城市智能井盖监测系统设计

智　能　计　算　机　与　应　用

ＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＣｏｍｐｕｔｅｒａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ

中图分类号：ＴＰ２７７

文献标志码：Ａ

　２０２０年３月　

Ｍａｒ．２０２０

文章编号：２０９５－２１６３（２０２０）０３－０２６０－０３

城市智能井盖监测系统设计

刘忠强，张　立，张春晓，孔祥飞，申安安

（沈阳仪表科学研究院有限公司，沈阳１１００４３）

摘　要：本文设计了基于ＺｉｇＢｅｅ和５１单片机的城市智能井盖监测系统。系统分为底层数据采集系统和远程数据监控系统两部分。底层采集系统通过传感器采集井盖的相关数据，用５１单片机对其进行处理分析得出井盖的工作状态，再通过Ｚｉｇ⁃Ｂｅｅ把井盖状态信息发送给监控系统。监控系统的５１单片机读取到从ＺｉｇＢｅｅ模块发送来的井盖状态信息之后会在ＬＣＤ１６０２液晶屏上显示出来，若是处在故障状态时会报警。本系统利用物联网技术、传感器技术和无线通信技术帮助井盖维护人员实时了解井盖工作状态，并在井盖出现故障时及时发现及时处理，对于提高城市管理效率保障市民出行安全有着很大帮助。

关键词：井盖监测系统；ＺｉｇＢｅｅ；倾角传感器；５１单片机

Ｕｒｂａｎｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｍａｎｈｏｌｅｃｏｖｅｒｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍ

ＬＩＵＺｈｏｎｇｑｉａｎｇ，ＺＨＡＮＧＬｉ，ＺＨＡＮＧＣｈｕｎｘｉａｏ，ＫＯＮＧＸｉａｎｇｆｅｉ，ＳＨＥＮＡｎ＇ａｎ

【Ａｂｓｔｒａｃｔ】Ｔｈｅｍａｎｈｏｌｅｃｏｖｅｒｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎ５１ＳＣＭａｎｄＺｉｇＢｅｅｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．Ｔｈｅｓｙｓｔｅｍｉｓｄｉｖｉｄｅｄｉｎｔｏｔｗｏｐａｒｔｓ：ｔｈｅｕｎｄｅｒｌｙｉｎｇｄａｔａａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍａｎｄｔｈｅｒｅｍｏｔｅｄａｔａｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅｕｎｄｅｒｌｙｉｎｇｄａｔａａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｃｏｌｌｅｃｔｓｔｈｅｒｅｌｅｖａｎｔｄａｔａｏｆｔｈｅｗｅｌｌｃｏｖｅｒｂｙｓｅｎｓｏｒｓ，ｕｓｅｓ５１ＳＣＭｔｏｐｒｏｃｅｓｓｉｔａｎｄａｎａｌｙｚｅｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇｓｔａｔｅｏｆｔｈｅｗｅｌｌｃｏｖｅｒ．Ｔｈｅｎ，ｉｔｓｅｎｄｓｔｈｅｓｅｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｔｏｔｈｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅＺｉｇＢｅｅ－Ｎｅｔ．Ｔｈｅ５１ＳＣＭｉｎｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍｒｅａｄｓｔｈｅｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｃｏｖｅｒｓｔａｔｅｆｒｏｍＺｉｇＢｅｅ－Ｎｅｔ，ｗｈｉｃｈｉｓｄｉｓｐｌａｙｅｄｏｎＬＣＤ１６０２．Ｉｔａｌｓｏｃａｎｂｕｚｚｅｒａｔｓａｍｅｔｉｍｅｉｆｔｈｅｃｏｖｅｒｉｎａｆａｕｌｔｓｔａｔｅ．ＴｈｅｓｙｓｔｅｍｕｓｅｓＩｎｔｅｒｎｅｔｏｆＴｈｉｎｇｓｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｓｅｎｓｏｒｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄｗｉｒｅｌｅｓｓｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｔｏｈｅｌｐｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅｓｔａｆｆｓｆｏｒｏｂｔａｉｎｉｎｇｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇｓｔａｔｅｓｏｆｍａｎｈｏｌｅｃｏｖｅｒｓｉｎｒｅａｌ－ｔｉｍｅａｎｄｒｅａｌｉｚｉｎｇａｎｄｈａｎｄｌｉｎｇｉｎｔｉｍｅｗｈｅｎｃｏｖｅｒｓａｒｅｂｒｏｋｅｎ．Ｔｈｅｐｒｏｐｏｓｅｄｓｙｓｔｅｍｈａｓｐｒａｃｉｔｃａｌｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｕｒｂａｎｍａｎａｇｅｍｅｎｔａｎｄｅｎｓｕｒｅｔｈｅｓａｆｅｔｙｏｆｐｕｂｌｉｃｔｒａｖｅｌ．【Ｋｅｙｗｏｒｄｓ】ｍａｎｈｏｌｅｃｏｖｅｒｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍ；ＺｉｇＢｅｅ；ｔｉｌｔｓｅｎｓｏｒ；５１ＳＣＭ

