基于物聯網技術的市政設施監測系統設計

摘要：隨著城市化進程的不斷加快，傳統市政設施管理模式已顯現出能源消耗過高、管理效能低下、人力資源冗余等一系列突出問題。為應對這些問題，本研究設計了一個基于物聯網技術的市政設施監測系統。系統包含多個傳感器模塊，協同工作實現路燈、垃圾箱、消防設施等市政設施的實時數據采集并上傳至云平臺。工作人員能夠通過監控終端和云平臺實時查詢采集的數據和監控終端的狀態。實驗結果表明，該系統為市政設施的智能化管理提供了有效支持。

關鍵詞：市政設施；NB-IoT；遠程監測；物聯網；數據采集

中圖分類號：TP399

文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）13-0090-03

1研究背景和意義

隨著智慧城市的快速發展，市政設施管理正面臨前所未有的挑戰。目前，城市基礎設施諸如路燈、垃圾箱及消防設施等普遍依賴人工管理模式[1]。以城市照明系統為例，傳統控制模式缺乏動態感知能力，導致車流稀疏路段整夜維持全功率照明，啟閉時間與光照強度無法匹配晝夜流量變化[2]。故障響應依賴人工巡檢，導致從問題發生到定位的時間較長，形成顯著的能源浪費黑洞，更存在公共安全隱患。城市環衛系統同樣面臨管理效能困境。傳統模式下環衛車輛須每日沿固定路線進行全覆蓋式清運，其中部分垃圾箱實際裝載量不足50%。這種“無差別巡檢”模式不僅造成柴油車無效行駛里程，更增加環衛人力成本。

這些暴露的痛點凸顯出現有管理體系的根本性缺陷：海量設施與有限人力資源的尖銳矛盾，導致運維響應延遲成為常態；數據采集離散化造成決策依據失真，傳統管理模式運維成本較智慧化系統高出較多。這種低效能、高損耗、弱感知的管理現狀，已難以適應現代城市精細化治理需求。為破解傳統市政管理模式的效能瓶頸，亟須推動市政設施管理體系向智能化轉型。通過NB-IoT（窄帶物聯網）技術，可構建市政設施“全要素感知-自動化響應-數字化決策”的閉環管理機制[3]。該技術憑借低功耗、廣覆蓋特性（單基站支持10萬級終端連接），已在智慧城市領域實現規?；渴穑苿邮姓芾韽摹敖涷烌寗印毕颉皵祿寗印笨缭剑瑸槌鞘芯毣卫硖峁┛沈炞C的技術路徑。

2系統整體設計框架

基于NB-IoT的城市市政設施管理系統通過硬件中的傳感器采集市政設施數據，并通過MCU微處理器進行數據處理和控制操作，利用NB-IoT通信模塊與IoT平臺實現雙向實時通信。實現在市政垃圾桶、路燈、消防等設施使用過程中檢測溫度、煙霧濃度、是否裝滿，路燈的工作時間等數據，顯示在顯示屏，并上傳到云平臺，管理人員通過在線數據進行可視化管理。實現了對市政設施的全面監測和智能調控，提高了城市管理效率，為市民提供更加便利的城市服務。系統結構框圖如圖1所示。

3市政設施監控系統硬件設計

3.1垃圾箱設施模塊

在垃圾箱設施管理方面，及時監測垃圾箱的填充情況，垃圾量的量化尺度有兩個：質量和體積，需要使用兩種不同類型的傳感器進行檢測。

本設計采用的實現方法是使用超聲波測距模塊和稱重模塊。將稱重模塊直接安置在垃圾桶的底部，即可檢測桶內垃圾重量，而超聲波測距模塊則安裝在垃圾桶蓋子上，用于檢測桶內垃圾距離桶蓋的高度。當重量達到設定值但高度未達到標準線時，或高度達到設定值但重量仍未達標，系統判斷垃圾桶未滿。只有兩個模塊接收的信息均滿足設定值時，系統才會通過語音播報提醒使用者垃圾已滿。通過這兩個維度的信息，便能夠判斷桶內垃圾是否需要使用者清理。

1）壓力傳感器

垃圾桶稱重模塊有一個壓力傳感器和HX711AD轉換芯片組成，壓力傳感器收到重力，應變片產生形變，從而使應變片的導電性能發生改變。

如圖2所示，HX711AD轉換模塊接收到壓力傳感器數據，將數據傳遞給單片機模塊，單片機便可檢測垃圾桶內垃圾的重量。

2）超聲波傳感器

本項目采用HC-SR04作為測距模塊，如圖3所示。用來測量垃圾桶內的垃圾容量，也可以用來測量使用者與垃圾桶之間的距離，從而更精確地判斷能夠檢測到的使用者是否有靠近垃圾桶的意愿。

該模塊由兩個壓電陶瓷超聲波傳感器和外圍電路組成，其中兩個壓電陶瓷分別用于發送和接受超聲波信號[4]。由于本身的收發信號比較弱，不方便處理，所以需要外圍電路加持，增加一個信號放大器，對收發信號的功率進行放大，使信號能更穩定地傳輸到MCU模塊。模塊的工作原理就是通過測量發射與接收到信號的時間差，再根據聲波的傳輸速度340m/s，從而可推算出目標物體的距離。

