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基于LoRa的智能井盖系统的设计与实现

摘要

井盖安全问题一直以来是社会十分关注的热点， 井盖的缺失会造成人身安全隐患， 雨水冲走井盖会造成井盖的丢失， 井盖损坏会导致过往汽车发生事故， 井盖溢流会造 成周围水质的污染和周围环境的恶臭。这些不好的后果都会成为影响我国城市居民的 常态生活秩序的因素，甚至加剧出现重大车祸等道路事故，造成城市经济命脉巨大损 害。随着经济建设的迅速发展， 城市化速度加快,"城市病"也日益严重地显现出来。交 通拥堵、环境污染等这些都是直接威胁到广大人民群众的生命健康和财产安全， 影响 城市形象， 破坏城市生态环境。因此， 有必要对井盖的管理事宜作出调整，确保井盖 能够正常使用并能及时发现损坏或变形的情况， 做到有备无患， 防患于未然。井盖是 城市管理的基础部件， 具有守护城市、助力城市管理的作用， 但是如果维护不当， 很 容易使城市“安全盾”变成“伤人利器”，加大社会安全隐患。目前我国大多数城市都存 在井盖被盗现象，井盖一旦被破坏，后果不堪设想。井盖不仅可以为人们提供遮风挡雨的功能， 还能起到警示交通、防盗报警以及保护人身安全的重要作用。要真正发挥井盖的作用，如何使用这把“双刃剑”，最重要的是加强井盖统一高效的管理、建立井盖管理数据库， 让城市管理“智慧化”[1]。在

此之前， 我们需要给井盖发放一张“身份证”，“伤情”发生后， 可以第一时间找到辖 区和产权单位， 及时“治疗”。由于井盖分布散，数量众多， 管理人员很难在第一时 间了解损坏情况。井盖损坏如果不能及时修复， 很容易造成行人或车辆的伤害， 而对 于一些比较隐蔽的井盖，也很难找到负责的单位。智慧井盖通过 LoRa 通信实时监控 井盖状态，当出现井盖丢失、损坏等问题时，报警信息会通过 LoRa 网络通信发送至运维人员客服端， 运维检修人员发现异常信息之后， 会立即进行处理， 修复井盖问题、消除缺点，保障所有人员生命安全，减少道路安全隐患,实现物联网智慧管理[2]。

关键词：智能井盖； LoRa；物联网

 

目录

摘 要 I

Abstract II

目录 III

第 1 章  绪 论 1

1.1 背景和意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 论文研究的主要内容 3

1.4 论文组织架构 3

第 2 章 相关技术介绍 5

2.1 物联网简介 5

2.2 LoRa  技术介绍 5

2.3 TCP/IP 协议 7

2.4    本章小结 8

第 3 章 系统总体电路设计和检测原理 9

3.1  网关和节点主控制器电路设计 9

3.2 井盖移位检测方法的研究 10

3.2.1  检测传感器硬件分析 11

3.2.2  检测传感器电路设计 11

3.3 LoRa 无线网络通信说明 12

3.3.1 LoRa 模块产品介绍 12

3.3.2 LoRa 模块电路设计 13

3.4  指示灯和复位电路设计 14

3.5 wifi 模块电路设计 15

3.6 本章小结 16

第 4 章 井盖状态监测装置硬件设计与实现 17

4.1 系统总体设计 17

4.2 检测器装置功能介绍 18

4.3 控制器装置的功能介绍 19

4.4 LoRa 模块传输方式选择 19

第 5 章 井盖状态监测系统软件设计于实现 21

5.1 系统功能模块介绍 21

5.2 系统开发环境介绍 21

5.3 系统节点程序设计 22

5.3.1 串口初始化 22

5.3.2 检测数据的读取与处理 24

5.4 系统网关程序设计 26

5.5 用户端功能设计 28

5.5.1 用户端设计软件介绍 28

5.5.2 用户端程序设计 29

第 6 章 结论与展望 32

6.1  结论 32

6.2  展望 32

参考文献 34

附录 1  节点电路图 35

附录 2  网关电路图 36

附录 3  节点程序 37

附录 4  网关程序 40

附录 5  用户端程序 44

致 谢 48

 