（ＳｈｅｎｙａｎｇＡｃａｄｅｍｙｏｆＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅＣｏ．，Ｌｔｄ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ１１００４３，Ｃｈｉｎａ）

０　引　言

近年来，随着城市道路基础设施的加快推进建设，作为城市路网重要配件的各种井盖已遍布在生活中的每个角落。目前，井盖主要依靠人为检修或者市民保修的方式来进行维护，但是考虑到井盖数量多、分布范围广、且分属不同的管理部门［１］，则导致井盖维护难度大，故障发现及排除效率低，现已成为城市发展过程中亟待解决的一个根本性问题。

本文以５１单片机为核心，通过传感器采集倾角、距离等参数来实现对井盖工作状态的实时检测。检测到的井盖工作状态信息通过ＺｉｇＢｅｅ无线网络发送给远端的监测装置，当井盖出现故障时监测装置会及时报警，让管理维修部门能在第一时间发现问题，从而有效防范后续可能事故的发生。１　系统整体设计

系统硬件主要由数据采集系统和数据监测系统两部分构成。系统总体框图如图１所示。

井盖状态检测传感器显示模块

采集装置主控芯片

串口无线通信模块井盖状态检测系统

通信网络监测装置主控芯片

串口无线通信模块远程监控系统

报警模块

图１　系统总体框图

２　系统硬件设计

Ｆｉｇ．１　Ｓｙｓｔｅｍｏｖｅｒａｌｌｄｅｓｉｇｎｄｉａｇｒａｍ

２．１　单片机最小系统

基本电路，主要由晶振电路和复位电路构成［２］。本系统选用的是ＳＴＣ８９Ｃ５２ＲＣ单片机。２．２　完整性地网监测电路设计

为了检测井盖是否损坏，设计了一个完整性地网单片机最小系统就是能使单片机正常运行的最

作者简介：刘忠强（１９７８－），男，工程师，主要研究方向：智能电网、传感器技术、嵌入式系统设计等。通讯作者：刘忠强　　Ｅｍａｉｌ：ｌｉｕｚｈｏｎｇｑｉａｎｇ２０１６＠１６３．ｃｏｍ收稿日期：２０１９－１２－２０

哈尔滨工业大学主办●专题设计与应用第３期刘忠强，等：城市智能井盖监测系统设计２６１

检测电路。所谓完整性地网其实可以看作一根长导线，铺展在井盖上或者在井盖制作时就埋在井盖内部。当井盖破损时地网也会破损，那么只需检测这根导线是否完好就可以判断井盖是否完整了。把地网的两端接在图２所示的电路接点两端，再通过一个三极管构成的反向电路，当地网完好时，单片机上对应引脚为高电平，若地网破损则该引脚被拉低。通过检测这个引脚的电平状态即可得出井盖是否损坏［２］。

位，此时的井盖未被盖好，同时倾斜角度也不大，达不到报警的阈值。本系统是在测量井盖的倾角的同时再配合测量装置到井壁的距离来解决这个问题。若井盖的倾角在正常范围内，那么判断装置到井壁的距离，若此距离正常才能判断井盖处于盖好的状态下，若此距离值异常即说明井盖没有盖好。本文

选用的测距传感器是ＨＣ－ＳＲ０４超声测距波模块，测量范围在２～４５０ｃｍ之间［３］。

VCCVCCR106KRR7J2104KWZ1R4Q11K21KCON2GNDGND图２　井盖完整性检测电路

Ｆｉｇ．２　Ｗｅｌｌｃｏｖｅｒｉｎｔｅｇｒｉｔｙｄｅｔｅｃｔｉｏｎｃｉｒｃｕｉｔ

２．３　倾角传感器电路设计

倾角传感器是本系统设计中至关重要的组成部分，为了确保在不同的情况下都能有效发挥作用，本系统选用了２种不同的传感器共同工作，包括能判

断是否倾斜的ＳＷ－ＡＤＸＬ５２０Ｄ和能测出具体倾角值的分别参见图－３４５加速度传感器３、图４。

。与之相适应的检测电路VCC

SW1

SW2V1G2V1D

3P1.4

G2

D3P

1.5SW3V

1SW4G2V1D

3

P1.6

G2D3P1

.7GND图３　ＳＷ－５２０Ｄ检测电路Ｆｉｇ．３　ＳＷ－５２０Ｄｄｅｔｅｃｔｉｏｎｃｉｒｃｕｉｔ

U3

VCC

GND

SCL

C7SDA

1

10

2SCL5V

3SDA3.3V94SDOGMV80.1uF/16V

5INIT2VS7INIT1CS

6

ADXL345

GND

图４　ＡＤＸＬ－３４５与单片机连接图

Ｆｉｇ．４　

ＣｏｎｎｅｃｔｉｏｎｄｉａｇｒａｍｏｆＡＤＸＬ－３４５ａｎｄｓｉｎｇｌｅｃｈｉｐｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ

