基于北斗定位的智慧城市窨井蓋安全監測系統設計

龐啟明，吳有龍，楊 娟，梁楷博，汪韜涵，何 淼，朱禹杭，卓 沖

（1.金陵科技學院 電子信息工程學院，江蘇 南京 211169；2.南京師范大學 計算機與電子信息學院，江蘇 南京 210023；3.金陵科技學院 智能科學與控制工程學院，江蘇 南京 211169）

0 引 言

近年來，智慧城市建設發展十分迅速，基礎設施建設持續進行，窨井蓋作為城市建設中不可缺少的一部分，其數量也在不斷增多，但是數量龐大的窨井蓋存在著管理方式落后、井蓋狀態難以確認、易遭偷竊和定位難等問題[1-2]。當今城市化程度越來越高，人們對于安全的重視程度也越來越高。然而傳統的窨井蓋功能過于單一，僅用于排水，能夠實時檢測周圍環境的窨井蓋較少。如果能將窨井蓋的基本排水功能和氣體、水深檢測結合起來，則能夠進一步保障行人的安全以及檢修人員的管理并提高其工作效率。

國內目前有許多關于窨井蓋管理智能化的研究。例如郭金鵬等人[3]利用NB-IoT 實現井蓋數據定期上傳以監控井蓋狀態，并由此應對井蓋管理難的問題。為了解決井蓋狀態信息獲取困難的問題，李澥等人[4]設計了利用微控制器和數據采集模塊獲取井蓋數據的智能井蓋管理系統；車亞進[5]利用云平臺實現了智能井蓋系統的智能化、數字化。以上研究提供了數據獲取和傳輸的思路。國外也有許多相關研究，Rasheed等人[6]利用IoT進行數據傳輸，建立了井蓋監控系統；Mattheuwsen等人[7]設計的井蓋定位系統提供了定位井蓋的新思路。

為了方便管理人員管理窨井蓋，實時監測井蓋周圍環境顯得十分重要。通過物聯網技術實現的基于北斗定位的智慧城市窨井蓋安全監測系統能夠在井蓋基本功能完整情況下有效觀察井蓋周圍情況，方便人員管理[8]。在一些特殊環境下，如存在有害氣體的環境下，未被允許而將窨井蓋移位時，窨井蓋能夠實時檢測井蓋周圍情況，并由4G 模塊傳輸信息[9-10]至網頁端同時發出報警，當監管人員收到信息后可及時前往維護。

1 系統設計

基于北斗定位的智慧城市窨井蓋全自動安全系統總體設計如圖1所示。該系統硬件部分是搭載有傳感器的STM32單片機，通過壓力傳感器檢測井蓋上方的水深數據傳輸到單片機，窨井蓋實時將位置信息和水深信息通過4G 通信模塊發送給服務器，工作人員可通過網頁端查看窨井蓋對應的信息。當存在異常情況時，窨井蓋會發出報警，同時向網頁端進行同步報警，管理人員收到消息后及時進行搶修。

智能窨井蓋共有4 個部分：總控模塊，負責獲取井蓋周圍環境數據并與總控模塊進行通信；報警模塊，負責發出聲音報警；通信模塊：負責數據的傳輸；網頁端主要具有信息顯示功能，將智能窨井蓋收集到的數據進行整合顯示。

2 相關技術

2.1 STM32 控制板

STM32 控制板上電后首先對4G 模塊進行初始化處理，通過串口發送指令對4G 模塊進行初始化，再對其進行判斷，若成功則進行下一步操作，反之，則重新進行初始化。接著啟動壓力傳感器，將壓力傳感器的相關采集數據進行處理，依據算法得出深度，通過4G 模塊發送到服務器并存儲在數據庫中，之后壓力傳感器暫停工作，待到設定間隔時間結束繼續進行數據采集分析上傳。

2.2 4G 通信技術

4G 通信技術較好地保留了用戶信息甄別、傳輸、使用、存儲的完整性和可靠性。該技術是更加穩定的網絡技術，能夠更加迅速便捷地傳輸數據，功能也更趨多樣化。EC20 4G模塊的優勢有網絡協議豐富、工業標準接口集成度高、支持多種驅動和軟件功能，較為符合窨井蓋安全監測系統的要求。

2.3 EMQ 與MQTT 協議

EMQ 為開源物聯網MQTT 消息代理服務。EMQ 為IoT、M2M、智能硬件和移動消息傳遞應用程序提供MQTT代理，物聯網、M2M 傳感器和執行器可以通過EMQ 代理連接，這些代理收集傳感器數據并同時流式傳輸到各個后端，可將各傳感器數據通過EMQ 進行傳輸，大大提升可操作性。

