基于NB-IoT的智能井盖监测系统设计与实现

邱义 郭一晶 刘挺

摘 要：随着市政公共设施的建设，井盖的数量快速增长导致监管难度不断增大，井盖丢失或移位等情况对行人车辆的安全造成极大隐患。文中提出了一种基于STM32微处理器以及多传感器结合NB-IoT技术实现的智能监测系统。该系统可以实时采集地下管道水位、温湿度、可燃气体、井盖状态等信息，并将这些数据通过NB-IoT传入互联网监测平台，当数据异常时可自动向管理人员报警。妥善解决城市井盖存在的安全问题是智慧城市建设的重大创新。

关键词：井盖;STM32;NB-IoT;监测系统;物联网;GPS

中图分类号：TP368.2文献标识码：A文章编号：2095-1302（2020）09-00-03

0 引 言

随着我国城市基础设施建设事业的高速发展，城市中给水、排水、燃气、热力、电力、通信等各类市政公共设施日益增加，相应城市地下管线设施的井盖数量也快速增加。大量井盖产生的安全隐患造成各类行人车辆伤害事件频发，严重影响了出行安全，造成不良的社会影响。加强城市井盖管理已成为全国各地市政管理部门的一个难点[1-5]。第五代移动通信技术（5G技术）的应用将开启万物互联的时代，建设智慧城市已是世界城市发展的前沿趋势。传统模式下的市政公共设施管理方式已无法满足智慧城市的发展需求，本文利用多种传感器和NB-IoT技术设计了智慧城市智能井盖监测系统，实现了对井盖的实时监测、精确定位、自动报警，可以实时检测地下管道的水位、温度以及可燃气体浓度，当水位、温湿度或可燃气体浓度超过警戒值时立即报警，及时消除安全隐患。同时基于高德地图对井盖位置状态进行监测，实现井盖地图定位、移动轨迹显示和越界报警。市政管理人员无需花费大量人力物力对设备进行检查巡视，随时随地通过监测系统即可掌握当前井盖设施的状态、位置等信息，从而提供更好的维护服务，大幅提高管理效率，降低管理成本。

1 系统整体设计

智能井盖监测系统包括智能井盖监测后台管理系统、基于NB-IoT技术数据传输模块、基站以及安装在井盖上的水位、温湿度、姿态、GPS、可燃气体等数据采集监测节点。工作过程：监测节点使用STM32单片机对井盖进行实时监测，通过温湿度传感器监测温度与湿度，通过超声波技术监测水位，通过气体传感器监测可燃气体浓度等地下管道工作环境状态参数，陀螺仪和GPS定位判断井盖是否松动或开启，实现故障监测和防盗功能。采集的数据信息通过NB-IoT模块和基站传输到市政井盖后台管理系统，管理人员可以实时了解井盖状态，并处理报警信息，实现井盖的智能化管理。系统总体框架如图1所示。

2 系统硬件实现

本系统硬件以STM32F103RCT6微处理芯片作为控制核心，外围电路集成了温湿度传感器、超声波传感器、可燃气体传感器、姿态传感器、GPS定位模块以及NB-IoT数据传输模块。硬件结构如图2所示。

STM32F系列微处理器内核为Cortex-M3，属于中低端32位ARM微控制器，其具有高性能、低功耗、高性价比等特点，最高工作频率为72 MHz，其丰富的I/O口可满足监测采集节点的设计要求[6]。该微处理器程序可借助Keil MDK集成开发环境，使用C语言开发。

2.1 温湿度监测模块

DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它使用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件[7]。该模块的数据口与STM32通用I/O端口连接，采用单总线数据格式获取温湿度。根据不同工作环境和位置的井盖，可以设置相应的警戒值，当超过警戒值时通过通信模块将当前工作环境的温湿度报警信息传送到监测平台。

2.2 水位监测模块

使用超聲波HC-SR04模块监测水位，其测量范围为2～400 cm，精度可达[8]3 mm，HC-SR04连接在STM32的通用I/O接口，触发超声波TRIG引脚给出一个超过10 μs的高电平信号，超声波模块发出的矩形波遇到障碍物后发生反射使得ECHO电平升高，其产生的矩形波宽度即为超声波往返时间，根据超声波往返时间可计算出水位与井盖的距离。当出现暴雨水位超过警戒值时可实时向监测平台报警。

2.3 可燃气体监测模块

MQ-2是一种气体电阻控制型气敏器件，可以检测甲烷、丙烷、氢气等多种可燃性气体[9]。当地下管道中可燃气体浓度增加时传感器的电导率增大，STM32使用通用I/O端口将电导率转换为可燃气体浓度值。

