智慧城市井蓋管理監(jiān)測系統(tǒng)

2013年4月，住房城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布《關(guān)于進一步加強城市窨井蓋安全管理的通知（建城【2013】68號）》，明確指出：要明確井蓋管理的牽頭部門，將井蓋管理納入省級住房城鄉(xiāng)建設(shè)部門檢查評比考核體系；實行井蓋的數(shù)字化管理，積極推進井蓋資源的安全管理信息化建設(shè)。政策背景1目前，全國范圍內(nèi)有井蓋50億個以上，全國每年新增、更換井蓋1500萬個以上。由于產(chǎn)權(quán)單位和用途的不同，城市井蓋多達(dá)十幾種，涵蓋多個部門，產(chǎn)權(quán)復(fù)雜導(dǎo)致井蓋管理混亂。由于井蓋長期暴露在室外，且經(jīng)常被超負(fù)荷的車輛碾壓，井蓋破損導(dǎo)致人員傷亡事件頻發(fā)。城市地下管網(wǎng)交錯。一個檢查井蓋就對應(yīng)一段龐大而復(fù)雜的地下管線，需要智能化管理地下管線信息以及防止地下管線被盜取和破壞。城市管理的需求12009201020112012201320142015201620172018智能井蓋行業(yè)在當(dāng)前國內(nèi)市場，尚處于半飽和狀態(tài)，據(jù)統(tǒng)計，一個50萬人口的城市每年對井蓋的需求量為1～2萬套，目前全國檢查井蓋保有量約有數(shù)億套以上，全國每年新增井蓋數(shù)量和每年更換量至少在1500萬套以上。據(jù)數(shù)據(jù)顯示，目前全國范圍內(nèi)已有井蓋50億個以上，全國每年新增、更換井蓋1500萬個以上，而出口在我國井蓋行業(yè)產(chǎn)品中也占重要比例。這對智能井蓋行業(yè)提供了良好的發(fā)展前景和廣闊的消費市場。94341050市場分析118.70廣闊的發(fā)展前景據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院發(fā)布的《智慧城市建設(shè)發(fā)展前景與投資預(yù)測分析報告》數(shù)據(jù)顯示，2017年我國智慧城市市場規(guī)模將達(dá)到6.0萬億元，未來五年(2017-2021)年均復(fù)合增長率約為32.64%，2021年市場規(guī)模將達(dá)到18.7萬億元。市場前景1應(yīng)用場景1主要特點2智慧終端管理監(jiān)測云平臺手機端APP主要優(yōu)點2主動性低功耗低成本信息聯(lián)動反饋及時易于安裝維護城市治安實時監(jiān)控井蓋狀態(tài)，當(dāng)井蓋發(fā)生翻轉(zhuǎn)或移動會啟動報警，確保安全，防止井蓋被盜后沒有及時補上，而造成安全隱患。采用超聲波液位計、壓力水位計等水位檢測模式，實時監(jiān)測易淹易澇點水位情況基于多點的監(jiān)測形成城市小流域液位監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)液位數(shù)據(jù)變化，判斷管網(wǎng)淤堵點，高效安排管網(wǎng)疏通工作。井蓋爆炸隱患的主要原因是井內(nèi)甲烷濃度超標(biāo)，可以通過專門的傳感器檢測甲烷濃度，在即將超標(biāo)后已經(jīng)超標(biāo)時報警，從而避免爆炸隱患。井下液位檢測淤堵排污檢測井內(nèi)有害氣體檢測豐富的應(yīng)用場景

