智慧城市下的智能窨井蓋

閆 川，譚 樺，孫悅涵

（武漢理工大學，湖北 武漢 430070）

1 項目背景及研究意義

近年來，我國多處地方都會遭遇大雨或暴雨的“襲擊”。面對較大的雨勢多處地方采取了打開窨井蓋來提高排水的速度，盡可能減少積水，方便交通。但打開窨井井蓋后如果窨井沒有具備很好的預警防護措施，則會對行人的安全造成威脅。在一些暴雨重災城市，每年都會有人因墜井而受傷甚至死亡，大眾需求有效的安全防護措施。同時，對于暴雨時可能發生的倒灌，進而使井蓋被沖開的現象，目前并沒有很好的預警和避免方式。

基于以上背景，設計了一種自發電多用途的窨井蓋，本裝置所有功能均利用回收能源和自身機械機構設計，在小成本的前提下實現了多重功能，節約了能源，滿足了當今社會可持續發展的大主題需求。

2 裝置結構介紹

整個裝置可以分為三大部分，即渦輪部分，井框固定板部分和井蓋部分，具體如圖1所示。

圖1 裝置結構

2.1 渦輪結構和固定板結構

中空渦輪發電裝置的結構特殊，該裝置與全貫流式水輪機相似，發電機轉子磁極直接安裝在渦輪機轉輪的外緣，使渦輪機轉輪與發電機轉子成為一個整體。中空渦輪發電裝置的轉輪葉片數較多，且葉片的外端有外輪緣支撐，這種結構增加了葉片的強度和剛度，為擴展轉輪直徑提供了條件，中空渦輪的中心是開口的，沒有中心旋轉軸，這種設計使垃圾可以從中心開口處通過，且可以減少雨水流過轉輪時的阻力。該設計在中心增加了1個收集網，安裝在中心，垃圾從中間通過后會落入網中，當垃圾積累到一定量，渦輪整體對固定板的壓力大于預設值時，會發送信號通知工作人員通過取出渦輪進行清理。葉片的外端被外輪緣包裹起來，轉輪在定子所限定的槽內旋轉。裝置利用該渦輪結構實現發電和第二類積水水位檢測功能，當地面積水、打開井蓋后，第二類積水檢測開始，通過記錄渦輪產生的電壓的平均大小并通過2G/3G無線接收裝置將觸發信號傳輸至遠程服務機組，分析后可以得出當前井外積水量，并作為該地區的實時數據儲存在數據庫中。受高度差和尺寸的約束，該渦輪產生的電量有限，主要是作為打開后警示用作LED燈的主要照明來源。

2.2 井蓋結構

該項目設計將井蓋結構拆開，分為底座、彈片、固定板、踏板四個部分，踏板下端裝入固定板內后和彈片螺旋連接，固定板螺旋連接在底座上，彈片緊挨著壓電陶瓷，通過對踏板施加壓力，從而帶動彈片移動按壓陶瓷，電線通過底座底部的銷孔與壓電陶瓷連接，這樣的設計既保證了井蓋原有的強度，又使得陶瓷保護在內部延長其壽命。同時，彈片與壓電片間接觸方式為圓角接觸，利用大學力學知識，這樣的設計能更大程度地利用壓力。除了產生電能供給用電外，當井蓋未打開時，該裝置通過壓電陶瓷來測量水深度，根據不同水深壓力不同來得到當前積水情況，即本裝置第一種檢測方法。井蓋結構與下水道框口鉸鏈連接時，在鉸鏈連接的對側，井蓋上有一段凹槽，當井蓋放在井框上時該凹槽和框上突出的彈簧可伸縮塊配合，使得井蓋鎖死在井框上，加強防盜性的同時，更主要的是起到防倒灌加固作用，讓井蓋不會因為倒灌的水被沖開。如果要解除鎖定，則可以通過負責人持有的專門桿插入井蓋上方的孔中旋轉使內部的結構將塊頂出（因為塊的尾部是彈簧），此時，就可以取出井蓋了。

2.3 井框設計

在該項目的設計中，主要對井框增加了固定板結構的設計，渦輪結構外輪緣被限定在固定板上，固定板有4個縱向延伸板，頂端是放置井蓋的框口以及4個橫向加固板，LED被內置在井框內側形成LED燈圈，作為當井蓋打開時的預警提醒。安裝該固定板結構井框的方法是在原本安裝窨井蓋之前，先將固定板井框壓入窨井口，放上瀝青，填充瀝青至高于地面一段距離，再通過振動壓路機壓實。此時，固定板就被固定在窨井口處，且埋在瀝青中的橫向板可以大大增加其載荷，在縱向固定板上有滑槽，將渦輪結構滑入底部（距離井口1 m），在4個縱向板上插上插銷鎖死，起到保護和限制渦輪移動作用。

在井框上端有和井蓋凹槽配合的塊，塊實際是存放在鉸鏈連接對側橫向板內部的可滑動板，橫向板最內側安裝有彈簧使其能嵌入和被頂出井蓋凹槽，當打開井蓋排水后，可以將板滑出并固定在對側，形成起到一定防墜作用的平臺。

2.4 控制部分設計

在整個裝置中，一共有3個主電路，即積水檢測電路、報警電路、預警電路。積水檢測裝置由渦輪和壓電陶瓷組成，兩者并用達到無論井蓋打開與否都能檢測積水變化的目的，信號通過2G、3G無線接收裝置發送到數據庫中作為積水實時監測信息。

報警電路以渦輪和壓電陶瓷產生電能為能源，實現了3個功能：①使用壓力傳感器實現垃圾累計過量判斷；②井蓋非法移動使其電路破壞，導致蜂鳴器作用；③倒灌時渦輪反向轉動，電壓反向，通過該變化發送倒灌信號。

預警電路的設計是通過單片機控制，實現當井蓋電路沒被破壞（斷路）時，利用隨光照增大電阻減小的光敏電阻使得當打開井蓋排水時電路接通，LED開始發光，而平時不發光。如果井蓋電路破壞，下水道暴露，則當晚沒光照時發光電路會接通；清晨有光照時發光電路不接通。

3 市場前景分析

該裝置可以應用于比如武漢這樣多暴雨城市和降雨量較大的城市，這套設備功能完善，設計符合時代發展，極大程度地保障了公民的人生安全，且其具有自發電的特性，毫無疑問是符合時代綠色環保要求的，與物聯網的結合也有益于其在今后更加網絡化，在大數據的時代中站穩腳跟，所以，其應用前景是非常廣泛的。

參考文獻：

［1］韓東升，宮洪濤.基于物聯網的城市窨井蓋管理系統［J］.中國科技信息，2014（14）：152-153.

［2］沈凱凱，蘇小龍，沈康，等.城市窨井蓋應用及研究進展［J］.工程與建設，2013，27（05）：580-582.