3.2消防設施模塊

由于火災通常伴隨煙霧和溫度升高，消防設施模塊結合了煙霧傳感器和溫度傳感器進行火災監測。

1）煙霧傳感器

煙霧傳感器MQ-2內部原材料是SnO2，它是目前市面上極為重要的半導體傳感材料，對可燃氣體也是極為敏感，因此可以用它來檢測煤氣、天然氣、甲烷等氣體的泄露，以及發生火災時產生的煙霧濃度。正常溫度下傳感器中的原子會被周圍的氧束縛形成MQ-2煙霧傳感器為表面離子式半導體傳感器，負離子，使電子密度降低，傳感器表面電導減小，因此電阻值增加，從而傳感器處于高阻狀態，當與高濃度氣體或煙霧接觸時負離子發生變化，就會引起電導增加，電阻值減小，因此氣體濃度越高，電壓便越高，能夠進行信號輸出指示，本系統中煙霧傳感器模塊實物圖和接口圖如圖4所示，引腳3與主控芯片STM32連接，將輸出信號傳送給主控芯片，MQ-2煙霧傳感器模塊原理圖如圖6所示。

2）溫度傳感器

DS18B20是數字型溫度傳感器，測溫范圍為-55℃到+125℃，可以實現將溫度轉換成16位數字溫度數據，并通過單總線DQ傳輸給單片機進行處理，電路圖如圖5所示。

3）定位模塊

當火災發生時，應能夠精準定位及時滅火，因此消防設施模塊增加了定位功能[5]，定位模塊選擇的是GT-U7模塊，GT-U7定位模塊原理圖如圖6所示，引腳4與主控模塊傳遞消息，主控模塊發送控制命令回來。對模塊上電，連接電腦上的串口和主控模塊的A9引腳完成串口通信。

3.3路燈設施

BH1750是一種數字式紅外線傳感器，它的內部由光敏二極管、運算放大器、ADC采集、晶振等部分組成，可用于測量周圍光照強度。BH1750可以在生活中的多種應用中使用，例如自動調光、調節LED亮度、環境光補償等。BH1750電路圖如圖7所示。

BH1750具有兩個管腳，SCL和SDA。SCL是時鐘線，用于同步數據傳輸，而SDA是數據線。BH1750采用I2C總線協議，因此可以輕松地與STM32通信。它使用的I2C地址為0x23（7位地址）或0x5C（8位地址）。

3.4NB-loT無線通信模塊

本次設計關于無線通信模塊選用的是SIM7020C模塊，它是多頻段NB-loT無線通信模組，擁有硬件接口很多，所以模塊可以連接更多的其他設備，還具有低延遲、低功耗、低吞吐量的特點。SIM7020C模塊是NB-IoT全網通，支持移動、聯通、電信NB-IoT網絡。SIM7020類型的模塊目前已經完成功能開發，支持TCP/IP協議和電信云/ONENET等網絡協議。

無線通信模塊電路圖如圖8所示，單片機控制通信模塊的開啟和關閉，當通信模塊處于開啟狀態時，會將收到的數據上傳至云平臺。

4市政設施監控系統軟件設計

4.1NB-loT通信模塊程序設計

NB-loT通信模塊程序設計的流程圖如圖9所示。

通過上述流程完成與ONENET服務器的連接，設置OneNet云初始化參數、得到客戶端ID、用戶名和密碼的函數，設置接收云端數據函數，設置數據上傳函數等。NB-loT通信模塊和ONENET云平臺上的模擬設備要完成連接，得到“設備ID”“產品ID”和“鑒權信息”的數據信息。

4.2定位模塊程序設計

定位模塊程序設計流程圖如圖10所示，定位模塊設計的流程為模塊上電、定位、串口發送地理位置到主控芯片，在芯片內對信息進行處理再上傳到云服務器，最后模塊斷電。定位模塊設計的目的是對GPS信號進行解析，在解析過程中，需要利用代碼判定是否成功收到GPS信號，判斷收到的GPS信號真假，若為真則清空數據等待新的定位數據，為假則判定無效信號。

5系統實現

本研究成功實現了基于物聯網的市政設施監測系統，硬件實物如圖11所示。

本系統通過監測端的數據采集并上傳云平臺，工作人員可通過在線實時查看環境數據，并針對其產生的問題進行調控。系統能夠檢測溫度、煙霧濃度和光照強度，配備時鐘模塊，可檢測垃圾桶是否裝滿，通過液晶屏顯示相關信息，并上傳到云平臺上顯示。如圖12、13所示。

6總結

本論文主要設計基于物聯網技術的市政設施監測系統。主要介紹NB-IoT無線通信模塊、光照傳感器、溫度傳感器、煙霧傳感器和定位模塊等硬件設備的設計，并闡述了部分模塊的軟件設計。實驗表明，通過環境模擬，系統可以實時監測環境變化，采集并上傳準確參數至云平臺。超過設置的環境閾值即會立即報警，提示管理人員作出反應，系統終端的實時環境監測大大提高了管理人員工作效率。

參考文獻：

[1]邱玉娟.探討智慧化在市政設施管理中的應用[J].新城建科技，2024（1）：39-41.

[2]陳明迅.基于NB-IOT智慧小區實現方案[J].電腦知識與技術，2020，16（8）：231-232.

[3]石明鈞，夏青.基于NB-IoT的城市供水管網監測系統設計與實現[J].電腦知識與技術，2023，19（34）：101-104.

[4]林關成.基于STM32的智能視覺小車控制系統設計[J].信息技術，2024，48（8）：93-99.

[5]吳曉斌.基于NB-IoT的窨井蓋及井下工況遠程監控系統設計[D].太原：中北大學，2018.

【通聯編輯：梁書】