物联网技术视域下城市井盖监测系统的设计与实现

2022-08-01张俊杰吴凯军林学志王伟海

河南科技 2022年13期

李猛郭城张俊杰吴凯军林学志王伟海

（蚌埠学院计算机与信息工程学院，安徽蚌埠 233000）

0 引言

随着社会经济的快速发展，城市化进程在不断加快，人们的生活质量也在不断提高。经过多年发展，我国城市地下管网系统具有分布范围广、类型复杂等特点。现阶段，我国各个城市对管网的维护仍然比较滞后，采取的是效率低的人工巡检方式，从而造成很多安全隐患。

首先，国内城市地下管网事故频发，如井盖损毁、遗失等现象较为常见，这不仅破坏城市市容，还会造成安全隐患［1］。由于一些城市地下管网的维护不及时，从而造成车辆发生交通事故等，甚至“井盖吃人”事件频发，严重威胁居民的人身安全。此外，由于地下管网维护不及时，导致井内有毒气体的含量不断增加，工作人员中毒身亡的事件也时有发生。其次，城市道路规划对地下管网的分布也有影响，管网布局分散、环境错综复杂、管道种类多样、管理维护存在缺失等问题导致城市地下管网的维护难度在不断增大，维护效率却在逐渐降低。再次，城市内涝问题也会影响地下管网的安全，若下水道中的垃圾过多，雨水过大时容易造成堵塞，导致泄洪能力不足或井盖上浮，危害行人安全。

随着5G 技术的发展，世界通信行业也迎来了新的“高潮”。5G 技术与智慧城市相融合，能够快速推进智慧城市的建设和发展。而传统的市政公共设施管理模式已无法满足智慧城市的发展需求。本研究基于集成式传感模块与NB-IoT 技术，设计了基于物联网技术的城市井盖监测系统，可实现对地下管网井盖的精确定位、实时信息监测、有毒气体的检测以及水位数据的展示等。当监测系统检测到异常时会触发警戒装置，从而及时消除安全隐患。

1 需求分析与系统总体方案设计

1.1 需求分析

在日常生活中，经常有某市下水道爆炸、井盖翘起或丢失的新闻报道，而这些事件发生的原因也是多种多样的。目前，城市地下管网的管理存在着许多问题，虽然投入了大量的人力、物力，但却收效甚微。例如，井盖丢失或移位后，维修人员无法及时准确地找到问题井；城市地脉因其性质不同而被划分到多个部门进行管理，这就导致无法在第一时间解决问题。根据目前城市地下管网管理现状，本研究设计基于物联网技术的城市井盖监测系统，能够解决3 个问题：①系统在监测到井盖数据异常时会自动报警，会在第一时间将数据信息发送至OneNet 平台，并在前端显示出来，从而实现对地下管网的精准定位；②井内数据显示异常时，根据井内数据及时做出应对策略，确保能在第一时间解决问题；③对地下管网数据进行汇总，对频发事故做出预案调整。

1.2 系统总体设计方案

本研究所设计的物联网技术视域下的城市井盖监测系统是对城市地下管网进行智能监管，将物联网技术应用到城市地下管网监测中，降低危险事故发生的频率，该系统操作简单、智能集成度高，在很大程度上能减少此类事故的发生概率。该系统由数据采集、终端传输、用户应用构成，系统框架图见图1。

图1 系统框架图

2 整体设计及硬件设计

2.1 系统整体设计方案

本研究设计的城市井盖监测系统包括后台工作人员管理系统、井盖定位模块、甲烷检测模块、水位检测模块以及基于NB-IoT 技术的数据传输模块，系统整体设计框架图如图2 所示。各模块节点可通过STM32单片机对井盖进行状态检测，通过水位传感器对水位进行监测，通过甲烷传感器对井内甲烷气体进行实时监测，MEMS 陀螺仪可对井盖的移位、浮动状态进行监测，从而实现井盖的防盗功能。集成式传感器采集到的数据通过NB-IoT 技术上传到城市井盖监测系统中。管理人员可通过系统后台数据来了解井盖状态，并处理警情，实现对城市地下管网的智能化管理。

图2 系统整体设计框架图

2.2 控制单元选型

本研究设计的城市井盖监测系统以NB-IoT 为无线通信模块，由于该模块只消耗带宽，可直接部署于多种网络中，具有很好的延展性，可降低部署成本，实现平滑升级。NB-IoT的电路图如图3所示。

