基于ESP8266 主控的智能井盖控制系统设计

邓三星，陈赵，李克强，薛国阳，杨蒙蒙

（1.黄河交通学院，河南焦作，454950；2.焦作市智能机器人工程技术研究中心，河南焦作，454950）

0 引言

近年来，全国各大城市都有因为下水道气体成分超标而引发爆炸等严重事故的发生。由于缺乏下水道信息监测，而导致下水道工人意外窒息死亡以及井盖爆炸的事故时有发生[1～3]。

本设计以ESP8266 单片机为主控芯片，利用GSM 模块进行通信，井下环境监测通过采用可燃气体传感器检测可燃气体浓度，电容式液位传感器检测井下液位，采用陀螺仪传感器检测井盖开合姿态，可进行实时监测，预防气体爆炸、污水溢出、井盖异位所引起的事故。

1 系统总体结构设计

■1.1 设计思路

主控制单元采集各个传感器信息，通过与设定阈值对比，判断是否超过硬件设定阈值，并将传感器实时数值上传云端（若超过阈值则发出报警信号），云端经过分析计算，再次判断传感器信息是否超过软件设定阈值，若超过阈值，则通过手机短信和钉钉消息提醒管理员。

智能井盖监测系统主要由传感器(环境信息采集装置)、通信模块和控制芯片三部分组成，其中传感器用来测量下水道气体各成分的浓度参数[4]；通信模块是负责与GPRS 网络进行通信的组件，用于传送各种需要传输的数据，实现与其他设备或系统的远程通信；控制单元接收来自传感器、执行器等部件的输入信息，并根据预定的逻辑和算法进行处理和判断，并可以对系统进行监控和控制，以确保系统的正常运行和稳定性。

在通信模块和控制单元之间，存在着密切的协作关系。通信模块负责与外部网络进行通信，将采集到的数据传送给控制单元，并将控制指令发送给相应的执行器。控制单元则根据接收到的数据和指令，进行逻辑判断和计算，然后生成控制指令，并通过通信模块传送给外部设备。系统结构框图如图1 所示。

图1 系统结构框图

■1.2 技术原理

智能井盖控制系统由主控芯片ESP8266 获取多个传感器数值，通过MQTT 协议将数据上传云端，云端服务器接收到智能井盖传输的数据后，进行数据的处理与存储，包括数据的解析、校验、筛选，将数据按照设定的规则进行存储和管理，并与设定阈值进行对比[5]。管理员可以设置可燃气体参数阈值，一旦井盖上传的数据达到或超过设定的阈值，云端系统将触发报警机制，发送报警信息给管理员，提醒其注意异常情况从而实现井下环境监测。智能井盖技术基于传感器数据采集、数据传输、云端数据处理与存储、阈值设定与报警机制以及远程管理与控制，实现了对井盖状态的实时监测、报警提醒和远程管理，提高了城市管理的效率和安全。

■1.2.1MQTT 协议

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）是 一种消息传输协议，用于连接受限的设备和低带宽、不可靠的网络环境。MQTT 协议广泛应用于物联网（IoT）领域，例如传感器数据的采集与传输、远程设备管理、实时监控和控制等场景。它提供了一种高效可靠的消息通信机制，使得物联网设备和系统能够方便地进行异步数据交换和远程控制。

■1.2.2 井盖姿态解算——卡尔曼滤波算法

卡尔曼滤波算法（Kalman Filter）是一种用于估计系统状态的递归滤波算法，基于系统的动态模型和观测模型，通过递归地更新状态估计值和协方差矩阵来进行系统状态的准确估计[6]。它的主要思想是将先验估计和测量结果进行加权平均，得到更准确的后验估计，并同时考虑了测量误差和系统动态的不确定性，常用于处理带有噪声和不确定性的动态系统。

2 系统硬件电路设计

■2.1 可燃气体检测模块电路设计

可燃气体检测传感器选用MQ-9 可燃气体传感器，它基于电化学原理，通过氧化还原反应检测环境中的可燃气体浓度，是一种常用的气体传感器模块，主要用于检测空气中的可燃气体浓度[7]。它包含一个敏感元件，由金属氧

化物和半导体材料组成。其测量范围包括可燃气体浓度的百万分比。该传感器对可燃气体的检测敏感，能够提供更准确的测量结果。模块电路图设计如图2 所示。

图2 可燃气体检测模块电路

■2.2 井盖姿态检测模块电路设计

井盖姿态检测选用MPU6050 六轴陀螺仪，它采用MEMS 技术，具有较高的测量精度和稳定性，同时采用数字信号输出，功耗较低，可以提供准确可靠的测量结果。MPU6050 六轴陀螺仪模块广泛应用于飞行器、机器人、虚拟现实、运动追踪等领域。它可以实时监测物体的姿态和运动状态，为相关应用提供重要的数据支持。本设计中采用卡尔曼滤波算法对陀螺仪进行姿态解算[8]，从而得出井盖姿态数据，模块电路图如图3 所示。