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進步，為該類公共資產(chǎn)的智能化管理提供了解決方案。基于NB-IoT的智能井蓋解決方案能夠有效解決井下無線信號覆蓋差的情況下，監(jiān)測終端無法上報信息的問題。相比于傳統(tǒng)的GPRS方式，穿透能力可以提升20dB增益，續(xù)航時間從過去的幾個月大幅提升到幾年，可擴大監(jiān)測覆蓋區(qū)域，消除覆蓋死角，降低建設(shè)維護成本。功能應(yīng)用場景2監(jiān)控終端核心網(wǎng)管理平臺NB通信基站服務(wù)器管理框架3監(jiān)控終端的管理框架智能井蓋監(jiān)控終端檢測井蓋的狀態(tài)，并按一定的時間間隔采集終端的狀態(tài)信息，將數(shù)據(jù)與井蓋編號等固定信息融合，通過NB-IoT射頻模組與附近基站通信，數(shù)據(jù)經(jīng)由核心網(wǎng)傳輸至服務(wù)器，連接服務(wù)器的管理平臺接收數(shù)據(jù)后產(chǎn)生報表和報警信息，管理人員也可以在管理平臺上查看所有井蓋的狀態(tài)，每個井蓋具有唯一的編號，可根據(jù)編號定位井蓋的安裝位置。硬件設(shè)計3天線通信模組微控制器傳感器電源管理芯片電池采用被動觸發(fā)設(shè)計，NB-IoT通信模組與MCU芯片處于低功耗模式，加速度傳感器使用低速率檢測。當(dāng)井蓋異動后，加速度傳感器會發(fā)出外部中斷信號，喚醒MCU。隨后MCU采集傳感器信息并解算出傾角數(shù)據(jù)，當(dāng)其超過設(shè)定的傾角閾值時，就會啟動NB-IoT模組向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)，完成后重新進入低功耗休眠狀態(tài)。及時上報采用被動觸發(fā)設(shè)計，NB-IoT通信模組與MCU芯片處于低功耗模式，加速度傳感器使用低速率檢測。當(dāng)井蓋異動后，加速度傳感器會發(fā)出外部中斷信號，喚醒MCU。隨后MCU采集傳感器信息并解算出傾角數(shù)據(jù)，當(dāng)其超過設(shè)定的傾角閾值時，就會啟動NB-IoT模組向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)，完成后重新進入低功耗休眠狀態(tài)。異動報警MCU定時檢測水位信息，當(dāng)水位數(shù)據(jù)達(dá)到報警閾值時，向平臺發(fā)送告警信息，同時縮短檢測間隔，并將水位信息實時上傳到管理平臺。水位檢測傳感器定時收集井下氣體濃度信息，并且在超出閾值時，增加檢測次數(shù)，將濃度信息實時反映到平臺。氣體檢測功能原理3工作原理控制軟件的流程圖如圖所示。該終端初次上電后，將調(diào)節(jié)MCU的工作頻率和核心區(qū)域電壓以降低MCU的運行功耗。然后有一個時間長度可調(diào)的不工作時間空余，用于監(jiān)控終端在井蓋上的安裝。隨后將進行I2C接口與USART串口的初始化，分別對NB-IoT通信模塊和加速度傳感器進行初始化配置。接下來將配置MCU的實時時鐘功能，設(shè)置定時時間喚醒以用于周期性上報智能井蓋狀態(tài)信息。最后配置實時時鐘中斷以及外接傳感器的外部中斷。至此，該系統(tǒng)初始化完成。隨后，MCU程序?qū)⑦M入循環(huán)，使MCU進入停機模式保持低功耗，NB-IoT模組也進入待機模式保持低功耗，只有加速度傳感器始終處于工作模式。當(dāng)井蓋被盜翻動時，設(shè)置閾值的加速度傳感器會產(chǎn)生一個外部中斷，將MCU從停機模式中喚醒，隨后立即進入該外部中斷的服務(wù)程序，該服務(wù)程序的主要功能是接收加速度傳感器傳回的加速度信息，并解算出傾角數(shù)據(jù)，判斷當(dāng)傾角大于設(shè)定的閾值，則喚醒NB-IoT通信模組，將數(shù)據(jù)打包并發(fā)送到后臺服務(wù)器，起到報警作用。隨后回到循環(huán)，MCU與NB-IoT模組重新進入低功耗模式。當(dāng)實時時鐘設(shè)置的定時時間到達(dá)時，將MCU從停機模式喚醒，進入實時時鐘定時的中斷服務(wù)程序，該服務(wù)程序的主要功能是將智能井蓋狀態(tài)信息發(fā)送到后端服務(wù)器，保證后端平臺能知曉智能井蓋的運行狀態(tài)。同時，初始化MCU的ADC接口，采集并計算電池電壓數(shù)據(jù)，當(dāng)電池電壓低于設(shè)定閾值時，發(fā)送電池電量報警信息到后端服務(wù)器。隨后回到循環(huán)，MCU與NB-IoT模組重新進入低功耗模式。嵌入式軟件設(shè)計3智慧終端主要優(yōu)勢智慧終端3NB-IoT/LoRaWAN同時支持組網(wǎng)方式；井蓋監(jiān)測終端標(biāo)簽身份識別，配合手機APP錄入；可監(jiān)控井蓋傾角，是否產(chǎn)生位移防止井蓋異常掀起或是被盜，監(jiān)控井蓋是否出現(xiàn)劇烈震動防止井蓋未安裝好；選配GPS定位，幫助尋找被盜井蓋；選配液位和侵水監(jiān)測，適用于監(jiān)控雨水、污水井蓋下的井內(nèi)水位過高出現(xiàn)內(nèi)澇；選配水質(zhì)監(jiān)測，配合水質(zhì)監(jiān)測部門，提供地下水污染信息；免布線，安裝方便；IP69等級設(shè)計，耐磨、耐壓、抗震；不懼高溫嚴(yán)寒，-30℃——65℃均可使用；與井蓋監(jiān)控平臺、運維手機APP聯(lián)動，異常及時上報監(jiān)管平臺，并通知人員現(xiàn)場維護。原理圖設(shè)計電路設(shè)計主要分為電源、MCU、傳感器、NB-IoT通信模塊、SIM卡、調(diào)試電路等幾大部分。電源模塊主要是轉(zhuǎn)壓芯片與電源濾波設(shè)計，傳感器模塊與MCU通過I2C協(xié)議通信，NB-IoT通信模塊與MCU通過USART協(xié)議通信，采用NB專用SIM卡與NB-IoT通信模塊連接。

智慧終端——原理圖設(shè)計4該監(jiān)控終端的PCB設(shè)計采用兩層板，厚度是0.8mm，頂層是主要的器件放置與信號布線層，低層是信號地，板子形狀考慮到天線與電池的放置做了異形板。PCB設(shè)計智慧終端——PCB設(shè)計4監(jiān)測終端的外殼采用獨特的防水材質(zhì)，通過膠封等手段提升其防水性能，保障設(shè)備運行的可靠性結(jié)構(gòu)設(shè)計實時監(jiān)控信息管理平臺4主要優(yōu)點如下：實時數(shù)據(jù)：井蓋監(jiān)測系統(tǒng)可以統(tǒng)計各分項某段時間內(nèi)逐日、逐周、逐月、逐季、逐年井蓋情況；協(xié)同分析：敏捷化、無感知物聯(lián)網(wǎng)部署，為智慧井蓋協(xié)同運營提供數(shù)據(jù)支撐；線上監(jiān)管：線上實時監(jiān)管井蓋狀態(tài)，如有異常狀態(tài)，及時分發(fā)到管理人員，實現(xiàn)線上監(jiān)管；線下處理：管理人員收到異常事件后，快速響應(yīng)，快速處理。實時監(jiān)控統(tǒng)計分析定期巡檢系統(tǒng)管理外場測試本項目的測試點已遍布全國，在各地均有良好反響，測試結(jié)果表