智慧城市下的智能窨井盖

闫 川，谭 桦，孙悦涵

（武汉理工大学，湖北 武汉 430070）

1 项目背景及研究意义

近年来，我国多处地方都会遭遇大雨或暴雨的“袭击”。面对较大的雨势多处地方采取了打开窨井盖来提高排水的速度，尽可能减少积水，方便交通。但打开窨井井盖后如果窨井没有具备很好的预警防护措施，则会对行人的安全造成威胁。在一些暴雨重灾城市，每年都会有人因坠井而受伤甚至死亡，大众需求有效的安全防护措施。同时，对于暴雨时可能发生的倒灌，进而使井盖被冲开的现象，目前并没有很好的预警和避免方式。

基于以上背景，设计了一种自发电多用途的窨井盖，本装置所有功能均利用回收能源和自身机械机构设计，在小成本的前提下实现了多重功能，节约了能源，满足了当今社会可持续发展的大主题需求。

2 装置结构介绍

整个装置可以分为三大部分，即涡轮部分，井框固定板部分和井盖部分，具体如图1所示。

图1 装置结构

2.1 涡轮结构和固定板结构

中空涡轮发电装置的结构特殊，该装置与全贯流式水轮机相似，发电机转子磁极直接安装在涡轮机转轮的外缘，使涡轮机转轮与发电机转子成为一个整体。中空涡轮发电装置的转轮叶片数较多，且叶片的外端有外轮缘支撑，这种结构增加了叶片的强度和刚度，为扩展转轮直径提供了条件，中空涡轮的中心是开口的，没有中心旋转轴，这种设计使垃圾可以从中心开口处通过，且可以减少雨水流过转轮时的阻力。该设计在中心增加了1个收集网，安装在中心，垃圾从中间通过后会落入网中，当垃圾积累到一定量，涡轮整体对固定板的压力大于预设值时，会发送信号通知工作人员通过取出涡轮进行清理。叶片的外端被外轮缘包裹起来，转轮在定子所限定的槽内旋转。装置利用该涡轮结构实现发电和第二类积水水位检测功能，当地面积水、打开井盖后，第二类积水检测开始，通过记录涡轮产生的电压的平均大小并通过2G/3G无线接收装置将触发信号传输至远程服务机组，分析后可以得出当前井外积水量，并作为该地区的实时数据储存在数据库中。受高度差和尺寸的约束，该涡轮产生的电量有限，主要是作为打开后警示用作LED灯的主要照明来源。

2.2 井盖结构

该项目设计将井盖结构拆开，分为底座、弹片、固定板、踏板四个部分，踏板下端装入固定板内后和弹片螺旋连接，固定板螺旋连接在底座上，弹片紧挨着压电陶瓷，通过对踏板施加压力，从而带动弹片移动按压陶瓷，电线通过底座底部的销孔与压电陶瓷连接，这样的设计既保证了井盖原有的强度，又使得陶瓷保护在内部延长其寿命。同时，弹片与压电片间接触方式为圆角接触，利用大学力学知识，这样的设计能更大程度地利用压力。除了产生电能供给用电外，当井盖未打开时，该装置通过压电陶瓷来测量水深度，根据不同水深压力不同来得到当前积水情况，即本装置第一种检测方法。井盖结构与下水道框口铰链连接时，在铰链连接的对侧，井盖上有一段凹槽，当井盖放在井框上时该凹槽和框上突出的弹簧可伸缩块配合，使得井盖锁死在井框上，加强防盗性的同时，更主要的是起到防倒灌加固作用，让井盖不会因为倒灌的水被冲开。如果要解除锁定，则可以通过负责人持有的专门杆插入井盖上方的孔中旋转使内部的结构将块顶出（因为块的尾部是弹簧），此时，就可以取出井盖了。

2.3 井框设计

在该项目的设计中，主要对井框增加了固定板结构的设计，涡轮结构外轮缘被限定在固定板上，固定板有4个纵向延伸板，顶端是放置井盖的框口以及4个横向加固板，LED被内置在井框内侧形成LED灯圈，作为当井盖打开时的预警提醒。安装该固定板结构井框的方法是在原本安装窨井盖之前，先将固定板井框压入窨井口，放上沥青，填充沥青至高于地面一段距离，再通过振动压路机压实。此时，固定板就被固定在窨井口处，且埋在沥青中的横向板可以大大增加其载荷，在纵向固定板上有滑槽，将涡轮结构滑入底部（距离井口1 m），在4个纵向板上插上插销锁死，起到保护和限制涡轮移动作用。

在井框上端有和井盖凹槽配合的块，块实际是存放在铰链连接对侧横向板内部的可滑动板，横向板最内侧安装有弹簧使其能嵌入和被顶出井盖凹槽，当打开井盖排水后，可以将板滑出并固定在对侧，形成起到一定防坠作用的平台。

2.4 控制部分设计

在整个装置中，一共有3个主电路，即积水检测电路、报警电路、预警电路。积水检测装置由涡轮和压电陶瓷组成，两者并用达到无论井盖打开与否都能检测积水变化的目的，信号通过2G、3G无线接收装置发送到数据库中作为积水实时监测信息。

报警电路以涡轮和压电陶瓷产生电能为能源，实现了3个功能：①使用压力传感器实现垃圾累计过量判断；②井盖非法移动使其电路破坏，导致蜂鸣器作用；③倒灌时涡轮反向转动，电压反向，通过该变化发送倒灌信号。

预警电路的设计是通过单片机控制，实现当井盖电路没被破坏（断路）时，利用随光照增大电阻减小的光敏电阻使得当打开井盖排水时电路接通，LED开始发光，而平时不发光。如果井盖电路破坏，下水道暴露，则当晚没光照时发光电路会接通；清晨有光照时发光电路不接通。

3 市场前景分析

该装置可以应用于比如武汉这样多暴雨城市和降雨量较大的城市，这套设备功能完善，设计符合时代发展，极大程度地保障了公民的人生安全，且其具有自发电的特性，毫无疑问是符合时代绿色环保要求的，与物联网的结合也有益于其在今后更加网络化，在大数据的时代中站稳脚跟，所以，其应用前景是非常广泛的。

参考文献：

［1］韩东升，宫洪涛.基于物联网的城市窨井盖管理系统［J］.中国科技信息，2014（14）：152-153.

［2］沈凯凯，苏小龙，沈康，等.城市窨井盖应用及研究进展［J］.工程与建设，2013，27（05）：580-582.