２．４　超声波测距传感器电路设计

研究可知，在某些情况下，井盖会完全脱离槽

２．５　ＺｉｇＢｅｅＺｉｇＢｅｅ模块在数据采集装置和远程监测装置中

硬件电路设计起ＺｉｇＢｅｅ着不作电压为模块以同的作３．３Ｖ，ＣＣ２５３０用，但故而模块上配有为核心控制芯片是电路构成却是５Ｖ转，ＣＣ２５３０相同的３．３Ｖ工。电路。此外，还包含晶振和一部分接出来的。

ＩＯ口以及在线调试电路［４］３　系统软件设计３．１　数据采集系统程序设计

数据采集系统的功能就是通过传感器采集到的数据来判断井盖的工作状态，并把工作状态发送出去。主要包含倾角传感器的子程序、超声波测距模块的子程序和ＺｉｇＢｅｅ发送程序。通过控制传感器采集数据，再对这些数据进行分析，从而得到井盖的工作状态。软件流程图如图５所示。

开始倾角<=15?NFlag2=1初始化YFlag2=0调用倾角子函数得到井盖倾角10<距离<15?NFlag3=1调用测距子函数Y得到到井壁距离Flag3=0WZ==1?NFlag1=1sendbuf[0]=Flag1Ysendbuf[1]=Flag2sendbuf[2]=Flag3Flag1=0调用串口子函数Y是否完成发送？N图５　数据采集系统程序流程图

Ｆｉｇ．５　Ｐｒｏｇｒａｍｆｌｏｗｃｈａｒｔｏｆｄａｔａａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ

３．２　数据监控系统程序设计

数据监控系统的主要功能是接收数据，显示井盖的工作状态并且判断状态是否正常，是否需要报警。程序设计流程如图６所示。

２６２

开始初始化智　能　计　算　机　与　应　用　　　　　　　　　　　　　　第１０卷　

试超声波测距模块时不能正常计算返回信号持续时间，究其原因则在于需要预先将ｅｃｈｏ脚拉低。调试ＡＤＸＬ－３４５传感器时值总是不准，而后当设置阈值的问题，而在通信数据上加了一位标志位后，该现象则不再出现。最后，经过整体调试后，本系统全部功

显示井盖正常N报警显示井盖开启YTempbuf[2]==0?N报警显示井盖开启YTempbuf[1]==0?后得以解决。在调试串口通信部分出现了数据错位

延时一段时间报警显示井盖丢失能已基本实现。５　结束语

本文设计的监测系统主要包含２个部分。数据采集模块通过多种传感器采集到的数据分析出井盖的状态再把状态信息通过无线通信的方式发送出去，远端监测模块则在接收处理采集装置发送的信息后，对井盖的状态提供实时显示并报警提醒用户。本文系统对城市的管理、基础设施的有效监管和维护有着一定的现实意义。参考文献

［１］向志强．“井盖是城市的名片”下水道“吞”人何时休［Ｊ］．安全

Ytime>=10?N开始计时YRecbuf[]是否为空？N报警显示井盖破损YNTempbuf[0]==0?停止计时time=0显示井盖正常显示井盖正常图６　数据监控系统程序流程图

Ｆｉｇ．６　Ｐｒｏｇｒａｍｆｌｏｗｃｈａｒｔｏｆｄａｔａｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍ

与健康（上半月版），２０１３（５）：２１．

［２］慈艳柯．ＭＣＳ－５１单片机芯片反向解剖以及正向设计的研究［３］朱蕴璞，孔德仁，王芳．传感器原理及应用［Ｍ］．北京：国防工业［４］李树．无线通信模块ＰＣＢ电磁兼容性研究［Ｄ］．北京：华北电力

大学，２０１４．出版社，２００５．

［Ｄ］．厦门：厦门大学，２００２．

４　系统调试

调试的过程中遇到了许许多多的问题。例如调（上接第２５９页）

信以及在复杂环境下的人工遥控等功能，给出了具体的电路设计。智能小车通过无线通信模块与上位机连接，上位机可以实时观测小车的运动情况，在复杂环境下小车可能出现停滞、运动紊乱的情况，可改为人工遥控的模式，对智能小车发出控制指令，控制系统的设计功能基本实现。参考文献

［１］周官喜．基于ＳＴＭ３２低功耗云台控制系统设计［Ｄ］．青岛：青岛

［２］施小宇．基于ＳＴＭ３２的智能快递系统研究与设计［Ｊ］．电子技［３］夏启．混凝土水化热监控系统的开发与实现［Ｄ］．天津：天津科［４］王攀攀．部分未知环境中移动机器人动态避障研究［Ｄ］．哈尔［５］范政，何继靖，朱永业，等．基于ＳＴＭ３２的无线智能小车控制系

统设计［Ｊ］．轻工科技，２０１８，３４（６）：８３．滨：哈尔滨工业大学，２０１２．技大学，２０１７．

术与软件工程，２０１４（１）：１３２．

理工大学，２０１２．