1 绪论

1.1 研究背景及其研究意义

随着国民经济的快速发展，人民生活水平得到提高，我国的城市现代化进程也在快速推进，由此推动了城市基础设施的建设，例如地下排水排污管道，地下电缆电线的排线，地下天然气管道的安置等等。

为了方便后期的维护和管理，工作人员设置了诸多检查井，大量的检查井的设置最终使得每一个城市出现了大量的井盖。当前每个城市的检查井的数量已经达到几十万甚至上百万，虽然检查井在推动城市现代化快速发展上发挥着重要作用，但是如此多的检查井的出现，也就意味着我们并不能对每一个检查井做到实时监控和管理，这就导致井盖问题的出现，如井盖的丢失、破损、污水溢出、可燃气体浓度过高等。

一是由于我们的的监控和管理方式不到位，导致社会上的不法分子做出偷窃检查井的井盖，盗窃检查井内的电缆电线等犯罪行为，井盖的丢失也会存在诸多隐患，如大众不小心掉落检查井中，汽车轮胎陷入检查井中等等。二是由于部分地区排水排污管道设施的规划并不合理，加上后期维护不及时，从而导致管道堵塞，以至污水从检查井中溢出，这不仅影响民众出行，对城市的卫生建设也增添了不少阻力。三是检查井内的排污物没有及时排出，不断发酵产生大量可燃气体，这对于经济的发展和个人的安全都是一个巨大的隐患；此外天然气管道的长时间使用，后期维护不到位，可能会引起天然气泄漏，从而导致燃烧甚至爆炸等严重危害我们人身安全的隐患。

这些问题不仅影响着相关企业设备的正常使用，也会造成不必要的经济损失，甚至会引发社会风气不正的危机。为了尽量防止井盖隐患的发生，我国的许多城市采取了人工巡查的方式进行定期的监测。但是人工巡查不可能全方位的监测城市井盖状况，也不能及时发现所有的问题井盖，井盖出现问题有时需要很久才能发现，而往往危害就产生在这个时间段，并且实施专人巡查会造成大量的人力、物力、财力的浪费。考虑到人工巡查井盖的不足，以及当前井盖问题的频发，本文把如何实现城市井盖的安全监测作为了课题的主要研究内容。

随着物联网的快速发展，在 2012 年我国就提出了"智慧城市”的试点，这也标志着我国对城市现代化建设的越来越重视，城市井盖的实时监测系统也顺势而起。本文提出的基于物联网的智能井盖安全监测系统，实现了对城市井盖群的实时监测，有效的避免了人工监测对部分井盖的遗漏。该系统将采集终端节点放置在井盖下，对井盖的角度、可燃气体浓度和水位高度进行实时采集，然后通过无线通信方式将采集的信息传输至监测中心平台，管理工作人员可以通过上位机实时的监测各个井盖的状况，如有异常即可通过监测平台的警示，及时前去处理。该系统利用了当下前沿的传感器技术，对井盖情况的多数据采集，并且充分发挥了无线传输在井盖监测系统的应用。对于城市井盖的安全状况若采用有线监测，那么就需要重新挖掘铺线管道，这样会造成严重的人力、物力、财力的浪费。本系统的通过无线通信方式，不仅减少了重新挖掘铺线管道的高成本问题，而且避免了人工定期巡查城市井盖模式中易出现的安全隐患，管理者只需在办公室就可以实时了解井盖群的状况信息，降低了管理成本，提高管理者的工作效率。

1.2 国内外研究现状

城市井盖群事故的频频发生，不仅影响着我们公众的人身安全和财产安全，还影响着城市的基础设施的稳定开展。同时，我国的城市井盖群的防护工作开始较晚，在进入改革开放后，政府相关部门才开始关注城市井盖群的安全防护问题。虽然我国井盖安防管理工作开展相对较晚，但是我国对于井盖安防的专利成果还是有很多的，在这些成果中有 100 多项是复合材料井盖，有 100 多项是采用技术手段进行井盖安防管理和防盗井盖的设置，如曲柄双滑杆式防盗锁，有线无线结合的实时监测等。

解兆延教授为防止井盖和电缆被盗，设计了一种基于物联网的井盖防盗技术。采用工频非接触式供电和直流电机驱动井盖技术，通过专用设备打开井盖，并利用无线通信技术将井盖情况发送到客户端。

