基于NB-IoT的智能窖井蓋監(jiān)控系統(tǒng)的研究

孫嘉鈺 李紅 陳銀亮 劉業(yè)林 駱琪 張桐赫 蔡天鵬

摘要：針對近年來我國窖井蓋存在的丟失、移位等情況對人身及財(cái)產(chǎn)安全造成的隱患，提出基于物聯(lián)網(wǎng)及NB-IoT技術(shù)的智能窖井蓋監(jiān)控系統(tǒng)，由單片機(jī)和傳感器陣列組成窖井蓋終端檢測系統(tǒng)，可以隨時(shí)采集井蓋信息，實(shí)現(xiàn)對城市窖井蓋檢測及報(bào)警，從而最大化解決城市中窖井蓋存在的安全問題，本文主要介紹窖井蓋智能監(jiān)控系統(tǒng)的檢測與控制方式及涉及的通信技術(shù)。

關(guān)鍵詞：窖井蓋監(jiān)控系統(tǒng);傳感器陣列;無線通信技術(shù)

城市智慧化已經(jīng)成為繼工業(yè)化、信息化、電氣化之后的第四次浪潮，建設(shè)智慧城市，是世界城市發(fā)展的前沿趨勢，隨著5G的到來，這一趨勢將被再次放大，在這萬物趨于互聯(lián)的時(shí)代，我們采用各類傳感器與通信模塊將井蓋與網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控平臺(tái)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，順應(yīng)了信息時(shí)代與智慧城市的發(fā)展。

智能窖井蓋監(jiān)控系統(tǒng)，由多個(gè)傳感器及無線通信模塊組成，采用STM32單片機(jī)作為控制器，多種傳感器作為窖井蓋狀態(tài)檢測裝置。通過程序可以設(shè)置窖井蓋水位、溫濕度、傾斜度、光強(qiáng)的警戒值。實(shí)時(shí)接收數(shù)據(jù)，當(dāng)任意一項(xiàng)數(shù)據(jù)超過警戒值立即報(bào)警。無線通信模塊選用NB-IoT模塊，通過單片機(jī)控制其發(fā)送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及報(bào)警信息至監(jiān)控平臺(tái)。下面對窖井蓋監(jiān)控系統(tǒng)所涉及到的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行簡要介紹。

1傳感器采集技術(shù)

1.1基于DHT11傳感器的溫濕度檢測技術(shù)

DHT11傳感器應(yīng)用數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，能夠同時(shí)檢測窖井蓋內(nèi)部溫度與濕度。其與STM32單片機(jī)相連，確保測量精度為l℃，根據(jù)不同位置、不同作用的窖井蓋，可以設(shè)置不同警戒值，當(dāng)超過警戒值時(shí)立即報(bào)警，并由無線通信模塊將報(bào)警信息傳送到監(jiān)控平臺(tái)。

1.2基于超聲波HC-SR04的水位檢測技術(shù)

使用超聲波SR04模塊測距來檢測水位，SR04通過向井蓋底部發(fā)射超聲波，并根據(jù)返回時(shí)間得出水位值，當(dāng)窖井蓋內(nèi)部水位與檢測裝置之間小于0.6米時(shí)報(bào)警，在暴雨多發(fā)地或者連接地下水管處的井蓋，可以將檢測時(shí)間間隔縮短。

1.3基于光電對管的閉合檢測技術(shù)

光電對管也叫光電開關(guān)，是利用被檢測物對光束的遮擋或反射，由同步回路接通電路，從而檢測物體的有無。光電對管安裝在窖井蓋底部，當(dāng)井蓋被移位時(shí)報(bào)警，監(jiān)控中心得到井蓋被移位的信息可以及時(shí)處理。

1.4基于SCA100T傾角傳感器檢測技術(shù)

SCA100T系列傾角傳感器測量角度范圍為300，將在窖井蓋傾角超過1°時(shí)報(bào)警，同時(shí)傾角傳感器也可在光電對管沒有正常T作時(shí)檢測井蓋被移位時(shí)傾角發(fā)生的變化，確保井蓋沒有丟失或打開。

2無線通信技術(shù)