MQTT 是一種輕量級的通信協議，建立于TCP/IP 協議之上，可以憑借極少代碼以及有限帶寬為遠程設備提供實時穩定的消息服務，滿足系統對于輕量化的要求。

2.4 北斗衛星定位技術

北斗衛星導航系統的優點在于精度高、覆蓋范圍廣，作為我國自主搭建的全球衛星導航系統，是全球第四個體系較為完整的衛星導航系統，其有3 個組成部分，分別為空間、地面、用戶；可在全球范圍內全天為用戶提供定位、導航、授時服務，可準確定位本系統中窨井蓋的位置，符合本系統設計要求。

2.5 壓力傳感器

MS5837-30BA 壓力傳感器使用I2C 接口，其有較高的分辨率，能夠在窨井蓋上方有積水時采集窨井蓋上方水壓數據，并通過I2C 接口傳遞給STM32，再根據一定算法測得水深。其小巧的體積能夠很好地與窨井蓋結合且不影響人員從上方通行，與系統整體適配程度較高。

2.6 角速度傳感器

JY61P 模塊能夠滿足不同場景的應用，快速解算出該場景下模塊的實時運動姿態，有著高性能的微處理器和先進算法，較為契合對姿態解算靈敏度較高的窨井蓋安全系統。該模塊支持多種連接方式，如串口和I2C 兩種數字接口。此外，較小的模塊能夠在各種環境中正常運作。與窨井蓋結合后，能夠在井蓋異常翻動時給出響應。JY61P 模塊內部在等待一定時間后會自動校準，且會根據算法進行自動計算。

2.7 激光測距傳感器

WT53R-TTL 激光測距傳感器采用了金屬外殼和防水設計，能夠適應井蓋下較為潮濕的環境。傳感器也自帶硬件報警功能，可以使用上位機設置報警距離，當傳感器測量距離小于報警閾值，報警線會觸發報警電平，與窨井蓋結合能夠在設置閾值后有效監測井下水位。

2.8 氣體傳感器

二氧化錫對可燃氣體較為敏感，其在較少可燃氣體的空氣中電導率較低，作為MQ 氣體傳感器的氣敏材料能夠較好地監測窨井蓋周圍的燃氣含量。當傳感器所處的環境中可燃氣體含量增大時，氣敏材料的電導率也會隨著可燃氣體濃度升高而增大。該模塊能夠檢測窨井蓋內部危害氣體含量，并將電導率的變化轉化為該氣體濃度相對應的輸出信號。

2.9 硬件電路

系統的硬件總體設計如圖2所示。硬件連接方面采取STM32 作為主控芯片，通過串口4 連接WT53R 激光測距模塊，串口3 連接JY61P 角速度加速度傳感器模塊，串口2 連接4G 通信模塊，通過I2C 連接MS5837 壓力傳感器模塊。

圖2 硬件電路設計框圖

STM32 單片機供電后先進行初始化操作，將4G 模塊及各個傳感器模塊進行初始化；初始化結束后，系統開始工作并進行數據采集。通過4G 模塊，將各傳感器模塊采集到的數據發送到阿里云平臺。硬件實物連接如圖3所示。

圖3 硬件實物連接

3 功能闡述

3.1 窨井蓋功能

窨井蓋配有采集數據的模塊，并按照設定時間進行數據采集。當窨井蓋移動速率異常、窨井蓋周圍含有有害氣體成分超標或窨井蓋上方和下方水位超過預期設定范圍時，報警模塊將會進行報警并向服務器傳遞相關信息。

3.2 管理員功能

系統擁有登錄界面及管理界面，管理人員登錄后可進入管理界面，在井蓋管理界面中管理員可在后臺設置窨井蓋移動速率正常范圍、窨井蓋周圍有害氣體成分含量閾值或窨井蓋上方和下方水位的預定范圍。此外，在該界面中管理員也可對傳遞到服務器的報警信息進行響應，能夠更快速地根據窨井蓋的定位信息對窨井蓋進行維護。

同時，部分模塊若長時間進行數據采集，則電量消耗過大，管理員可以在該頁面設置壓感、氣體等模塊的工作頻率，以減少電量消耗。

系統的網頁端除井蓋管理頁以外，還顯示井蓋的各項數據信息，如圖4所示為井蓋的外部環境信息的展示。通過北斗衛星定位系統，管理員可在網頁端獲取到井蓋的實時位置信息。

圖4 網頁端實時查看井蓋信息

4 結 語

目前隨著我國城市化速度加快，井蓋的數量也越來越多。作為組成路面不可缺少的一部分，井蓋對于行人的安全一直都不容忽視。但是現有窨井蓋的功能太過單一，還存在雨天排水困難、難以檢修、丟失后反饋時間長的弊端，給行人的日常出行造成了極大不便和安全隱患。智慧窨井蓋在傳統窨井蓋的基礎上，對窨井蓋周圍環境的水深、氣體成分進行測定，并可以在網頁上實時顯示窨井蓋周圍環境狀況及窨井蓋自身狀態，在更大程度上便于管理人員管理，保護行人出行安全。

注：本文通訊作者為吳有龍。