江苏物泰信息科技有限公司提出了井盖防盗报警技术应用解决方案，采用有线无线结合的方式，将井盖是否被窃取的信息及时上传给管理平台，以便管理人员及时处理，虽然该系统可以实现大范围的井盖群实时监测，但是该方案采用有线方式进行数据传输，需要单独铺线，会造成大量的人力、物力以及财力的浪费。

与国内相比，那些发达国家的经济发展更早，对于国家的环保和安全问题早已成为其当前最为关注的问题，井盖的安防管理在市政建设中也因此得到了极大的重视，所以国外发达国家在井盖的安防管理方面更加领先，日本颁布了相关的法律法规，使得被盗窃的井盖不能变现，并且日本有专门的的井盖维护公司，当井盖出现问题时，政府联系相关负责公司即可及时解决问题。日本在积极采用法律法规、责任到公司方式进行井盖保护的同时，还对此城市中的每个井盖都设定了不同的编号，通过对城市井盖的编号设定，确保每一个井盖都有相应的记录，并将所有的井盖统计到一个系统中，方便后期的管理。一方面管理者通过管理系统查询破损的井盖，另一方面管理者通过管理系统知道井盖使用时间，方便后期的及时更换。此外日本基于RFID技术研发了井盖监管系统，此系统应用于下水道的井盖安防管理上，研发人员将RFID电子信息标签安放在城市井盖中，方便工作人员及时发现井盖状况，该系统可以帮助工作人员快速定位井盖位置，虽然日本针对城市井盖问题采取了诸多积极的举措，在一定程度上避免城市井盖隐患的发生，但是不能全方位全时段的对城市井盖进行实时监测。

井盖管理模式从无防护无管理的模式开始，接着发展到了采用人工巡查的方式进行井盖安防管理。之后又出现了物防和人防结合的井盖安防管理模式，即对井盖进行改造为防盗井盖，同时进行人工巡查和维护。最后随着科学技术的日新月异，技防也因此产生，尤其是当前物联网的快速发展，国家对“智慧城市”项目的越加重视，井盖安防管理也将物联网技术融入安防管理中，以此实现对井盖安防的全时段和全方位的监管。城市井盖的安全防护工作大体经历了四个阶段。

每个城市井盖安全防护阶段的特点：

第一阶段-无防护：

◆ 没有任何防护措施

◆ 井盖丢失、损毁严重

第二阶段-人防：

◆ 需要人工定期进行巡视

◆ 不能全方位的进行井盖安全监测，易遗漏 

◆ 不能全时段监测，不法分子有可趁之机 

◆ 井盖丢失现象仍然频发 

第三阶段-物防： 

◆ 对井盖进行改造，成本高 

◆ 科技不断进步，防盗井盖易破解 

◆ 仍然需要人防结合

第四阶段-技防：

◆ 将科学技术融入井盖管理工作中

◆ 实现全时段、全方位的井盖安防管理

◆ 实现井盖异常状况及时报警功能

◆ 城市井盖群安防问题得到有效解决

根据国内外发展现状的分析发现，当前人们越来重视城市井盖丢失的问题，却忽视了城市井盖的其他问题，如污水溢出，可燃气体浓度过高等，这些问题都会危及市民的人身安全。因此本文设计了多传感器的采集节点，实现了对井盖角度、可燃气体浓度和水位高度的数据采集，结合单片机技术和NB技术，实现了井盖数据的无线传输，最终通过监测中心平台实时监测城市井盖情况。

2 系统设计方案

2.1 整体方案设计

本设计以STC89C52单片机为核心控制器，加上其他的模块一起组成井盖检测的整个系统，其中包含中控部分、输入部分和输出部分。中控部分采用了STC89C52单片机，其主要作用是获取输入的部分数据，经过内部处理，控制输出部分。输入由五部分组成，第一部分是温度检测模块，通过该模块可以当前环境的温度；第二部分是超声波检测模块，通过该模块检测水位；第三部分是甲烷检测模块，通过该模块检测甲烷的距离；第四部分是霍尔传感器模块，通过该模块检测井盖是否移动，防止井盖被偷；第五部分是供电模块，通过该模块可给整个系统进行供电。输出通过NB模块将检测的数据传输到手机，系统框图如图2.1所示。

图2.1 系统框图

2.2 主要器件选型选择

2.2.1 主控模块方案选择

选择STM32单片机，选择STM32单片机作为此次设计井盖监测智能监护的主控芯片，使用STM32具有很多的优点：该模块可供用户使用的串口较多，后期用户进行无线通信等功能的增加较为方便，且该单片机的运行速度较快，使得该设计灵敏度更高[7]。采用STC89C52单片机，选择这款单片机具有的优点：这款单片机结构较为简单，可供用户使用的输入输出口较多，具有8K的闪存。此次设计采用STM32更加的灵敏、且后期进行功能拓展更加的方便，且STC89C52只有一个串口，不能满足此次设计的要求，所以最后选择采用STM32作为此次设计的主控芯片[8]。