图3 NB-IoT电路图

控制单元与STM32 芯片对网络信号有很强的兼容性，在加入PSM 功能后，此模式的终端耗流在3 μA 左右，在一定程度上节省功耗，使设备的使用时间更长。控制单元支持0、1、2 三个覆盖增强等级（CE Level），分别对应可对抗144 dB、154 dB、164 dB的信号衰减，相比GSM和LTE提高了20 dB，覆盖面积提升了100倍，同等条件下NB-IoT能提供更深的覆盖。同时，控制单元会根据后台发送的操作指令进行智能工作，在地下管网一切正常时会进入低功耗状态，等待后台指令的唤醒。

2.3 传感器模块设计

该模块在设计时要遵循节能降耗的原则，所选择的电路模块与传感器模块均为功耗相对较低且采集传输功能较为稳定的产品。

监测系统选用MPM489W 液位变送器作为水位传感器，MPM489W 液位变送器是一种全密封潜入式液位测量仪表［2］。该变送器将OEM 压力传感器及高精度的变送器专用电路封装到一个不锈钢的壳体中，其独特的结构和信号采集标准体系为本研究提供了更全面的支撑。

监测系统选用TGS3870 传感器作为甲烷传感器，该传感器体积小、功耗低，且对甲烷、一氧化碳的选择性好、灵敏度高，对乙醇蒸气的灵敏度低，使用寿命长，且成本低。其采用载体催化元件作为检测元件，产生一个与甲烷含量成比例的微弱信号，在经过多级放大电路放大后产生一个输出信号，并将该信号送入单片机片STM32 的A/D 转换输入口，将此模拟量信号转换为数字信号［3］。然后单片机对此信号进行处理，并显示出来。当气体中有害气体的浓度超过设定的阈值时会触发报警功能，并对管道进行疏导，避免地脉井发生爆炸。

为防止井盖出现翘起、移位、丢失等现象，本研究对井盖进行特殊处理。微电机（MEMS）陀螺仪可用于检测井盖翘起的角度，并通过STM32 模块将当前井盖状态及时上传到系统。微电机陀螺仪是通过对固定指施加电压，并交替改变电压，让一个质量块做振荡式来回运动，旋转时会产生科里奥利加速度，此时就可对其进行测量。微电机陀螺仪可精准感测自由空间中复杂的移动动作，因此，本研究采用陀螺仪微电机作为追踪物体移动方位与旋转动作的运动传感器。与加速器、电子罗盘不同的是，微电机陀螺仪不用借助任何外力（如重力或磁场等）就能够自主发挥功能，并可通过微电机陀螺仪来实现定位功能，在一定程度上节省资源。

2.4 集成硬件设计

本系统的硬件部分可分为3 个模块：可燃气体数据采集模块、井盖位置传输系统、水位监测模块，每个模块都由STM32 单片机进行数据获取。将三个模块采集到的数据信息通过NB-IoT 技术和基站上传到城市井盖监测系统中，管理人员可实时查看数据，并对故障进行排除。监测系统的硬件图如图4所示。

图4 监测系统硬件图

本研究设计的系统可实现以下5个功能。

①设备健康监测。当传感器上传的数据出现异常时，会触发后台报警装置，平台会根据当前的警情进行分类，并通知工作人员排除故障。同时，各检测设备自身的状态信息也会定时上传到后台，包括设备运行状态、是否短路、信号阈值等信息，以此来判断设备是否健康。

②设备定位。每个井盖都有用来标明位置的独立编号，在安装时会将位置信息录入到系统中，从而能够精准定位各井盖的位置，根据划分的不同级别来判断异常点位，并按照设备功能、设备健康状态、设备编号等进行过滤筛选。

③设备报警。根据系统设定的阈值，并结合传感器上传的异常数据，从而触发不同类别的报警，如水位异常导致井盖浮沉、甲烷浓度超标、井盖异常开启或移位、设备信息故障或丢失、电压过低等，通过发出报警信息来通知管理人员及时进行抢修。

④管网维护模块。设备异常时会触发报警装置，并将相关信息发送给管理人员，管理人员根据具体情况来启动抢修流程，通知维护人员进行设备抢修工作。由于系统集成了定位模块，可大大降低排查难度。

⑤管网数据分析。对集成传感器上传到后台的数据进行大数据分析处理，生成可视化分析影像，用来分析近期事故频发的原因，及时对策略进行调整。

3 系统软件设计

3.1 软件概述

本研究选用Java 语言、MySQL 和Spring 框架对系统软件进行设计，并结合OneNet 中国移动物联网管理系统，构建集井盖位置数据、井内水位监测信息、井内气体监测数据为一体的数据管理平台。后台权限为超级管理员，通过设备健康监测管理功能可实现对当前城市地下管网的环境信息动态掌握。

