基于物聯網技術的智能井蓋系統的設計與實現

趙麗

摘 要：根據目前城市管道井的分布特點，基于物聯網技術設計了能準確預警的智能井蓋系統。結合獨特的機械結構和壓電陶瓷充電技術，使系統在惡劣環境下能準確預警減少損失，并且能給監管部門提供幫助，綠色實用。

關鍵詞：ZigBee 物聯網 智能井蓋

中圖分類號：TP302 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）05（a）-0003-02

早在2008年，在紐約召開的外國關系理事會“智慧的地球”這一理念被首次提出，進而引發了智慧城市建設的熱潮。2010年，IBM正式提出“智慧的城市”這一概念，包括智慧的醫療、智慧的交通、智慧的教育、智慧的能源、智慧的運輸、智慧的通信等。智能井蓋系統是智慧城市中的一個小小分支。隨著城市的迅速發展，越來越多的管道井分布在城市的各個角落，車來車往馬路上的管道井蓋更不計其數。繁忙的交通、惡劣天氣等原因導致破損、丟失井蓋不能及時維修更換，造成巨大安全隱患，道路漫水等惡劣天氣時后果更嚴重。

1 智能井蓋系統概述

智能井蓋系統主要包括三部分：智能井蓋、通信網絡和監管中心。系統簡單框圖如圖1所示。井蓋上安裝有預警警示牌和zigbee無線通信模塊；通過無線通信模塊與監控中心實時通信。監管中主要負責后臺管理，實現可視化監管。

2 物聯網技術

物聯網，即利用局部網絡或互聯網等通信技術把傳感器、控制器、機器、人員和物等通過新的方式聯在一起，形成人與物、物與物相聯，實現信息化、遠程管理控制和智能化的網絡。中國物聯網校企聯盟將物聯網定義為當下幾乎所有技術與計算機、互聯網技術的結合，實現物體與物體之間、環境以及狀態信息實時的共享以及智能化的收集、傳遞、處理、執行。該系統屬于典型的物聯網系統，底層通過ZigBee技術實現井蓋的互聯，通過ZigBee-GPRS網關實現終端與監控中心的通信[1]。

ZigBee技術在世界范圍內采用2.4 GHz ISM頻段，劃分成16個信道，數據傳輸速率為250 Kbps，其成本低、功耗低， 而且無線節點的組網能力很強。ZigBee無線網絡不僅能提供不同等級的通信安全措施，而且還可以針對不同的應用場合采用靈活的設計方案，用完整的通信握手協議保證數據傳輸的可靠性[2]。監控器采用ZigBee技術支持的網狀網絡拓撲結構。除網狀拓撲結構外，ZigBee還支持點對點、星狀、簇樹狀等網絡拓撲結構[5]。

3 智能井蓋設計

智能井蓋監測功能框圖如圖2所示。考慮常被車輛碾壓的特點電池充電電路選用電陶瓷充電技術，將碾壓機械力轉換為電池電能。ZigBee通信電路選用基于IEEEE802.15.4標準的通訊模塊--Digi公司的XBeePro模塊。XBeePRO模塊內置協議棧，通過串口使用AT命令集設置參數，通過串口進行數據交互，使用方便。

智能井蓋的機械結構如圖3所示，主要包括掛耳、扭力彈簧、銷軸、連桿、預警牌、井蓋和井蓋座、浮子，無線通訊模塊等部分組成。當井蓋出現丟失或破損，預警牌靠扭力彈簧反彈力繞銷軸向上翻轉并上舉，啟警示作用，連桿向上翻舉時觸發常開觸點開關控制電路工作，發出無線信號的同時點亮預警牌[3]。惡劣天氣下當井蓋被水淹時充氣浮子浮起，浮子上的報警指示燈起準確預警功能。井蓋上面敷設并聯壓電陶瓷片，將碾壓勢能轉化為電能[4]。

4 監管中心管理平臺設計

監控中心軟件以SQLServer數據庫為基礎，采用C#編程，主要實現用戶管理、參數設置、實時監控、數據分析、GIS等功能[5]。采用圖形化方式顯示對應的設備故障，例如，當井蓋丟失時在GIS地圖上顯示井蓋位置并報警；根據井蓋丟失位置、次數和丟失原因等數據統計，進行大數據分析，對井蓋維護維修及預警提供輔助決策；提供短信及界面信息推送功能，及時通知管理人員；提供手機APP功能，充分發揮移動終端的優勢。

5 結語

該設計已獲得國家實用新型專利，專利號為：采用電陶瓷充電技術和特殊的機械結構創新性的解決了道路上的井蓋的充電和預警問題，準確成功預警提高了安全性能的同時合理利用有效能量資源，安全綠色環保。

參考文獻

[1] 冀常鵬.AVR單片機GSM/GPRS應用技術[M].北京：國防工業出版社，2011.

[2] 呂治安.ZigBee網絡原理與應用開發[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008.

[3] （美）奇羅尼斯，著.機械設計實用機構與裝置圖冊[M].鄒平，譯.北京：機械工業出版社，2007.

[4] 周志敏.充電器電路設計與應用[M].北京：人民郵電出版社，2005.

[5] （美）索利斯，著.C#圖解教程[M].4版.姚琪琳，譯.北京：人民郵電出版社，2013.