基于ESP8266 主控的智能井蓋控制系統設計

鄧三星，陳趙，李克強，薛國陽，楊蒙蒙

（1.黃河交通學院，河南焦作，454950；2.焦作市智能機器人工程技術研究中心，河南焦作，454950）

0 引言

近年來，全國各大城市都有因為下水道氣體成分超標而引發爆炸等嚴重事故的發生。由于缺乏下水道信息監測，而導致下水道工人意外窒息死亡以及井蓋爆炸的事故時有發生[1～3]。

本設計以ESP8266 單片機為主控芯片，利用GSM 模塊進行通信，井下環境監測通過采用可燃氣體傳感器檢測可燃氣體濃度，電容式液位傳感器檢測井下液位，采用陀螺儀傳感器檢測井蓋開合姿態，可進行實時監測，預防氣體爆炸、污水溢出、井蓋異位所引起的事故。

1 系統總體結構設計

■1.1 設計思路

主控制單元采集各個傳感器信息，通過與設定閾值對比，判斷是否超過硬件設定閾值，并將傳感器實時數值上傳云端（若超過閾值則發出報警信號），云端經過分析計算，再次判斷傳感器信息是否超過軟件設定閾值，若超過閾值，則通過手機短信和釘釘消息提醒管理員。

智能井蓋監測系統主要由傳感器(環境信息采集裝置)、通信模塊和控制芯片三部分組成，其中傳感器用來測量下水道氣體各成分的濃度參數[4]；通信模塊是負責與GPRS 網絡進行通信的組件，用于傳送各種需要傳輸的數據，實現與其他設備或系統的遠程通信；控制單元接收來自傳感器、執行器等部件的輸入信息，并根據預定的邏輯和算法進行處理和判斷，并可以對系統進行監控和控制，以確保系統的正常運行和穩定性。

在通信模塊和控制單元之間，存在著密切的協作關系。通信模塊負責與外部網絡進行通信，將采集到的數據傳送給控制單元，并將控制指令發送給相應的執行器。控制單元則根據接收到的數據和指令，進行邏輯判斷和計算，然后生成控制指令，并通過通信模塊傳送給外部設備。系統結構框圖如圖1 所示。

圖1 系統結構框圖

■1.2 技術原理

智能井蓋控制系統由主控芯片ESP8266 獲取多個傳感器數值，通過MQTT 協議將數據上傳云端，云端服務器接收到智能井蓋傳輸的數據后，進行數據的處理與存儲，包括數據的解析、校驗、篩選，將數據按照設定的規則進行存儲和管理，并與設定閾值進行對比[5]。管理員可以設置可燃氣體參數閾值，一旦井蓋上傳的數據達到或超過設定的閾值，云端系統將觸發報警機制，發送報警信息給管理員，提醒其注意異常情況從而實現井下環境監測。智能井蓋技術基于傳感器數據采集、數據傳輸、云端數據處理與存儲、閾值設定與報警機制以及遠程管理與控制，實現了對井蓋狀態的實時監測、報警提醒和遠程管理，提高了城市管理的效率和安全。

■1.2.1MQTT 協議

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）是 一種消息傳輸協議，用于連接受限的設備和低帶寬、不可靠的網絡環境。MQTT 協議廣泛應用于物聯網（IoT）領域，例如傳感器數據的采集與傳輸、遠程設備管理、實時監控和控制等場景。它提供了一種高效可靠的消息通信機制，使得物聯網設備和系統能夠方便地進行異步數據交換和遠程控制。

■1.2.2 井蓋姿態解算——卡爾曼濾波算法

卡爾曼濾波算法（Kalman Filter）是一種用于估計系統狀態的遞歸濾波算法，基于系統的動態模型和觀測模型，通過遞歸地更新狀態估計值和協方差矩陣來進行系統狀態的準確估計[6]。它的主要思想是將先驗估計和測量結果進行加權平均，得到更準確的后驗估計，并同時考慮了測量誤差和系統動態的不確定性，常用于處理帶有噪聲和不確定性的動態系統。

2 系統硬件電路設計

■2.1 可燃氣體檢測模塊電路設計

可燃氣體檢測傳感器選用MQ-9 可燃氣體傳感器，它基于電化學原理，通過氧化還原反應檢測環境中的可燃氣體濃度，是一種常用的氣體傳感器模塊，主要用于檢測空氣中的可燃氣體濃度[7]。它包含一個敏感元件，由金屬氧

化物和半導體材料組成。其測量范圍包括可燃氣體濃度的百萬分比。該傳感器對可燃氣體的檢測敏感，能夠提供更準確的測量結果。模塊電路圖設計如圖2 所示。

圖2 可燃氣體檢測模塊電路

■2.2 井蓋姿態檢測模塊電路設計

井蓋姿態檢測選用MPU6050 六軸陀螺儀，它采用MEMS 技術，具有較高的測量精度和穩定性，同時采用數字信號輸出，功耗較低，可以提供準確可靠的測量結果。MPU6050 六軸陀螺儀模塊廣泛應用于飛行器、機器人、虛擬現實、運動追蹤等領域。它可以實時監測物體的姿態和運動狀態，為相關應用提供重要的數據支持。本設計中采用卡爾曼濾波算法對陀螺儀進行姿態解算[8]，從而得出井蓋姿態數據，模塊電路圖如圖3 所示。

