基于WF-IoT技术的智能井盖管理研究

摘要：广域物联网技术（WF-IoT）是基于RFID的低功耗广域网通信技术，能够实现远距离、大容量、中高速、低功耗的物联网系统，并且具有识别定位功能。本文将WF-IoT用于智慧城市中井盖的智能化管理，通过仿真测试表明：能有效解决井盖分布散、数据量大带来管理困难的问题，实现对井盖的智能化管理。

关键词：WF-IoT;智能井盖;融合物联网;传感器

引言

随着智慧化城市建设的快速推进，城市街道数量的增多，部署在管网上的井盖数量也随之增加，WF-IoT融合物联网技术是基于RFID的低功耗广域通信技术，并且具有识别定位功能。本文提出将广域物联网融合技术（WF-IoT）应用到智慧化城市建设中井盖的智能化管理，能够解决井盖发生破碎、倾斜等现象出现导致的安全问题[1][2]。

1 广域物联网融合技术（WF-IoT）

WF-IoT融合物联网技术是成熟的超远距离无线传输方案，能够为用户提供能够实现远距离、大容量、中高速传输的物联网系统，组网方式为无中心、自组网。WF-IoT工作频段范围内相对于NB-IoT、LPWAN及ZigBee，具有宽域、高速和超低功耗等特点，可应用在频度高、实时性要求高、数据量大的场景，例如在商用照明物联网、识别定位网络等。

2.智能化井盖管理系统设计

智慧城市建设过程中，井盖的数量随之增加，存在分布不集中、归属部门不同的现象，管理起来较为困难，当井盖出现破碎、倾斜、被雨水冲走时，如不能进行智能化管理，将会给人们带来一定的安全问题[3][4]。将WF-IoT应用于井盖的智能化管理能够有效解决上述问题。智能化井盖管理总体设计方案如图1所示。

总体设计方案中数据采集层用于获取井盖上方的压力、井下的水位及井盖位移数据，将采集到的数据通过WF-IoT子网传输到服务器，应用层对采集到的数据进行分析和处理，井盖管理者可通过系统管理应用终端获取数据，进而完成对井盖的智能化维护。总体方案的设计应用了数据感知、广域物联网通信、大数据处理及分析等技术，能够实现井盖的远程安全检测、安全预警和远程维护等功能，为智慧城市中井盖的智能化管理工作带来了便利。

2.1 智能井盖硬件结构设计

传统的井盖硬件结构设计比较单一，当雨水量过大，无法及时将雨水下排，造成道路积水，甚至发生井盖被冲走的现象，井盖被盗或者位移发生变化时，管理人员无法及时获取相关信息，导致一些事故的发生，有学者将GPRS、NB-IoT技术应用于井盖的智能化，均未对井盖的设计做出相应的改进。本文对井盖的硬件结构设计做了设计，智能井盖外观采用了改进的自旋式扇叶与井盖主框架相组合，具有防盗、加速雨水下排的功能[5]。

2.2 智能井盖管理系统硬件设计

智能井盖管理系统硬件系统的设计是在频度宽和低功耗的前提下进行设计，主要由WF-IoT模块、微处理器模块和传感器模块组成。硬件设计如图2所示。

智能井盖检测系统能够通过系统管理应用终端实时监测井盖所处的状态，包括：井盖发生位移、井盖上方承受的重力等状态。

2.3 微控制系统

智能井盖应用管理管理系统采用STM32F103芯片作为主要控制芯片，该芯片工作电压为2.0V至3.6V，工作温度在零下40度至85度之间，能够很好的适应井盖在外部的工作环境。

2.4 传感器模块

（1） 重量传感模块

重量传感器通过将质量信号转换为可以测量的电信号并进行输出的装置。将重量传感器安装在智能井盖的旋转扇叶上方，当雨水没过井盖，扇叶上方的重量传感器感受到重量并将其转换成电信号进行输出，超过设定的重量阈值时，扇叶自动下旋，加速雨水下排，低于设定的重量阈值时，扇叶自动上旋，从而实现井盖的智能化排水。

