摘要：井盖在城市中随处可见，一旦遇到井盖破损或者被盗，如果修理不及时，会存在很大的安全隐患。为了高效管理井盖，设计一种基于物联网的井盖管理系统。该系统由STM32F103RET6控制器、MPU6050姿态检测传感器、GSM模块、HC-SR04超声波模块、OLED显示屏、DHT11温湿度模块、水位检测传感器及OneNET平台组成。MPU6050检测模块配合HC-SR04超声波模块实时监测井盖状态，井盖异常信息经STM32F103RET6处理后通过GSM模块发送报警短信。系统实时采集井下温湿度及水位信息并通过OLED显示，然后通过NB-IoT模块由LwM2M协议发送给OneNET平台，OneNET平台将接收到的信息储存并处理显示。
关键词：窄带物联网；传感器；井盖管理；全球移动通信系统；短信报警；OneNET平台
0引言
井盖在街道和小巷上很常见，数量也越来越多，当井盖被损坏或者被盗，如果不尽快处理，就会有车辆或行人因为不知道这个情况而发生不安全的事故。因此，对破损或者被盗的井盖及时报警、尽快进行维护就非常重要。另外随着城市的发展，井盖的数量越来越多，市政部门对于井盖的管理和维护难度也很大，对井盖进行有效监控是市政管理的一个重要内容[1]。通过物联网智能监测装置来监测井盖状态，及时发现、修复破损或被盗井盖，对推动城市智慧管理和快速发展具有重要意义。
1窄带物联网和OneNET平台
物联网（IoT）是新一代信息技术的重要组成部分，也是“信息化”时代的重要发展阶段。窄带物联网（NB-IoT）是万物互联网络的一个重要分支，它构建于蜂窝网络，只消耗大约180kHz的带宽，可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络，以降低部署成本，实现平滑升级[2]。NB-IoT是IoT领域一个新兴的技术，支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接，也被叫作低功耗广域网。物联网分为三层：感知层、网络层、应用层。感知层由各种传感器构成，包括RFID标签和读写器、摄像头、温湿度传感器、二维码标签、红外线、GPS等感知终端，是物联网识别物体、采集信息的来源；网络层由互联网、广电网、网络管理系统和云计算平台等组成，是整个物联网的中枢，负责传递和处理感知层获取的信息；应用层是物联网和用户的接口，它与行业需求结合，实现物联网的智能应用。OneNET平台是中国移动物联网公司推出的物联网解决方案平台，完善了协议的封装，简化了开发流程，让开发者专注于应用开发。OneNET目前支持大部分物联网协议，包括公网协议HTTP、MQTT、EDP等，还提供私有协议支持，方便开发者个人定制[3]。
2系统硬件设计
基于物联网的智慧井盖管理系统原理框图如图1所示。系统包括STM32控制模块、MPU6050姿态检测传感器模块、HC-SR04模块、GSM模块、OLED显示模块、DHT11温湿度传感器模块、水位传感模块和NB-IoT模块。供电部分使用220V转12V直流电源接LM2596降压稳压电源模块供电。STM32控制器通过串口3与NB-IoT模块建立通信，通过一系列AT命令与OneNET平台连接，通过手机APP或者电脑PC端，可以登录OneNET云平台查看数据信息；通过串口2与GSM模块进行通信，在井盖姿态异常情况下发送短信至维护人员手机；STM32控制器与各传感器通过串口、I2C以及SPI等方式建立连接，实现系统功能。NB-IoT模块和SIM900模块与单片机相互通信，NB-IoT模块主要用作数据的上传，GSM模块用于发送短消息。将数据上传到OneNET云平台后，可用手机APP或者电脑PC端来远程监控这些数据。STM32F103RET6最小系统：STM32F103是ST公司出品的高性能、低成本的嵌入式芯片。以ARMCortex-M3内核的32位STM32F103ZET6作为主控制器，基于哈佛架构的三级流水线内核是一个可综合、高度可配置的处理器[4]。