基于多功能智能井蓋系統研究

徐姝 沈利華 徐麗霞 張文姣 張俏楠

摘要：市政建設單位安裝的井蓋經常遭到不法分子盜竊，造成安全隱患。本文針對該現象，設計了一種井蓋防盜報警裝置，該裝置采用三軸加速度傳感器采集井蓋角度信息，將數據傳給單片機進行分析，確定是否需要報警，最后通過無線通信模塊發送報警信息，從而達到防盜報警的目的。該裝置具有安裝隱蔽、高靈敏度，低噪音和低功耗的優點，而且具備卓越的可靠性和穩定性、優良的抗沖擊能力、寬工作溫度范圍、無鉛環保。考慮到該裝置低廉的價格，完全符合環境要求，可以投入實際應用。

關鍵詞：井蓋;多功能;報警;防盜

中圖分類號：TP311? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）23-0140-02

1背景介紹

我國城市供水、排水、電力、電信、煤氣等部門在市政建設中為了維護和設備的安裝，在馬路上安裝了數量眾多的井蓋，其數量十分巨大。由于井蓋主要用于公共設施的建設，因此它們在道路和高速公路上用途更廣泛，這使小偷的目標轉向了地下和道路上的井蓋。井蓋的丟失，使得公路上出現一個個黑洞，又是會給行人和車輛帶來巨大的傷害，它還可能導致人員和車輛的直接損失，這可能對公共生活造成極其慘烈的后果。但是市政部門無法完全監控位于市中心和道路上的井蓋，而受害人會起訴公共設施管理部門，這就陷入了死循環。不管是市政部門還是受害人對此都很無奈。

2設計的目的

綜上所述，在新型合理的復合材料井蓋誕生之前，為鐵質井蓋加上一個防盜裝置仍然是解決井蓋問題的一個最佳方案。提高井蓋的可靠性和安全性，安裝防盜裝置以及防止不必要的損失就成為這個系統需要解決的問題。

智能窨井蓋的設想的提出，正是立足于社會主義核心價值觀的基礎之上，大力弘揚以人為本的核心思想，全方面為人民群眾的日常出行及生活的安全而考慮，以貫徹落實十九大精神為責任義務的理論和實踐的統一。是人民群眾幸福安全生活的一項重要保證。

目前防盜裝置大多數以采用機械方法為主，難以克服銹蝕問題。而采用單片機控制的智能型防盜報警裝置，可以輕易地繞開這個問題。而且比起其他方法，安裝一個單片機控制的防盜報警裝置要方便得多。

單片機系統是一個微型電子計算機（MCU），它主要結構是由中央處理器的接口芯片、貯存器和各種小型I/O通用接口器件組成。單片式電機主要廣泛作用于各種控制性應用領域，所以又被廣泛稱之為控制嵌入式微處理控制器。單片機已經產生了三十多年，它的主要功能、種類以及還有目前應用它的技術都已經發展得非常迅速。現如今，在我們國民經濟和人們日常生活的各個重要地方都已經可以親眼看見數控單片機的各類技術應用。這個方案具有實際運用價值的重要原因是單片機低成本和高可靠性的特點。

這篇文章將介紹一種防盜裝置，利用移動、電信等無線公網，能夠根據井蓋角度，智能檢測井蓋是否被移動過，一旦被非法移動就通過無線公網發送信息到后臺監控中心。從而起到防盜的作用。

本文由以下幾個部分構成：第二部分闡述設計方案的思路;第三部分介紹設計中所使用的硬件;第四部分是總結。

3設計思路

本設計主要由硬件設計、軟件設計這兩部分構成。模塊分為多個子模塊，如數據采集、數據分析、報警等。加速度傳感器、單片機控制電路、無線短信發送裝置三部分組成了電路結構。該系統完成信息的收集、信息的集中處理、數據傳送至管理部門、自動報警等功能。

3.1硬件結構

由于鑄鐵井蓋很重，多在30KG 以上，靠人力撬動并不省力，撬開時肯定會造成井蓋傾斜一定角度。數據采集模塊起到的作用就是采集到角度的傾斜信息。當井蓋被盜時，CDMA 模塊發送短信，可根據接收到信息的基站，大致確定被盜井蓋的位置，進而捕獲犯罪團伙。

采集角度信息最方便的是采用水銀開關。水銀控制開關其實也就是一種量子電路控制開關，它的又一個英文名字可以叫作是傾側水銀開關，以一個連接著兩個電極的玲瓏圓形容器可以儲蓄一小滴滴的水銀，惰性化的氣體或者是真空就會注入這個容器中。一旦發生歪斜，兩個電極都會被水銀接觸，相當于閉合開關，發出信號。這樣做可以省去數據分析的步驟，但是水銀對人體及環境均有毒害，萬一發生泄漏不利環保。所以，設計中使用了加速度傳感器來測量角度。近年來，隨著技術的不斷發展，傳感器的體積不斷減小，成本不斷降低，這也增加了方案的可行性。