（2）姿态传感器

姿态传感器可用于测量三维动态姿态，输出角速度、加速度及磁数据等，将其安装在智能井盖的上方，当井盖发生倾斜、破裂及被盗时，姿态传感器将数据通过WF-IoT网络传输到服务器，管理人员通过应用管理终端获取到数据后发生预警提示，及时提示管理人员进行维修或者更换。

（3） 水位传感器

水位传感器用于测量水位参量实时地转变为相应电量信号。将水位传感器安装在井盖下方，当水位传感器的数值超过设定的阈值时，相应的电信号通过WF-IoT网络进行数据传输，发出预警提示，可定位到发生淤堵的具体位置，并及时进行疏通[6]。

3.智能化井盖管理系统软件设计

软件平台通过JAVA语言进行开发，主要包括系统管理应用终端开发和智能井盖数据采集平台开发。系统管理应用终端即智能井盖管理系统APP，管理人员可通过WF-IoT网络获取到智能井盖中传感器模块所采集到的数据，实现对数据的相关分析和预警提示。智能井盖数据采集平台主要采集井盖所安装的传感器收集到的数据，并通过WF-IoT网络传输到服务器。具体所包含的功能模块如下：

（1） 设备登录界面

系统应用管理APP设置了管理人员登录界面，管理人员通过登录APP获取权限后即可查看数据和处理。

（2） 数据采集显示

用于显示传感器采集后传输到系统应用管理终端的APP的数据，管理人员根据显示数据作出相关决定。

（3） 预警模块

传感监测模块将传感单元获取到的数据发送到系统应用管理APP进行展示，管理人员对数据进行相关的分析，并将预警信息发送至相关的工作人员。

（4） 报警模块

当智能井盖发生破裂、被盗等现象时，报警模块将报警模块中的报警信息通过WF-IoT将发送报警的井盖ID、井盖所在的坐标和报警事件。

（5） 系统管理日志

系统管理日志用于记录管理人员登录、发生报警事件的井盖信息、数据的相关操作。

智能井盖管理系统功能实现流程为：第1步。开启井盖供电模块，给各传感器提供电源。第2步。调试WF-IoT网络，建立数据传输平台。第3步。通过系统应用管理终端APP查看相关数据，并作出相应的处理。

4.结束语

本文将广域物联网融合技术（WF-IoT）应用到智能井盖管理中，对传统的井盖进行了设计，并根据管理的需求安装了相应的传感设备，主控器采用STM32，能够很好的适应智能井盖的工作环境。软件采用了分模块进行设计，能够实时掌握井盖的各种状态数据，从而实现在WF-IoT网络下对井盖的智能化管理。

参考文献：

[1]高莉，付荣，闫超，余杰，王首伟.依托NB-IoT的智能井盖实时在线监测[J].电子世界，2021（14）：170-171.

[2]张宏伟，孙影.基于单片机的智能井盖监控系统的设计[J].大庆师范学院学报，2021，41（03）：104-110.

[3]车亚进.基于NB-IoT技术的智能井盖系统[J].物联网技术，2021，11（03）：100-103.

[4]汪海泉.基于NB-IoT技术的井盖管理系统设计与实现[J].流体测量与控制，2021，2（01）：56-59.

[5]孙钢灿，赵传勇，张宁宁.基于NB-IoT技术的智能井盖锁系统的设计[J].计算机工程与设计，2020，41（08）：2147-2151.

[6]刘雪亭.基于LoRa技術城市智能井盖系统解决方案[J].通信与信息技术，2020（03）：50-53.

作者简介：支祖利（1986.7-），男，汉族，安徽亳州人，硕士，阜阳职业技术学院讲师，主要研究方向：模式识别、图像处理、物联网技术。

作者简介：支祖利（1986.7-）：男，安徽亳州人，阜阳职业技术学院讲师;研究方向：物联网应用技术。

基金支持：安徽省高校优秀青年人才支持计划（gxyq2019261）。