智能窖井蓋監(jiān)控系統(tǒng)需要無線通信模塊將信息實(shí)時(shí)發(fā)送到云監(jiān)控平臺(tái)上。適用于窖井蓋的無線通信技術(shù)主要有藍(lán)牙、WIFI、ZigBee、NB-IoT等，下面主要對這幾種無線通信技術(shù)進(jìn)行介紹及對比。

2.1藍(lán)牙

藍(lán)牙技術(shù)是一種無線數(shù)據(jù)和語音通信開放的全球規(guī)范，為同定和移動(dòng)設(shè)備建立通信環(huán)境的一種特殊的近距離無線技術(shù)連接。使用藍(lán)牙模塊安裝在窖井蓋上，可以使用移動(dòng)設(shè)備通過藍(lán)牙連接，對一定數(shù)量的窖井蓋的實(shí)時(shí)情況進(jìn)行短距離實(shí)時(shí)監(jiān)控。

2.2 WIFI

WIFI被廣泛用于各大公共場所及私人住所，幾乎所有智能手機(jī)電腦都支持WIFI連接，是當(dāng)今使用最廣的一種無線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，覆蓋范圍相比較于藍(lán)牙連接增加了10倍。與藍(lán)牙相同，移動(dòng)設(shè)備通過WIFI連接可以實(shí)時(shí)監(jiān)控窖井蓋的狀態(tài)，但同時(shí)也僅限于短距離，較少數(shù)量的連接。

2.3 ZigBee

ZigBeeD的主要特點(diǎn)是低速、低耗電、低成本，最高可連接65000個(gè)節(jié)點(diǎn)，應(yīng)用于含有多個(gè)傳感器的智能窖井蓋監(jiān)控系統(tǒng)，可以在實(shí)現(xiàn)短距離內(nèi)將云監(jiān)控平臺(tái)與多傳感器集成的井蓋監(jiān)控系統(tǒng)連接。

2.4 NB-IoT

NB-IoT是物聯(lián)網(wǎng)一個(gè)分支，它具有廣覆蓋、超連接、低功率、低成本的特點(diǎn)，適合智能窖井蓋監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用。NB-IoT模塊安裝在窖井蓋底部，用于將單片機(jī)控制系統(tǒng)處理的井蓋信息實(shí)時(shí)發(fā)送至監(jiān)控平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)可視化。由于其特性，在位置偏遠(yuǎn)，深度較深的井蓋也不會(huì)影響信息的發(fā)送，有效避免系統(tǒng)報(bào)警后信息無法及時(shí)處理的問題。

3基于NB-IoT云監(jiān)控平臺(tái)

云監(jiān)控平臺(tái)接收與其連接的所有窖井蓋的IoT數(shù)據(jù)，其中包括窖井蓋的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息和單片機(jī)控制系統(tǒng)所發(fā)出的報(bào)警信息，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化，便于管理者輕松了解井蓋實(shí)時(shí)的狀態(tài)，并對報(bào)警信息進(jìn)行處理，真正實(shí)現(xiàn)智能窖井蓋的實(shí)施監(jiān)控。

4結(jié)束語

綜上所述，在物聯(lián)網(wǎng)高速興起并發(fā)展的今天，將基于單片機(jī)及多傳感器的窖井蓋監(jiān)控系統(tǒng)與NB-IoT技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)建一個(gè)可以實(shí)現(xiàn)云監(jiān)控的智能窖井蓋監(jiān)控系統(tǒng)，是實(shí)現(xiàn)智慧城市中智慧環(huán)境方向的一個(gè)重要分支，在便于政府管理城市的同時(shí)，為人身及財(cái)產(chǎn)安全提供了保障。

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項(xiàng)目：2019年度大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃省級(jí)項(xiàng)目《基于物聯(lián)網(wǎng)的智能井蓋監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)》;吉林省教育教學(xué)“十三五”規(guī)劃2017年度重點(diǎn)課題，課題批準(zhǔn)號(hào)ZD17095;2018年吉林省高等教育教學(xué)研究課題《新工科背景下電子信息工程專業(yè)人才創(chuàng)新能力培養(yǎng)的研究與實(shí)踐》。