圖3 井蓋姿態檢測模塊電路

■2.3 ESP8266 主控

ESP8266 開發板是一款基于ESP8266 芯片的嵌入式開發板，它集成了WiFi 模塊和微控制器，可以方便地實現物聯網、智能家居、遠程監控等應用。本設計中只將其作為主控芯片使用，配合GSM 模塊進行通信，并沒有應用它的WiFi 功能，在后續的使用中，可根據實際使用環境，可將其設置為STA 模式，連接WiFi 代替或配合GSM 模塊進行通信。

■2.4 GSM 模塊

GSM（Global System for Mobile Communications）模塊是一種用于移動通信的無線通信模塊，可以實現基于GSM 網絡的語音和數據通信，可以提供遠程控制、數據傳輸、警報等功能，廣泛應用于車載監控、智能家居、物聯網等領域。GSM 模塊電路圖如圖4所示。

圖4 GSM 模塊電路圖

3 軟件流程設計

系統上電以后，ESP8266 進行開機自檢，接入GSM 網絡并判斷，初始化各傳感器，讀取傳感器數據進行判斷，隨后上傳云端進行閾值判斷，在達到設定閾值時，可進行現場蜂鳴器報警、網頁APP 端報警，以及發送短消息報警等功能。軟件流程圖如圖5 所示。

圖5 軟件流程圖

■3.1 系統功能驗證

通過硬件和軟件的設計，智能井蓋系統能夠正確測量井下可燃氣體濃度數值，傳感器將采集到的數據通過MQTT協議上傳云端，云端接收數據，進行分析處理，生成實時報表。系統可設定授權兩個具有密碼保護的釘釘機器人和兩名手機用戶，在采樣超標時，云端可以發出報警信號，并將超標的狀態分別通過釘釘機器人發送到釘釘群組，同時通過手機短消息發送到手機用戶。系統的實物圖和報警提示效果圖如圖6、圖7 所示。

圖6 系統實物圖

圖7 釘釘機器人報警提示圖

■3.2 后臺監測

系統總體結構由井下環境檢測裝置和后臺監測系統所構成。檢測裝置負責實時可燃氣體濃度、井蓋姿態等各項運行指標檢測，輸出井下環境狀態的基礎數據。后臺監測系統采集線上接收到的數據，進行復雜的邏輯處理，從而得到系統的運行狀態并進行信息預警。

3.2.1 監測顯示界面

如圖8 所示，后臺監控系統可以顯示所管理范圍內每個井蓋的狀態（開合、可燃氣體濃度、閾值超標情況等），并進行歸納統計，做出設備運行狀態、設備正常率等詳細情況，將它們集中在一起顯示。

圖8 監測顯示界面

3.2.2 預警界面

在預警界面可以手動設置可燃氣體報警閾值，以及井蓋位姿移動是否需要報警，也可對其報警狀態、響應類型、通知方式進行設置。

■3.3 可燃氣體傳感器濃度測試

針對甲烷、一氧化碳等混合可燃氣體，對本系統進行測試實驗。系統測試工作電壓為直流5V，測試環境溫度18℃～20℃。對比工業可燃氣體檢測儀檢測的濃度數據，從而驗證系統對可燃氣體濃度檢測的準確性，以及系統對姿態變化做出的響應時間等，并確保其能夠準確地檢測和報警。檢測結果如表1 所示。

表1 可燃氣體濃度檢測對比

在測試過程中，該系統表現出良好性能，可以準確地檢測出可燃氣體并進行報警，對可燃氣體泄漏事件做出及時響應。不同可燃氣體濃度情況下，該系統對可燃氣體濃度的檢測保持在1.5%誤差范圍內，系統符合預期設計要求。

4 總結

本文完成了智能井蓋控制系統的設計，該智能井蓋可獲取傳感器精確數值并上傳云端，在達到設定閾值時會提醒管理員，實現實時監控、報警的功能。

實現的主要功能如下：

（1）傳感器數據采集：可燃氣體傳感器、井蓋姿態傳感器的數據解算，可以準確采集環境數據。

（2）數據上傳云端：智能井蓋通過網絡連接，將傳感器采集到的數據上傳至云端服務器，實現數據的實時存儲和處理。

（3）遠程管理和控制：管理員可以通過使用手機應用或電腦等終端設備，隨時遠程管理和控制智能井蓋，包括查看實時數據、設置閾值、接收報警信息等功能。

本文設計的智能井蓋控制系統，可以廣泛應用于各種復雜氣候和地勢的地區，提供可靠的實時監控和報警功能，可以幫助管理人員及時掌握井蓋狀態并采取必要的措施，提高井蓋管理的效率和安全性。