基于 LoRa 的井蓋安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

引 言

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展及城鎮(zhèn)化進(jìn)程的不斷加快，用于檢查地下管線的檢查井構(gòu)成的井蓋群隨處可見。然而，井蓋的破損及丟失帶來(lái)了嚴(yán)重的安全隱患，如汽車陷井、窨井傷人等 [1-2]，給人們的人身安全與財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)了嚴(yán)重的威脅。為了減少井蓋安全事故的發(fā)生，許多城市采用專人定期維護(hù)與巡查的方法實(shí)現(xiàn)井蓋管理。但是采用人工巡查方式不能第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)并處理井蓋移位或丟失的問題，所以井蓋安全的有效管理成了城市管理的重大難題。

針對(duì)以上問題，文獻(xiàn) [3-4] 提出采用 ZigBee 技術(shù)進(jìn)行井蓋狀態(tài)監(jiān)測(cè)。針對(duì) ZigBee 通信距離短的問題，本文提出一種基于 LoRa 技術(shù) [5-9] 的城市道路井蓋安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，利用安裝在井蓋背面的觸發(fā)器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井蓋狀態(tài)，同時(shí)將狀態(tài)數(shù)據(jù)信息匯集至集中器后，通過(guò) 4G 傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)中心，實(shí)現(xiàn)對(duì)井蓋狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，從而提高井蓋安全管理的實(shí)時(shí)性與便捷性。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

井蓋移位監(jiān)測(cè)裝置包含感知層、網(wǎng)絡(luò)層與應(yīng)用層，是物聯(lián)網(wǎng)在智慧城市領(lǐng)域的典型應(yīng)用。感知層由觸發(fā)器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成， 用于感知監(jiān)測(cè)井蓋的位置信息，當(dāng)發(fā)生井蓋移位時(shí)將報(bào)警信號(hào)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)層傳輸?shù)椒?wù)器及應(yīng)用層。網(wǎng)絡(luò)層增加集中器與中繼器裝置，向下采用低功耗廣域網(wǎng)，向上采用 4G 網(wǎng)絡(luò)。應(yīng)用層提供用戶顯示、管理與維護(hù)功能。系統(tǒng)架構(gòu)如圖 1 所示。

加裝 LoRa 通信模塊的觸發(fā)器布置在每個(gè)井蓋下方，負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集城市道路井蓋安全狀態(tài)信息，并將狀態(tài)信息發(fā)送至集中器或中繼器。

LoRa 與 4G 模塊構(gòu)成集中器，主要負(fù)責(zé) LoRa 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建與數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸。集中器接收觸發(fā)器的數(shù)據(jù)通過(guò)串口傳至4G 模塊，借助 4G 通信網(wǎng)絡(luò)將觸發(fā)器采集到的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)竭h(yuǎn)端監(jiān)測(cè)中心。

監(jiān)測(cè)中心實(shí)時(shí)接收集中器傳送來(lái)的井蓋安全狀態(tài)信息數(shù)據(jù)，同時(shí)提示井蓋安全報(bào)警信息以便及時(shí)采取補(bǔ)救措施，實(shí)現(xiàn)對(duì)城市道路井蓋的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與管理。

2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

智能井蓋移位裝置包括井蓋觸發(fā)器、集中器裝置，涵蓋系統(tǒng)感知層與網(wǎng)絡(luò)層。

2.1 觸發(fā)器總體設(shè)計(jì)

觸發(fā)器的硬件部分包括低功耗 MCU、傾角傳感器、低功耗無(wú)線傳輸模塊、天線接口及電源模塊。軟件部分主要包括傳感器程序管理、系統(tǒng)睡眠喚醒管理、初始化參數(shù)管理及數(shù)據(jù)傳輸管理四個(gè)部分。井蓋移位監(jiān)測(cè)部分主要由傾角傳感器、低功耗 MCU、睡眠管理實(shí)現(xiàn)，根據(jù)監(jiān)測(cè)需求需實(shí)現(xiàn) 24 小時(shí)異常開啟報(bào)警與欠壓報(bào)警功能。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)原則要求考慮低功耗設(shè)計(jì)，傾角傳感器 24 小時(shí)連續(xù)采集數(shù)據(jù)且計(jì)算角度需滿足系統(tǒng)低功耗的要求。