图3 井盖姿态检测模块电路

■2.3 ESP8266 主控

ESP8266 开发板是一款基于ESP8266 芯片的嵌入式开发板，它集成了WiFi 模块和微控制器，可以方便地实现物联网、智能家居、远程监控等应用。本设计中只将其作为主控芯片使用，配合GSM 模块进行通信，并没有应用它的WiFi 功能，在后续的使用中，可根据实际使用环境，可将其设置为STA 模式，连接WiFi 代替或配合GSM 模块进行通信。

■2.4 GSM 模块

GSM（Global System for Mobile Communications）模块是一种用于移动通信的无线通信模块，可以实现基于GSM 网络的语音和数据通信，可以提供远程控制、数据传输、警报等功能，广泛应用于车载监控、智能家居、物联网等领域。GSM 模块电路图如图4所示。

图4 GSM 模块电路图

3 软件流程设计

系统上电以后，ESP8266 进行开机自检，接入GSM 网络并判断，初始化各传感器，读取传感器数据进行判断，随后上传云端进行阈值判断，在达到设定阈值时，可进行现场蜂鸣器报警、网页APP 端报警，以及发送短消息报警等功能。软件流程图如图5 所示。

图5 软件流程图

■3.1 系统功能验证

通过硬件和软件的设计，智能井盖系统能够正确测量井下可燃气体浓度数值，传感器将采集到的数据通过MQTT协议上传云端，云端接收数据，进行分析处理，生成实时报表。系统可设定授权两个具有密码保护的钉钉机器人和两名手机用户，在采样超标时，云端可以发出报警信号，并将超标的状态分别通过钉钉机器人发送到钉钉群组，同时通过手机短消息发送到手机用户。系统的实物图和报警提示效果图如图6、图7 所示。

图6 系统实物图

图7 钉钉机器人报警提示图

■3.2 后台监测

系统总体结构由井下环境检测装置和后台监测系统所构成。检测装置负责实时可燃气体浓度、井盖姿态等各项运行指标检测，输出井下环境状态的基础数据。后台监测系统采集线上接收到的数据，进行复杂的逻辑处理，从而得到系统的运行状态并进行信息预警。

3.2.1 监测显示界面

如图8 所示，后台监控系统可以显示所管理范围内每个井盖的状态（开合、可燃气体浓度、阈值超标情况等），并进行归纳统计，做出设备运行状态、设备正常率等详细情况，将它们集中在一起显示。

图8 监测显示界面

3.2.2 预警界面

在预警界面可以手动设置可燃气体报警阈值，以及井盖位姿移动是否需要报警，也可对其报警状态、响应类型、通知方式进行设置。

■3.3 可燃气体传感器浓度测试

针对甲烷、一氧化碳等混合可燃气体，对本系统进行测试实验。系统测试工作电压为直流5V，测试环境温度18℃～20℃。对比工业可燃气体检测仪检测的浓度数据，从而验证系统对可燃气体浓度检测的准确性，以及系统对姿态变化做出的响应时间等，并确保其能够准确地检测和报警。检测结果如表1 所示。

表1 可燃气体浓度检测对比

在测试过程中，该系统表现出良好性能，可以准确地检测出可燃气体并进行报警，对可燃气体泄漏事件做出及时响应。不同可燃气体浓度情况下，该系统对可燃气体浓度的检测保持在1.5%误差范围内，系统符合预期设计要求。

4 总结

本文完成了智能井盖控制系统的设计，该智能井盖可获取传感器精确数值并上传云端，在达到设定阈值时会提醒管理员，实现实时监控、报警的功能。

实现的主要功能如下：

（1）传感器数据采集：可燃气体传感器、井盖姿态传感器的数据解算，可以准确采集环境数据。

（2）数据上传云端：智能井盖通过网络连接，将传感器采集到的数据上传至云端服务器，实现数据的实时存储和处理。

（3）远程管理和控制：管理员可以通过使用手机应用或电脑等终端设备，随时远程管理和控制智能井盖，包括查看实时数据、设置阈值、接收报警信息等功能。

本文设计的智能井盖控制系统，可以广泛应用于各种复杂气候和地势的地区，提供可靠的实时监控和报警功能，可以帮助管理人员及时掌握井盖状态并采取必要的措施，提高井盖管理的效率和安全性。