從我們分析這個單片核心系統模塊的基本設計以及應用情況可以不難看出，該模塊設計的一個中心控制單元其實就是一個單片機，因此這個核心系統設計是必須圍繞這個單片機的基本設計要求出發的。硬件、軟件主要部分構成了一個單片式微機系統。其中應用硬件主要包括應用單片機、輸入/輸出設備、和外圍軟件應用集成電路，軟件主要指各種應用工作處理程序。

從設計的要求來分析該設計須包含如下結構：加速度傳感器、報警模塊、單片機等;設計中采用了2個單片機，一個與傳感器相連，作為下位機，另一個一個與 CDMA 模塊相連，作為上位機，上下位機之間利用串口通信。平時單片機工作于休眠模式，兩單片機分步控制，傳感器工作于量測模式，CDMA 模塊關機。

3.2軟件介紹

省電是該設計的重要目標，采用器件的型號選擇也是出于這個目的。Mega88正常情況下在32KHZ 頻率下工作，功耗僅為1.8V：15uA，掉電模式電流只有0.1uA;CMA3000在40/10HZ 采樣率下，正常工作電流也只有11uA。該設計中使用的 CDMA 模塊是最耗電的，待機時電流為3mA，而通話時平均230mA，最高可達630mA，所以不需要發送信息的時候應當關閉CDMA 模塊。發送一次短信需要10秒左右，一天的平均電流為50uA。由于井蓋沉重，竊賊不可能在1分鐘內就完成盜取工作，所以設計中，下位機每1分鐘喚醒一次，持續5秒，接收傳感器的信息，并作初步判斷，是否大于20度，然后再決定是否需要喚醒上位機，平時處于休眠模式。CDMA模塊每隔5分鐘開機一次，如無信息需要發送，再進入關機狀態。這種設計方式平均工作電流為100uA 左右，比起單片機一直處于工作狀態節省了大約20%的功耗，如果沒有盜竊情況發生，使用3.7伏、1000毫安時的電池，可工作416天，長達1年之后才需要更換電池。

Mega88提供了多種休眠模式：

SM2.0的指令為010時，SLEEP 就表示可以直接讓MCU進入自動掉電關機模式。進入電源掉電保護模式后，停止快速晃動的放電晶體會使外部電源中斷、兩線串聯并行輸入地址進行匹配、看門狗繼續正常工作。只有當外部進行復位、看門狗復位再中斷后，BOD 復位、兩線串聯并行地址開始匹配、外部輸入電壓水平出現中斷 INT0或者INT1現象，還有引腳電平中斷變化才真正能夠讓引腳 MCU進入解脫或關閉掉電模式。當系統進入異步休眠控制模式時，時鐘自動停止，異步模塊繼續工作。當我們使用外部電壓水平中斷的操作方式將 MC中斷喚醒時，只能繼續使外部有源電壓水平保持一定的時間。從系統施加一個掉電喚醒延遲條件開始到真正掉電喚醒，這個過程是用于時鐘重新開啟并穩定下來。其中熔絲叫醒停止時間與電機熔絲位置圖所定義的熔絲復位叫醒時間要求是一致的。

在現實應用中，我們不僅需要知道井蓋是否被盜，還要知道這套電子報警系統是否仍在正常運作以及電池電量是否充足，于是，在程序中添加了一段每隔24小時報告系統情況的程序，主要作用是報告系統是否正常工作。

4總結

目前，由于環境因素，在“智能井蓋”的市場上還沒有一種適合所有情況、大規模的遠程管理解決方案，而這沒有解決方案的主要原因是安全性要求和成本方面。隨著聯網技術的飛速發展，該技術主要由衛星定位，移動通信和云計算的結合。從而誕生了智慧城市概念，沿著這個發展方向，對傳統的市政基礎設施進行改造，使其智能化、物聯網化，提升城市治理水平，推進智慧城市的落地建設。防盜警報器將使公共設施管理部門能夠快速有效地獲取有關井蓋的各種狀況，可以以適當及時的方式保證公民的生命和財產安全，通過可靠，合理的整合和數字化的控制使市政管理的合理化。

通過建設城市已經改遠程監控管理系統，還可大大提升地下管線施工、維護、安全防范管理水平，提高管理效率。

參考文獻：

[1] 白云，楊宇帆.多功能井蓋及包含多功能井蓋的監測系統：CN210507540U[P].2020-05-12.

[2] 袁野.基于RFID技術的智慧海陵智能井蓋系統的設計與實現[D].揚州：揚州大學，2018.

【通聯編輯：聞翔軍】