基于北斗定位的智慧城市窨井盖安全监测系统设计

庞启明，吴有龙，杨 娟，梁楷博，汪韬涵，何 淼，朱禹杭，卓 冲

（1.金陵科技学院 电子信息工程学院，江苏 南京 211169；2.南京师范大学 计算机与电子信息学院，江苏 南京 210023；3.金陵科技学院 智能科学与控制工程学院，江苏 南京 211169）

0 引 言

近年来，智慧城市建设发展十分迅速，基础设施建设持续进行，窨井盖作为城市建设中不可缺少的一部分，其数量也在不断增多，但是数量庞大的窨井盖存在着管理方式落后、井盖状态难以确认、易遭偷窃和定位难等问题[1-2]。当今城市化程度越来越高，人们对于安全的重视程度也越来越高。然而传统的窨井盖功能过于单一，仅用于排水，能够实时检测周围环境的窨井盖较少。如果能将窨井盖的基本排水功能和气体、水深检测结合起来，则能够进一步保障行人的安全以及检修人员的管理并提高其工作效率。

国内目前有许多关于窨井盖管理智能化的研究。例如郭金鹏等人[3]利用NB-IoT 实现井盖数据定期上传以监控井盖状态，并由此应对井盖管理难的问题。为了解决井盖状态信息获取困难的问题，李澥等人[4]设计了利用微控制器和数据采集模块获取井盖数据的智能井盖管理系统；车亚进[5]利用云平台实现了智能井盖系统的智能化、数字化。以上研究提供了数据获取和传输的思路。国外也有许多相关研究，Rasheed等人[6]利用IoT进行数据传输，建立了井盖监控系统；Mattheuwsen等人[7]设计的井盖定位系统提供了定位井盖的新思路。

为了方便管理人员管理窨井盖，实时监测井盖周围环境显得十分重要。通过物联网技术实现的基于北斗定位的智慧城市窨井盖安全监测系统能够在井盖基本功能完整情况下有效观察井盖周围情况，方便人员管理[8]。在一些特殊环境下，如存在有害气体的环境下，未被允许而将窨井盖移位时，窨井盖能够实时检测井盖周围情况，并由4G 模块传输信息[9-10]至网页端同时发出报警，当监管人员收到信息后可及时前往维护。

1 系统设计

基于北斗定位的智慧城市窨井盖全自动安全系统总体设计如图1所示。该系统硬件部分是搭载有传感器的STM32单片机，通过压力传感器检测井盖上方的水深数据传输到单片机，窨井盖实时将位置信息和水深信息通过4G 通信模块发送给服务器，工作人员可通过网页端查看窨井盖对应的信息。当存在异常情况时，窨井盖会发出报警，同时向网页端进行同步报警，管理人员收到消息后及时进行抢修。

智能窨井盖共有4 个部分：总控模块，负责获取井盖周围环境数据并与总控模块进行通信；报警模块，负责发出声音报警；通信模块：负责数据的传输；网页端主要具有信息显示功能，将智能窨井盖收集到的数据进行整合显示。

2 相关技术

2.1 STM32 控制板

STM32 控制板上电后首先对4G 模块进行初始化处理，通过串口发送指令对4G 模块进行初始化，再对其进行判断，若成功则进行下一步操作，反之，则重新进行初始化。接着启动压力传感器，将压力传感器的相关采集数据进行处理，依据算法得出深度，通过4G 模块发送到服务器并存储在数据库中，之后压力传感器暂停工作，待到设定间隔时间结束继续进行数据采集分析上传。

2.2 4G 通信技术

4G 通信技术较好地保留了用户信息甄别、传输、使用、存储的完整性和可靠性。该技术是更加稳定的网络技术，能够更加迅速便捷地传输数据，功能也更趋多样化。EC20 4G模块的优势有网络协议丰富、工业标准接口集成度高、支持多种驱动和软件功能，较为符合窨井盖安全监测系统的要求。

2.3 EMQ 与MQTT 协议

EMQ 为开源物联网MQTT 消息代理服务。EMQ 为IoT、M2M、智能硬件和移动消息传递应用程序提供MQTT代理，物联网、M2M 传感器和执行器可以通过EMQ 代理连接，这些代理收集传感器数据并同时流式传输到各个后端，可将各传感器数据通过EMQ 进行传输，大大提升可操作性。