傾角傳感器選用 ADI 公司生產(chǎn)的一款超低功耗三軸加速度傳感器，該傳感器具有中斷功能，即當(dāng)加速度傳感器檢測(cè)到某一軸上的加速度大于設(shè)定閾值（初始化可設(shè)置）時(shí)，其中斷引腳可輸出一個(gè)觸發(fā)信號(hào)（上升沿、下降沿通過(guò)初始化設(shè)置）。利用這一功能結(jié)合睡眠管理可喚醒睡眠中的 MCU， 而后采集三軸加速度數(shù)據(jù)，根據(jù)公式計(jì)算得到傾角，從而判斷是否超出設(shè)定傾角閾值，是否異常以開啟報(bào)警。

欠壓報(bào)警功能利用低功耗 MCU 片上 ADC 模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)電池電壓的模數(shù)轉(zhuǎn)換得到電池電壓值，當(dāng)電壓值小于一定值后，說(shuō)明電池電量已耗盡并發(fā)出欠壓報(bào)警信號(hào)。

完成系統(tǒng)初始化后，讀取 E2PROM 內(nèi)配置參數(shù)，若進(jìn)入設(shè)置模式，則等待外部手持配置機(jī)配置參數(shù)。主程序開啟定時(shí)喚醒中斷與外部觸發(fā)中斷后，運(yùn)行在低功耗睡眠模式下， 等待 RTC 定時(shí)喚醒或傾角傳感器事件觸發(fā)中斷喚醒，每次中斷結(jié)束后重新回到睡眠模式。觸發(fā)器主程序流程如圖 2 所示。

2.2 集中器總體設(shè)計(jì)

集中器硬件部分主要包括 MCU 微處理器單元、低功耗無(wú)線收發(fā)模塊、4G 無(wú)線模塊、實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路、接口電路與電源模塊等幾個(gè)部分。軟件部分主要包括組網(wǎng)管理、中繼管理、定時(shí)上報(bào)與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。

首先完成系統(tǒng)初始化，用于檢測(cè)電池電壓的 ADC 初始化，然后開啟 1 s 定時(shí)器中斷。系統(tǒng)每隔 1 s 讀取一次當(dāng)前實(shí)時(shí)時(shí)間與電池電壓值。當(dāng)接收到新數(shù)據(jù)幀時(shí)，立即回復(fù)確認(rèn)信息，并進(jìn)入數(shù)據(jù)處理子程序，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到到達(dá)設(shè)定的周期健康狀態(tài)信息上報(bào)時(shí)間時(shí)，向上級(jí)集中器逐條發(fā)送所管理的所有節(jié)點(diǎn)的健康狀態(tài)信息，包括節(jié)點(diǎn)地址、狀態(tài)角度、無(wú)線信號(hào)強(qiáng)度。集中器模式下，主程序同樣先完成系統(tǒng)初始化、ADC 初始化、LoRa 模塊初始化等，開啟 1 s 定時(shí)器中斷后，每隔 1 s 更新一次實(shí)時(shí)時(shí)間與電池電壓值。當(dāng)接收到一幀新數(shù)據(jù)后回復(fù)確認(rèn)信息，并將數(shù)據(jù)幀重新封裝，通過(guò)4G 模塊發(fā)送至遠(yuǎn)程服務(wù)器端。集中器軟件主程序流程如圖 3 所示。

3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)井蓋狀態(tài)信息數(shù)據(jù)的接收、統(tǒng)計(jì)、分析與展示。監(jiān)測(cè)中心接收集中器發(fā)來(lái)的井蓋狀態(tài)信息，對(duì)井蓋進(jìn)行編號(hào)，并將井蓋的剩余電量與傾角值存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫(kù)以便實(shí)時(shí)查詢井蓋狀態(tài)信息。同時(shí)，借助監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)定井蓋閾值，當(dāng)接收到的數(shù)據(jù)超過(guò)設(shè)定閾值后，產(chǎn)生相關(guān)報(bào)警信息，并以短信方式發(fā)送至相關(guān)手機(jī)，以便及時(shí)通知井蓋權(quán)屬單位與管理人員，及時(shí)排除井蓋安全隱患。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)與短信報(bào)警截圖如圖 4 所示。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文提出了基于 LoRa 的實(shí)時(shí)井蓋安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)城市道路井蓋安全狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。應(yīng)用結(jié)果表明，該井蓋安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)城市道路井蓋的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，加強(qiáng)了城市井蓋的安全有效管理。