第1章  绪 论

1.1 背景和意义

随着我国智慧城市化设施不断发展， 城市井盖集体设备公用资源也在不断成为人 们不可缺少的市政门面工程。因此,政府部门需要时刻关注井盖安全问题, 同时所属部 门也必须有足够实力管理大量的市政设备和资产,所以井盖、质量、结构、部署等安全问题是一个城市应当非常注重的利民工程。目前, 国内井盖数量达到了五十亿个,全年新建和更换的井盖数量达到了一千五百万个[3]。城市井盖大多因为管理不够智能化、高效率监测等， 使得井盖出现许多问题， 移位、丢失、损坏、管道堵塞这些十分常见，  这些问题如果不处理， 便会堆积出一系列社会隐患， 对城市形象产生不良影响， 对企 业和社会更是会造成严重经济建设下滑， 同时危及马路上的车辆和普通路人的生命与 财产安全， 不利于社会生产与人民生活，想要使得井盖时刻处于安稳状态，保障人民 群众的财产安全， 智慧井盖已经是一个解决这些问题的完美方案了。针对现行监测管 理系统存在的问题，提出了一种基于无线网络传感技术的智能井盖监控系统设计方案。该方案通过在城市中部署传感器节点采集数据信息， 并采用 WIFI 网络将数据传输至后台服务器，实现智能海绵城市环境的有效结合[4]。

目前, 由于市政井盖数量多、管理部门多、安全监管工作难度大,如果企业内部存 在一些问题,人员就会互相推诿、逃脱责任;而井盖移位、遗漏、破损、堵塞,一旦负责 管理、监督工作的人员不能在第一时间解决,就很容易引发安全生产问题;普通工人对 巡检的工作效率相当低下,导致我们必须通过持续投入大量的人力,提高在井覆管理方 面成本;而井覆流失、损毁等问题主要由人为因素与天然原因二个方面所造成。主要 人为因素包括:车辆超载、违章驾驶、违规使用道路标线;还有一些不法分子为了逃避 打击而故意制造盗窃案件,导致城市中的很多地方都有盗窃案。自然原因一般包含江 河潮汛和强暴雨,造成井盖打开、井盖所用材质不耐用、井盖施工阶段损坏。有一些不 法分子直接把污水偷进下雨井, 因为下雨井是通过直接通向水道的管网连通到了地下水,最终流入河流，造成河流污染。

最先于 2010 年， “智慧城市”理念就被 IBM 公司提出[5]，智慧城市科技技术不断发展， 催生出一系列智慧领域， 智慧井盖也是其中的产物，智慧井盖功能广泛， 它可 以数据分析，实现智能化， 网络化， 高效化管理井盖所有问题，如位移、损坏等， 可及时报警，第一时间反馈管理人员，实现高效调度、现场处理。

1.2 国内外研究现状

目前,在中国大部分地方,传统的人工检查维护方式仍在应用中,其最主要的弊端是由于窨井盖分布广泛、隐蔽性较差,且人工的日常巡查管理效能低下,很难及时发现重大安全隐患[6]，因此怎样做到对城市道路井覆安全隐患问题的即时检测与定位,成了市政管理部门的重大难点。国内许多专家学者也对公路井盖检测系统开展了广泛的研 究,取得了许多重要成果。日本的研发人员已经设计了一套以 FRID 电子标签科技为基 础的智慧井盖检测系统。智慧井盖检测系统由放置于井盖内的 FRID 电子标签等检测 设备所构成。检测人员在拿着无线读取设备靠近井盖后,就能够非常方便的读出传感 器或节点装置所监测到的井盖数据, 以便掌握自来水管道、污水管线、电缆设备等的运 转状态。另外,他们还根据 GIS 地理信息系统技术研制出了一个快速定位系统, 以便于 快速掌握井覆情况数据,并使维修与检测人员可以快速的通过移动装置,进入现场实施 维护与管理。而美国研究人员已经研制出以摄像头为核心的车辆行驶记录仪,可对交 通路况信息进行采集记录;日本研发人员研制成一套基于 GPS  技术的井盖检测装置,能准确测量井盖所在区域的坐标。法国研究人员发明并设计了一种井盖安全系统,通过采用高分辨率图像模拟道路井盖的定位和状态[7]。该系统融合了智能图像识别算法以及大量的高清晰度雷达卫星地图技术,可以迅速、大规模地进行井盖状态辨识。缺陷 则是,有些井盖可能会因建筑以及植被覆盖的部分遮盖,而形成了监控盲点。因此德国技术人员已研制了一个智能的井盖安全连锁系统,让工作人员可以实时和从远程中心快捷地监测路面井盖的状况及情况[8]。但是这些研究成果大都集中于对井盖自身状态的监控方面。而对于井盖与地面之间相对位移量的检测却很少有人涉及。一旦出现故 障就需要工作人员现场抢修才能排除障碍。当井盖由于外力影响而偏移其部位时,有 关管理人员会及时获得报警消息,并可及时、方便的获取井盖定位等数据信息,让维护 管理人员可以更加方便迅速解决,从而节省了大量人员、物资和钱财。但大多数研究成 果都集中于对某一方面或某几个方面,而针对一个区域或者某个路段而言的研究较少。 因此,本文提出一种新型的井盖自动监控管理系统。