3.2 系统整体设计架构

3.2.1 平台使用前后端分离技术，后台负责实现PC 端登录登出、权限管理、数据列表地图显示、数据报警、消息推送等功能［4］。后台框架基于SpringBoot、MyBatis、Maven 的聚合项目，数据库选用MySQL 数据库，开发环境为IntelliJ IDEA。本研究选择的技术框架可大大减少代码的数量，从而提高运行效率。相比于早期的Jsp、Servlet 技术，SpingBoot 框架的代码复杂度较低，且SpringBoot内置的Tomcat 不用再重新配置，可减少XML 页面代码的数量，从而减轻项目搭建的压力。持久层选择MyBatis 作为支持，在持久化、高级映射、存储及SQL 上更便捷。作为当前主流的轻量级数据库，MySQL数据库可毫无压力运行千万行数据，其性能在各方面都超越同类开源数据库软件，且其体积小、易配置、集群效果也非常好。

3.2.2 前端采用Vue.js 进行组件化开发，使代码编写量大大减少。Vue 最突出的优势是可对数据进行双向绑定，其页面响应效果是响应式的，这使得网页的显示效果非常好。相比传统的页面，Vue 使用的路由方式不会刷新页面。为了增强用户的交互性，平台结合ELement UI 进行拔插式开发，平台总体设计采用流式布局，业务框架可分为顶部菜单栏、左侧菜单栏以及页面显示区。菜单栏可根据用户的不同权限来显示不同的功能信息。页面之间的数据传输选择axios通信协议，组件之间的跳转以路由的方式进行，用户访问页面时，路由会根据用户携带的Token进行比对，如果比对成功，则执行相应的操作，否则将返回Message信息，提示用户操作失败。本研究设计的系统采用前后端分离模式进行开发，数据传输采用axios 通信协议，文档接口采用Swagger 进行比对，并通过组件将内容的双向绑定回显到前端。系统架构图如图5所示。

图5 系统架构图

3.3 物联网技术视域下的城市井盖监测系统设计

城市井盖监测系统采用Web 与服务器相结合的方式进行设计，数据库采用MySQL 数据库，系统服务端以SpringBoot 为主体框架、Mybatis 为持久层框架。地脉监测系统作为数据可视化的主要依据，在整个项目中发挥着重要作用，采用超文本传输协议（HTTP 协议）作为连接服务器的通信协议，这是因为在网络环境中超文本传输协议传输速度快、可用性强，能够将采集到的数据及时传送到地脉监测系统中。管理系统可分为井盖管理、系统管理、可燃气体管理、位置信息查询、水位管理、地脉数据汇总等模块。系统设计图如图6所示。

图6 系统设计图

3.3.1 井盖管理模块。对每个井盖进行特殊处理，在节约环保的基础上，每个井盖都增加微电机陀螺仪，用于检测井盖翘起的角度，可通过STM32 单片机将当前井盖的状态及时上传到系统［5］。且每个井盖都有独立的ID 编号，方便后期维护。

3.3.2 可燃气体管理模块。本研究采用TGS3870 传感器作为检测甲烷的传感器，系统可对城市内的地下管网中甲烷气体的浓度进行实时监测，并根据设定的阈值对当前管网状态进行评估，当浓度超过阈值界限时会立即发出报警信息，通知工作人员进行处理。

3.3.3 水位管理模块。本研究采用MPM489W液位变送器作为液位传感器，系统根据MPM489W液位变送器上传的数据及时作出判断，该模块在下雨天发挥着重要作用。

3.3.4 城市地下管网数据汇总模块。该模块主要对整个系统的各类情况进行汇总，并将其分为日视图、周视图、月视图及往期数据4 个视图层，可对城市地下管网数据进行有效记录和管理。

4 产品测试与应用

将制作好的产品放在井盖下30 cm 处，对井内情况进行实时监测，并对地下管网进行编号，将采集到的数据及时上传到云服务平台，并将云服务平台接入到消防内网或相关部门内网。然后进行大数据可视化显示，若管网内的数据或井盖出现异常，将会触发自动报警功能，并通知相关人员第一时间进行处理。同时，要对井盖进行加工处理，强化井盖的牢固度。内部人员可通过登录PC 端或移动端实时查看各种数据，一旦发现异常数据，就会以弹窗加警报的方式通知工作人员。产品测试如图7至图9所示。