，進而將接收到的結果送往主控芯片。主控芯片檢測到所設定的標志位變量發生了變化就會使蜂鳴器發出響聲。同時通過通信模塊向手機APP 和計算機網絡系統發出警告，使相應的下水道窨井蓋的標識由綠色變為紅色。

穩壓模塊（即9—穩壓模塊，位于下水道窨井蓋下方）采用市場上常用的穩壓模塊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的半導體式氣體傳感器。當半導體式氣體傳感器檢測到下水道內的氣體濃度對人類的身體機能甚至是性命產生威脅，或者檢測到下水道內的氣體濃度易燃易爆等情況時，能夠讓手機APP 的相應的下水道窨井蓋的標識變成黃色，警示維修人員此時進入井內容易發生危險。

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，該系統總體設計的具體控制流程圖如圖3 所示。

圖3 系統總體設計流程圖

3 功能實現分析

3.1 紅外檢測系統

該問題的解決是在外圍的內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光二極管的光，都會做出缺失判斷，進而將結果通過音頻矩陣切換器反饋到計算機管理系統以及手機APP。

紅外檢測系統能夠檢測窨井蓋是否跟外殼完全契合（即是否關閉良好），并發出信號，將結果傳遞到電腦端與手機APP，若窨井蓋受到未經檢測或者檢測錯誤的人員的破壞的時候窨井蓋能夠發出警報，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送到下水道系統的管理端。

3.2 警報系統

該裝置中的報警系統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，從而驅動蜂鳴器發出聲響。電阻R1 是一個上拉電阻，用來防止蜂鳴器誤發聲。當蜂鳴器BEEP 的引腳輸出低電平時，PNP 三極管TP1導通，蜂鳴器發聲；當蜂鳴器BEEP 的引腳輸出高電平時，PNP 三極管TP1 截止，蜂鳴器停止發聲。具體電路如圖4 所示。

圖4 蜂鳴器電路原理圖

當智能防盜下水道窨井蓋經過紅外檢測系統，發現異常狀況時，中斷系統就會被觸發，蜂鳴器啟動發出警報。

3.3 遠程通信

該裝置的遠程通信方面的功能是由nRF905 無線芯片實現的。

nRF905 無線芯片是由挪威NORDIC 公司出品的低于1 GHz 無線數傳芯片。芯片內置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調制器等功能模塊，輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置。該模塊能夠將數據進行無線遠程傳輸，在該裝置中，起遠程通信作用。該芯片非常適合于低功耗、低成本的系統設計。

3.4 指紋檢測技術

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。其應用的主要的傳感器有光學傳感器、半導體傳感器等，除此之外，其主要技術還有指紋模塊。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果。

圖5 指紋檢測步驟流程圖

3.5 氣體濃度檢測技術的原理及應用

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體材料，在一定溫度下，電導率隨著環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容，故半導體式氣體傳感器能夠很好地適用該裝置。

根據搜索到的資料可得當環境中一氧化碳的濃度不超過100 PPM 時，人體處于安全環境；當煤氣濃度低于24 PPM時，人不會有生命危險；當硫化氫的濃度不超過100 PPM 時，人體出于安全環境；當氧氣濃度在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轉換，并對所轉換的數字量進行分析與判斷，當所有氣體的濃度都處于人體能夠正常生活的范圍內時，手機APP 上對應的圖標為綠色或紅色，表示下水道內部安全。反之，當手機APP上對應的圖標為黃色或橙色（橙色代表下水道內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生意外。

3.6 單片機主控模塊的設計

對于單片機主控模塊，整個系統程序采用模塊化結構設計，技術比較成熟，目前所使用的是基于MCS-51 系列的STC89C52 開發板。

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）在系統可編程芯片，其指令代碼完全兼容傳統的8 051 單片機，最高工作時鐘頻率為80 Hz，片內含4K Bytes 的可反復擦寫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準MCS-51 指令系統及80C51 引腳結構，芯片內部由通用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部，可以不使用通用編程器，而且速度更快。

雖然現在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來說，其實并不需要如此精細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，由藍牙發出信號，發送給網絡系統。

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。在該系統中，最高優先級的中斷程序主要用作警報器的使用。中斷系統的部分代碼為：

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），以下是具體測試結果。

4.1 報警部分測試

報警系統的響應主要分為兩個部分，第一部分為發出鳴叫聲，第二部分為手機APP 的相應位置發生顏色變化。

根據多次實驗，獲得實現結果如表1 所示。

表1 報警系統實驗結果匯總

其中，第四次實驗結果中雖然手機APP 顏色是否發生變化這一實驗結果出現了錯誤，但是其他實驗結果發現該系統響應正常，其可判定為產生了誤差。故該處錯誤可以忽略，認為報警系統的響應正常。

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氣、一氧化碳、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，為井下安全作業保駕護航。可燃氣為可買賣氣體資源，容易獲得；一氧化碳和氧氣根據材料也可以輕易獲得；但是硫化氫不易置備。此處對于可燃氣、一氧化碳的濃度進行了測試，測試結果如表2所示。

表2 氣體濃度測試結果匯總

根據實驗結果可得，當各項氣體濃度不會威脅人體的生命安全時，手機APP 上對應的圖標顏色不會發出提示；而當其中一項氣體濃度會威脅到人體生命安全時，手機APP上對應的圖標會根據情況變為黃色或橙色。綜上所述，可確定該裝置的氣體濃度檢測部分響應正常。

5 結 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、現在所擁有的技術以及主要技術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，以及各種檢測技術入手，分析了各種技術的原理以及應用，并對智能防盜下水道窨井蓋裝置的技術支持以及材料選擇方面做出了詳細的介紹。

智能防盜下水道窨井蓋裝置的研發與實現，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用于城市的下水道管理系統中。