中国对智能井盖管理的研究起步相对较晚,井盖管理经过了由最初无防盗功能到安装井盖钥匙、再发展到智能井盖管理的三个阶段[9]。尤其是在近年来, 由于中国国内物联网科技的迅速发展,基于物联网移动信息技术的井盖与安全管理已成为了国内外 专家学者们研讨的热门话题。西安工业学院教授任安虎、鲍宏海等设计的基于 Zigbee 技术的城市道路井盖安全检测管理系统,通过光强传感器测量下水道的光强,可以判别 出井盖有无偏移或破损现象。在由山东车辆电气重点试验室研制的另一种道路防盗井盖管理系统中,也应用了Zigbee 技术及无线网络通信信息技术,通过安装摄像头对井盖 进行监控,然后将数据传输给远程监测中心。前者实现了智能控制,后者则提高了通信 可靠性。另外,还提供了一个采用最小二乘的车载传感器定位和井盖特征提取的数字 化管理技术。这种监控体系在一定意义上可以发挥井盖安全监管的功能, 只是在井盖 状态监测手段与无线通信技术手段选择方面还存在着一定缺陷,这正是采用全新的无 线技术手段与监测手段的井盖监控体系的目的与价值。

1.3 论文研究的主要内容

本文的工作要点和创新性之处：

1.总体结构和工作原理介绍： 该智能井盖系统主要由无线数据采集终端， 无线通 信模块,MCU 控制器三部分组成，其功能是将采集到的信号经放大后传输给 MCU 进 行处理。 智能井盖系统具体的硬件设置,STM32 系列单片机为内核处理器,具体型号为 F103C8T6，此型号特别适合便携式设备。而 HC-SR04 超声波模块则可以成为一种移 动距离测量感应器，LoRa 技术保证通信模块的低功耗。

2.在研究国内外现有技术基础上，设计一种基于 LoRa 无线传感网络技术的新型 智能井盖系统。智能井盖系统专用软件设计，利用手机 app 进行实时监测和管理， 保 证系统的稳定性和时效性。智能井盖系统的核心功能已通过 Android Studio 优化程序 完成并进行了测试。

3.LoRa 系统配置优化。 LPWAN 架构通常像星形网络一样构造成拓朴。 但由于网 络规模的不断扩大,星形网络已无法适应实际需要。介绍了传统 LoRa 网络架构中存在 的一些问题，并通过点对多架构网络设计了LoRa 传输方式。

1.4 论文组织架构

本论文的内容组织和结构架设：

第一章 本文首先重点阐述了国际井盖监控系统的形成历史背景与含义、国内井 盖监控系统的研发状况以及课题的重点内涵,进而进一步介绍了国际井盖监控系统的 发展意义,最后对本文的组织架构做出了说明。

第二章 这一章则讲述了关于井盖监测系统研究的有关技术综述。本章节的主要 内容讲述了物联网、 LoRa 、TCP/IP 协议。

第三章 井盖监控系统需求分析以及电路图设计。主要是在了解了整个项目所需 功能之后， 对主要功能模块进行具体技术原理设计， 并为最终形成一个完整的井盖监 控系统提供理论基础。

第四章 对本章内容进行详细分析并讲述了井盖监测网络系统的项目总体工程设计, 内容涵盖了网络系统结构、硬件方案工程设计、网络系统功能, 以及通讯网络系统 实施方案的工程设计。

第五章 本章首先介绍了井盖监测系统软件的基本实现,并完成了井盖监测系统 软件各模块功能与软件程序的设计,然后又详细地阐述了各功能的优化设计。

第六章 总结与展望。

 

参考文献

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