2.4 井盖姿态监测模块

利用MPU6050陀螺仪模块监测井盖角度变化，从而判断井盖是否松动或开启。MPU6050具有角加速度和加速度检测功能，STM32采用I2C通信方式与其连接。监测节点安装时将MPU6050水平贴附于井盖底部，节点通过监测角度的变化判断井盖是否松动或开启。

2.5 GPS定位模块

GPS模块定位精度高，可通过通信模块实时将井盖的经纬度信息发送到远程监测系统管理平台。系统管理员可以对井盖位置及类型进行归类整理，基于高德地图对当前井盖位置状态进行监测，实时在地图显示井盖位置和轨迹，实现越界报警。

2.6 NB-IoT通信模块及网络

NB-IoT是工信部大力推广的物联网新技术。NB-IoT可直接复用于现有移动蜂窝网络，占用带宽为180 kHz，有效降低了部署成本，同时还具有更强的网络覆盖能力和连接能力、更低的功耗和模块成本，适合智能井盖监测系统的应用[10]。监测节点选用的NB-IoT通信模块为移远通信NB-IoT BC95模组，通过串口与STM32通信，微处理器利用AT命令实现模块的数据交互，波特率设置为9 600 b/s。NB-IoT通信模块安装在井盖底部，用于将微处理器监测到的井盖数据实时发送到监测平台。

3 监测系统管理平台

市政监测系统管理平台将采集的数据对外发布，相关人员包括市政管理部门、小区物业部门以及广大公众可通过不同的权限登录平台查询相关信息，实现井盖数字化远程监测、智能化管理，并预防事故发生。监测系统平台主要功能模块如图3所示。

系统各模块实现了以下功能。

（1）设备状态监测：设备后台能够24 h监测并展示井盖状态信息，当监测节点监测到的状态值超过预设阈值时提示预警信息并上报至监测平台。同时设备周期性上报监测数据至后台，包括设备故障信息、电池电量信息、设备信号强度、防盗信息等，由此来判断设备的运行情况是否正常。

（2）设备定位展示：系统支持以高德地图的形式呈现井盖网点的信息，并以不同颜色显示数据异常点位。地图支持按设备类型、设备状态、设备基本信息等选项过滤筛选，同时还能支持地图放大、缩小和平移操作。

（3）设备报警：系统会实时监测设备异常数据信息，如水位信息、气体浓度信息、温湿度信息、井盖异常开启、设备信息故障/丢失、电压过低等，当数据异常时报警，并将信息通过手机短信等方式发送给相关管理人员。

（4）井盖维护模块：管理人员根据设备异常数据发起维修流程，通知相关维护人员前往处理设备故障，并利用设备定位信息使用地图导航功能以有效降低维护人员的搜索难度。

（5）系统数据分析：通过系统采集的信息，由后台进行大数据分析处理，根据客户需求有针对性地开发数据分析系统。例如分析某区域某时段的地下管道可燃气体浓度或者水位高低情况，进行异常情况预判。

管理人员通过监测系统的各功能模块可以随时随地掌握井盖的当前工作环境和位置信息。图4所示为地下管道水位历史数据和井盖在地图中的定位展示。

4 结 语

城市路面井盖管理问题关乎社会民生，其管理水平体现了城市经济发展水平。本文设计的智能井盖监测系统实现了市政公共设施的智能化管理，有效保障了行人、车辆的安全，是智慧城市建设的一项重要应用。

注：本文通讯作者为郭一晶。

参考文献

[1]孙嘉钰，李红，陈银亮，等.基于NB-IoT 的智能窖井盖监控系统的研究[J].中外企业家，2020（1）：134.

[2]李超超，魏春，张远东，等.地下综合管廊井盖监测报警系统设计[J].计算机测量与控制，2018，27（6）：18-21.

[3]高阳.基于NB-IoT和LoRa相互协作的窨井盖检测系统[J].中国新通信，2019（19）：86-87.

[4]马爱丽，曹梦宇，唐玮璇，等.基于智能井盖的物联网+市政一体化系统[J].物联网技术，2016，6（3）：105-107.

[5]张世伟.浅谈井盖智能监测系统在天津港智慧水务中的应用[J].内江科技，2018（8）：25-26.

[6]刘志雄，董效杰，郑灏，等.基于单片机的智能排水窨井盖设计[J].信息技术与信息化，2019（2）：66-67.

[7]甘礼福，彭博齐，邓金海，等.基于STM32實验室环境监测系统的研究与设计[J].轻工科技，2020，36（3）：65-68.

[8]孟卓.基于HC-SR04的超声波导盲系统设计[J].电子设计工程，2019，27（21）：136-139.

[9]毛敏，李想.基于Arduino的可燃气体检测系统[J].电子测试，2017（14）：19-20.

[10]孙彦景，冯甜欣，李松，等.基于NB-IoT的低速率监测物联网应用实验系统[J].实验技术与管理，2020，37（3）：95-98.