2.2.2 温度检测模块方案选择

方案一：热敏电阻，它是通用电阻元件。其基本原理是电阻值会随着温度的升高而减小。它类似于滑动变阻器。在电路原理上，它通常与ADC集成IC一起使用，根据采集到的脉冲信号将其转换为模拟信号，然后发送至微控制器进行设计和解决。

方案二：DS18B20集成IC，它是一个集成传感器，它由一个复杂的电源电路组成。它是一个数字温度收集传感器。由于它是一个内部晶体振荡器，因此不需要先将脉冲信号转换为模拟信号。该电路将受到工作温度的影响，并根据引起固定频率的单个脉冲进行计数，然后对数据信息进行分析，然后获得测得的温度值[9]。

分析方案一：由于电路原理更加复杂，并且由于温度传感器和温度值不能线性变化，测量的温度和实际的温度存在很大差异，并且成本很高。因此，该计划被丢弃。

分析方案二：DS18B20传感器是一个相对稳定的温度传感器，它目前在市场上得到广泛使用，并且参考资料较为完整的。有许多参考示例和代码，可以大大减少开发和设计。难度较低和价格也很划算，本论文设计检测系统是基于温度传感器的，要求能要尽可能的体积小、精度高、电路简洁和价格低。并且要适应此次设计工作环境。在此基础上，选择了美国DALLAS半导体公司新一代的数字传感器DS18B20。

附录

附录1：原理图

附录二：PCB

 

附录3  主程序

/**********************************

包含头文件

**********************************/

#include "sys.h"

#include "stdio.h"

#include "string.h"

#include "stdlib.h"

#include "math.h"

#include "delay.h"

#include "gpio.h"

#include "usart.h"

#include "ds18b20.h"

#include "adc.h"

#include "hc-sr04.h"

#include "bc26.h"

/**********************************

变量定义

**********************************/

uint32_t time_num = 0; //10ms计时

char display_buf[32]; //显示数组

short temp_value = 0;                 //温度值

short temp_old = 0;                  //上次温度值

u16 gas_value = 0; //甲烷值

u16 gas_old = 0; //上次甲烷值

u16 distance_value = 0; //距离值

u16 distance_old = 0; //上次距离值

_Bool state_mc = 0; //井盖上次状态

/**********************************

函数声明

**********************************/

void Monitor_function(void); //监测函数

/****

******* 主函数

*****/

int main(void)

{

NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2); //配置中断分组为2号

Delay_Init();        //延时初始化   

Gpio_Init();    //IO初始化

Usart1_Init(115200);   //串口1初始化,打印信息用

Usart2_Init(115200); //串口2，BC26模块通信

Adc_Init(); //ADC初始化

HC_SR04_Init(); //HC_SR04初始化

UsartPrintf(USART1,"DS18B20初始化\r\n");

  while(DS18B20_Init()); //DS18B20初始化

UsartPrintf(USART1,"BC26初始化\r\n");

BC26_Init(); //BC26初始化

MQTT_Init(); //MQTT初始化

UsartPrintf(USART1,"初始化完成\r\n");

while(1)

{

Monitor_function(); //监测函数

time_num++; //计时变量+1

Delay_ms(10);

if(time_num % 5 == 0) //最小系统LED闪烁

LED_SYS = ~LED_SYS;

if(time_num >= 5000)

{

time_num = 0;

}

}

}

/****

*******监测函数

*****/

void Monitor_function(void)

{

if(time_num % 10 == 0) //约2s检测一次

{

temp_value = DS18B20_Get_Temp();                      //获取温度值

gas_value = 30*(Get_Adc_Average(0,3)*3.3/4096.0); //获取甲烷值

distance_value = Hcsr04_GetDistance(temp_value/10); //获取距离值

}

if(temp_old != temp_value || gas_old != gas_value || distance_old != distance_value || state_mc != CHECK_MC)

{ //如果有值和上次测量值不一致，那么发送所有测量值

BC26_Send_MeasureData(temp_value,gas_value,distance_value,(u16)CHECK_MC);

temp_old = temp_value;

gas_old = gas_value;

distance_old = distance_value;

state_mc = CHECK_MC;

}

}

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