MQTT 是一种轻量级的通信协议，建立于TCP/IP 协议之上，可以凭借极少代码以及有限带宽为远程设备提供实时稳定的消息服务，满足系统对于轻量化的要求。

2.4 北斗卫星定位技术

北斗卫星导航系统的优点在于精度高、覆盖范围广，作为我国自主搭建的全球卫星导航系统，是全球第四个体系较为完整的卫星导航系统，其有3 个组成部分，分别为空间、地面、用户；可在全球范围内全天为用户提供定位、导航、授时服务，可准确定位本系统中窨井盖的位置，符合本系统设计要求。

2.5 压力传感器

MS5837-30BA 压力传感器使用I2C 接口，其有较高的分辨率，能够在窨井盖上方有积水时采集窨井盖上方水压数据，并通过I2C 接口传递给STM32，再根据一定算法测得水深。其小巧的体积能够很好地与窨井盖结合且不影响人员从上方通行，与系统整体适配程度较高。

2.6 角速度传感器

JY61P 模块能够满足不同场景的应用，快速解算出该场景下模块的实时运动姿态，有着高性能的微处理器和先进算法，较为契合对姿态解算灵敏度较高的窨井盖安全系统。该模块支持多种连接方式，如串口和I2C 两种数字接口。此外，较小的模块能够在各种环境中正常运作。与窨井盖结合后，能够在井盖异常翻动时给出响应。JY61P 模块内部在等待一定时间后会自动校准，且会根据算法进行自动计算。

2.7 激光测距传感器

WT53R-TTL 激光测距传感器采用了金属外壳和防水设计，能够适应井盖下较为潮湿的环境。传感器也自带硬件报警功能，可以使用上位机设置报警距离，当传感器测量距离小于报警阈值，报警线会触发报警电平，与窨井盖结合能够在设置阈值后有效监测井下水位。

2.8 气体传感器

二氧化锡对可燃气体较为敏感，其在较少可燃气体的空气中电导率较低，作为MQ 气体传感器的气敏材料能够较好地监测窨井盖周围的燃气含量。当传感器所处的环境中可燃气体含量增大时，气敏材料的电导率也会随着可燃气体浓度升高而增大。该模块能够检测窨井盖内部危害气体含量，并将电导率的变化转化为该气体浓度相对应的输出信号。

2.9 硬件电路

系统的硬件总体设计如图2所示。硬件连接方面采取STM32 作为主控芯片，通过串口4 连接WT53R 激光测距模块，串口3 连接JY61P 角速度加速度传感器模块，串口2 连接4G 通信模块，通过I2C 连接MS5837 压力传感器模块。

图2 硬件电路设计框图

STM32 单片机供电后先进行初始化操作，将4G 模块及各个传感器模块进行初始化；初始化结束后，系统开始工作并进行数据采集。通过4G 模块，将各传感器模块采集到的数据发送到阿里云平台。硬件实物连接如图3所示。

图3 硬件实物连接

3 功能阐述

3.1 窨井盖功能

窨井盖配有采集数据的模块，并按照设定时间进行数据采集。当窨井盖移动速率异常、窨井盖周围含有有害气体成分超标或窨井盖上方和下方水位超过预期设定范围时，报警模块将会进行报警并向服务器传递相关信息。

3.2 管理员功能

系统拥有登录界面及管理界面，管理人员登录后可进入管理界面，在井盖管理界面中管理员可在后台设置窨井盖移动速率正常范围、窨井盖周围有害气体成分含量阈值或窨井盖上方和下方水位的预定范围。此外，在该界面中管理员也可对传递到服务器的报警信息进行响应，能够更快速地根据窨井盖的定位信息对窨井盖进行维护。

同时，部分模块若长时间进行数据采集，则电量消耗过大，管理员可以在该页面设置压感、气体等模块的工作频率，以减少电量消耗。

系统的网页端除井盖管理页以外，还显示井盖的各项数据信息，如图4所示为井盖的外部环境信息的展示。通过北斗卫星定位系统，管理员可在网页端获取到井盖的实时位置信息。

图4 网页端实时查看井盖信息

4 结 语

目前随着我国城市化速度加快，井盖的数量也越来越多。作为组成路面不可缺少的一部分，井盖对于行人的安全一直都不容忽视。但是现有窨井盖的功能太过单一，还存在雨天排水困难、难以检修、丢失后反馈时间长的弊端，给行人的日常出行造成了极大不便和安全隐患。智慧窨井盖在传统窨井盖的基础上，对窨井盖周围环境的水深、气体成分进行测定，并可以在网页上实时显示窨井盖周围环境状况及窨井盖自身状态，在更大程度上便于管理人员管理，保护行人出行安全。

注：本文通讯作者为吴有龙。