MPU6050姿态检测传感器：MPU6050是InvenSense推出的处理器[5]，结合陀螺仪和加速度传感器，选择该传感器来检测井盖的状态，判断井盖是否松动或被无故开启。HC-SR04超声波测距模块：HC-SR04通过发射器发射约6mm40kHz频率的超声波信号，该信号被物体反射回去，并被接收器（基本上是压电效应转换器）接收，传感器收到信号后，会产生一个弱电压信号[6]。OLED显示模块：2.4寸I2C总线驱动的OLED显示模块，它在经过初始化之后可以直接显示字符、数字及文字等信息，节省开发时间[7]。电源模块：220V交流电源转12V直流电源模块电源，该设计中的单片机使用5V电源，因此使用7805稳压器电路提供5V输出，为系统供电。水位检测模块：水位传感器通过使用平行导线迹线测量液滴的大小/水的体积来测量出水位的数值，可以很容易将传感器采集的模拟量数值转换为对应的数字值。SIM900A模块：其采用SMT封装的双拼GSM/GPRS模块，是基于移动2G的GSM短消息平台和GPRS数据业务，同样也支持一些3G/4G手机卡，但是不支持电信卡。采用5V/1A的直流供电，可以通过主控芯片管脚进行供电，也可单独供电[8]。DHT11温湿度模块：包含温度和湿度检测功能。该传感器由电阻类型的湿度测量器件和NTC类型的温度测量元件组成，并与8位微处理器内部相连，通过与外部处理器连接，能够得到当前实时温度和湿度[9]。
3系统软件设计
系统先使用STM32F103RET6控制器与各模块之间通过各种通信方式建立正确的连接，以收集数据。然后OLED显示屏显示具体的井下环境信息及井盖状态，通过NB-IoT模块使用LwM2M协议将数据上传到OneNET云平台，并通过串口通信的方式控制GSM模块实现短信报警功能。系统程序流程如图2所示。系统使用NB-IoT模块实现系统的互联网接入功能，NB-IoT模块子程序流程如图3所示。实现报警功能的GSM模块开始需要检测SIM卡状态和信号，并且对电源有一定的要求，必须保证电流达到2A。GSM模块子程序流程如图4所示。
4系统功能调试
将软件程序编译下载到系统控制芯片中，对整个系统进行整体调试。上电后，系统会对NB-IoT模块、GSM模块进行配置，初始化MPU6050和超声波测距模块；系统初始化成功后，各个模块开始工作，DHT11模块和水位检测模块不断采集下水井中温度、湿度和水位高度信息，通过NB-IoT模块对数据进行打包，通过NB-IoT上传，可在OneNET上看到这些上传的数据信息。在OLED显示屏上可看到温湿度及水位信息，MPU6050实时监控井盖状态信息，配合着超声波测距模块进行检测。在正常情况下，井盖状态正常时，系统不会发出报警提示。在井盖发生倾斜并且处于该状态5s以上时，系统就会认为井盖状态发生异常，系统会发出蜂鸣器报警并且在显示屏上显示“井盖异常”；同时通过GSM模块发出“井盖状态异常，请注意！”的报警短信到指定人员的手机，提醒维护人员前来对井盖状态进行检查，蜂鸣器报警可以提醒行人注意安全。在井盖倾斜过大时，MPU6050姿态检测传感器输出的轴向角和俯仰角会增大，系统会判定井盖状态异常，井盖倾角过大时，报警短信如图5所示。在井盖离开下水井时，HC-SR04超声波测距传感器检测的距离会变得特别大，长时间处于此状态，系统会判定井盖丢失。井盖丢失时的报警短信如图6所示。当水位超过所设定的预设值时（实验中阈值水位设置为38mm），水位检测器监测到水位溢出，系统会判定水位过高，触发系统的LED报警提示并发出短信。水位过高的OLED显示屏内容如图7所示，水位过高的报警短信如图8所示。
5结语
本文设计一种基于物联网的智慧井盖管理系统，致力于打造智能井盖。基于“互联网+”形成“井盖网”，可实现对井盖状态的实时监测，判断井盖是否松动或被人打开，实时监控水位、温度、湿度和其他环境信息，持续显示和刷新数据，维护人员可随时查看井盖状态。
作者:骆炜 龙馨 龙光利 单位:陕西理工大学物理与电信工程学院 陕西理工大学经济管理与法学学院